Źródła powstawania
szumów w obrazach

Photon noise, thermal noise, on-chip electronic noise,
TC noise(gate capacitor), amplifier noise,
quantization noise, reset noise, smear, Fixed-pattern
noise, dark current noise, blooming.

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Katedra Robotyki i Mechatroniki

Szumy w obrazach

Szum są to pewne przypadkowe, niepotrzebne piksele obrazu, które

mogą zniekształcać jego szczegóły.

Photon Noise

Obraz z szumem

Obraz po
„odszumieniu”.

Photon noise

Nowoczesne aparaty są wystarczająco czułe, aby

wyłapać pojedyncze fotony. Problem szumu fotonowego
wynika zasadniczo ze zmiennej(statystycznej – gdyż
bazujemy jedynie na średniej) natury produkcji fotonów.
Nie możemy zakładać, że w danym pikselu dla dwóch
kolejnych, ale nienależnych obserwacji przedziałów o
długości T, uda się uzyskać takie same liczby fotonów.
Produkcja fotonów rządzi się prawami fizyki kwantowej,
która ogranicza nas do mowy o średniej liczbie fotonów
przy pomocy danego okna obserwacji.

Tak więc gdyby matryca nie posiadała żadnych

własnych źródeł szumu, to i tak obraz będzie zawierał
szum fotonowy.

W tym przykładzie
mały piksel ma 4 razy
mniejszą pojemność
(S) niż duży. Szum
fotonowy (N) wzrasta
w tej sytuacji
dwukrotnie. Tak więc 
zwiększenie wielkości
piksela pozwala na
zwiększenie SNR i
otrzymanie mniej
zaszumionego obrazu.

Photon Noise

Patrząc od strony lewej do prawej, średnia liczba fotonów na piksel w całym obraz
(górny wiersz) 0,001; 0,01; 0,1 (środkowym rzędzie) 1,0; 10,0; 100,0 (dolny rząd)
1,000.0;10,000.0 i 100,000.0. Warto zwrócić uwagę na szybki wzrost jakości ostatnich
10 fotonów / piksel. (Zdjęcie źródło zostało pobrane za pomocą aparatu o pojemności
źródłowej około 40000 elektronów/pixel.)

Symulacja
szumu
fotonowego
Przy użyciu
przykładowe
go obrazu
jako źródła
obrazu

Thermal Noise

Szum termiczny powstaje, gdy temperatura detektora jest na tyle duża, że mogą się zdarzyć przypadkowe jonizacje atomów krzemu, które rejestrują się na obrazku Szum ten ma charakter szumu białego.

Szum termiczny powstaje, gdy
temperatura detektora jest na
tyle duża, że mogą się
zdarzyć przypadkowe
jonizacje atomów krzemu,
które rejestrują się na obrazku
Szum ten ma charakter szumu
białego.

Thermal Noise

Po lewej: obraz bez szumu. Po prawej obraz z szumem
termicznym.

Thermal Noise

Po lewej: fotografowany pejzaż, po prawej: dark
frame.

Thermal Noise

Szum ten generuje się w procesie

czytania sygnału z czujnika, w tym
przypadku przez tranzystor wpływ pola
(FET) o układ CCD.

KTC Noise(gate capacitor)/Reset Noise

Szum związany z bramką kondensatora

FET jest nazywany Szumem KTC.

Właściwe zaprojektowanie elektroniki,

która korzysta na przykład ze
współzależnego podwójnego pobierania
próbek i podwójnego stoku integracji może
niemal całkowicie wyeliminować szum KTC.

Amplifier Noise

Szum wzmacniacza może zostać zredukowany poprzez spowolnienie procesu
transferu, tak aby mniej elektronów zostało utraconych w procesie
przesunięcia i stały czas wzmocnienia mógł bardziej zintegrować się z
szumem.

Quantization Noise

Proces kwantyzacji

Quantization Noise

Próbkowanie w przestrzeni polega na

pobraniu z nieruchomego analogowego
("ciągłego") obrazu serii próbek z różnych
punktów. Punkty te tworzą najczęściej
siatkę (sampling grid) prostokątną jak na
rysunku. W przypadku, gdy punkty, w
których przeprowadzane jest
próbkowanie, położone są bliżej siebie,
powstały obraz charakteryzuje się wyższą
rozdzielczością (resolution). Pomimo
tego, że próbki zostały pobrane każda w
jednym konkretnym punkcie, odtworzenie
obrazu może polegać na zamodelowaniu
każdej z nich kwadratem (pikselem). Im
wyższa rozdzielczość, tym te kwadraty są
mniejsze, co oko ludzkie odbiera jako
większą jakość obrazu.

Smear(smużenie) i Blooming
(rozmycie obrazu)

Zdjęcie pokazuje przykład smużenia obrazów wykonanych przez aparat bez
migawki mechanicznej. Fotografia powyżej pokazuje, że cienka rozmyta smuga
rozciąga się z płomienia zapalniczki. Poniżej natomiast znajduje się zdjęcie
Słońca, pokazując mocną rozmytą strugę wydobywającą się ze słońca. W obu
przypadkach jasny obszar, który wydaje się rozmywać, rozprzestrzenia się wokół
każdego oświetlonego miejsca.

Smear(smużenie) i Blooming (rozmycie
obrazu)

Smużenie obrazu
wykorzystane w obróbce zdjęć

Rozmycie obrazu
wykorzystane w obróbce zdjęć

Fixed-pattern Noise

Pomiar błędu
stałego –
histogram.

Fixed-pattern Noise

Rodzina niedźwiedzi polarnych. Po lewej: obraz ze stałym szumem. Po prawej:
obraz bez szumu.

Dark current noise

Dark current noise