Как усреднение изображений или снижение разрешения снижает шум?

Последние два на самом деле являются одним и тем же и работают из-за того, что в большинстве случаев шум с такой же вероятностью увеличивает значение пикселя, как и снижает его значение.

Допустим, «истинное» значение данного пикселя равно 100 (из 255). Сделайте 10 изображений одной и той же сцены в шумных условиях, и вы можете записать следующие значения:

104, 99, 98, 100, 101, 105, 99, 102, 94, 105

усреднение этих значений (путем их сложения и деления на 10) дает следующее значение в пикселях: 100,7, которое будет округлено до 101, что намного ближе к истинному значению, чем можно было бы ожидать, если бы вам пришлось выбирать только один из 10 случайных изображений.

Что касается того, как это сделать, для этого существуют специальные программные пакеты (поиск стека изображений, я думаю, что Deep Sky Stacker — популярный выбор). В качестве альтернативы вы можете сделать это в большинстве редакторов изображений, загрузив несколько слоев и объединив пары слоев (более поздние версии Photoshop имеют специальные функции наложения, которые немного лучше).

Тот же принцип лежит в основе уменьшения разрешения. Один из способов сделать это называется «биннинг», когда вы объединяете четыре соседних пикселя в один. Итак, представьте, что четыре пикселя соответствуют области однотонного цвета на изображении, которое должно иметь унифицированное значение 100:

102, 103
93,  101 

их усреднение дает один пиксель со значением 99,75, которое округляется до 100.

Между прочим, съемка нескольких изображений и их усреднение эквивалентны съемке с более длинной выдержкой, за исключением:

• вы можете дать камере остыть между снимками, помогая решить проблему № 1
• длинные выдержки работают только в том случае, если вы захватываете больше света, что означает сохранение постоянной диафрагмы и снижение значения ISO (что не всегда возможно, например, если вы достигли минимального значения ISO)
• более длительные выдержки могут вызвать дрожание камеры, чего можно избежать, используя несколько более коротких выдержек (хотя изображения необходимо будет совместить).

--

Наконец, когда дело доходит до минимизации шума, золотое правило заключается в том, чтобы получить как можно больше света. Это достигается усреднением нескольких экспозиций (имеет значение общий захваченный свет). Понижающая дискретизация действительно меняет шум на разрешение.

Температура

В кремнии существует эффект, называемый тепловым шумом (шумом Джонсона). Это в основном электроны, отрываемые от подложки и добавляющие к электронам, выбиваемым фотонами. Эти электроны затем считаются частью «сигнала» от датчика, создавая шум. Этот тип шума распределен по Гауссу и имеет нулевое среднее значение.

Тепловой шум увеличивается с температурой, поэтому более холодный датчик работает лучше.

Усреднение

Это работает только для случайного шума со средним значением, равным нулю. Если шум случайный (достаточно), он никогда не бывает одинаковым, в то время как сцена, которую вы фотографируете, должна быть такой. Так как информация о сцене записывается несколько раз, каждый раз с немного другим шумом можно усреднить пиксели и получить более высокое отношение сигнал/шум, чем от одного снимка. Это означает, что сцена должна быть статичной.

Фотодетектор разного размера

В зависимости от того, как достигается больший датчик, вы можете получить меньше шума. Один из методов заключается в том, чтобы поддерживать постоянный размер физического сенсора, а затем объединять несколько физических пикселей в один логический. Или физический размер датчика может быть другим.

Объединив несколько физических пикселей в один логический, можно добиться такого же снижения шума, как и при объединении нескольких снимков.

Увеличивая физический размер пикселя, можно уменьшить шум от считывания и усиления. Чем больше пиксель, тем больше электронов в сигнале. Поскольку шум считывания и усиления близок к фиксированному для любой данной технологии производства (размер транзистора), можно добиться большего отношения сигнал/шум.

Вот статья, которая хорошо объясняет концепцию усреднения и то, как сделать это вручную с помощью Photoshop. Тот же метод можно использовать в любом программном обеспечении для редактирования изображений, которое поддерживает слои и непрозрачность слоев.