نویز تصویر در دوربین های مداربسته

از عمده ترین نقایص تصویر دیجیتال نویز در تصویر است که به تغییرات تصادفی در میزان نور و یا اطلاعات رنگی آن گفته می شود که می تواند در فرآیندهای مختلف، از دریافت نور تا نمایش آن ایجاد شود. در تصاویر دیجیتال، هر نقطه ممکن است شدت نور یا رنگ متفاوتی با واقعیت داشته باشد. نقاط سفید در بخش های تیره و یا نقاط تیره در بخش های روشن، جابجایی رنگی برخی نقاط به سمت قرمز و یا سبز، یک دست نبودن رنگ بخش تک رنگ، تیز نبودن لبه ها و غیره، از نمونه های نویز در تصویر دیجیتال است. یکی از چالش های بزرگ در فرآیند پردازش تصویر تشخیص و کم کردن نویز از داده های بدست آمده است .

این اغتشاشات به دو صورت عمده در عکس نمایان می شوند. یکی نویز نوری است که به صورت نقاط تیره و روشن، در سطح تصویر دیده می شود و دیگری، نویز رنگی است که باعث ایجاد نقاط رنگی غیر طبیعی در تصویر می شود.

• مشکلات و کاستی هایی که نویز نیستند

انعکاس نور از سطح حسگر تصویری بیش تر از فیلم عکاسی است. بنابراین احتمال ایجاد مشکلات تصویری مانند هاله های نوری، شعله و شبه در تصویر دیجیتال بیش تر است. به همین دلیل است که بعضی از سازندگان از لایه های پوششی خاصی در بدنه داخلی لنزها جهت استفاده در دوربین های دیجیتال، استفاده می کنند تا انعکاس ها را به حداقل برسانند.

ممکن است نقاطی از حسگر به دلیل آسیب دیدگی سوخته باشد و نقاط سیاهی را در تصویر ایجاد کنند که با توجه به تکرار شدن در تمام تصاویر، از نویز تصادفی قابل تشخیص هستند.

عوامل ایجاد نویز

نویز به طور معمول در تصویر وجود دارد به این معنی که هرگز تصویر ثبت شده مانند واقعیت نیست، اما میزان آن می تواند آنقدر کم باشد که بتوان گفت وجود ندارد و یا آنقدر زیاد باشد که نتوان سوژۀ تصویر را تشخیص داد. نویز به دلایل مختلفی ایجاد می شود و می تواند ناشی از یک قسمت و یا مجموع چندین قسمت باشد.

• نوردهی بالا: در بخش ثبت تصویر در دوربین های دیجیتال، باز ماندن طولانی شاتر منجر به ایجاد نقاط سفید در بخش سیاه و برعکس می شود که ناشی از کاهش جریان دیودهای نوری است.
• تقویت سیگنال: در حساسیت (ISO)های بالاتر، سیگنال بدست آمده تقویت می شوند تا نتیجه ای همانند حساسیت های پایین به دست آید و همین تقویت سیگنال ها باعث افزایش نویز می شود. اندازۀ حسگر هم نقشی به سزا در میزان نویز دارد، حسگرهای بزرگ تر بخش بیش تری از نوری که از لنز عبور می کند را استفاده می کنند و حساسیت و سرعت شاتر کم تری لازم خواهند داشت.
• تأثیر حساسیت(مگاپیکسل): نوری که به هر نقطه (پیکسل) از حسگر می رسد، با حاصل تقسیم مساحت حسگر بر تعداد نقاط آن رابطۀ مستقیم دارد، در نتیجه در دو حسگر با اندازۀ یکسان و با تعداد نقطه های متفاوت، حسگری که نقاط کم تری دارد (مگاپیکسل کم تر)، نور بیش تری برای هر یک از نقطه ها فراهم کرده و نویز کم تری دارد، پس مگاپیکسل بالاتر بر خلاف دید عموم، علاوه بر این که منجر به بهبود کیفیت نمی شود، نور کم تری برای هر نقطه فراهم کرده و می تواند منجر به ایجاد نویز بیش تری شود. به همین دلیل، دوربین های سریع که برای رخدادهای ورزشی استفاده می شوند تعداد نقاط کم تری در حسگرهای خود نسبت به دوربین هایی که در آتلیه ها استفاده می شوند دارند تا بتوانند در سرعت های بالاتر نویز کم تری ایجاد کنند.
• در عملیات فشرده سازی ممکن است نویز های تصویری تولید یا تشدید شوند.
• دما: دما نیز می تواند بر میزان نویز حسگر اثر بگذارد، افزایش دما منجر به افزایش نویز می شود، در نتیجه دوربین ها در تابستان بیش تر از زمستان نویز ثبت می کنند.
• خطا در تبدیل اطلاعات آنالوگ به دیجیتال، سرعت پایین پردازش اطلاعات، روش های تبدیل و ذخیره سازی، پایداری ولتاژ باطری ها و غیره نیز می توانند منجر به ایجاد نویز شوند.
• پرتوهای کیهانی، سیگنال های مخابراتی، تابش های رادیواکتیو و بسیاری دیگر نیز توانایی ایجاد نویز در دوربین های دیجیتال و آنالوگ را دارند اما معمولاً بسیار ناچیز هستند.

روش های جلو گیری از ایجاد نویز

نویز، در وهلۀ اول، حاصل از اجزای الکترونیکی تجهیزات دیجیتال است و سازندگان همواره با روش های مختلف سعی داشته اند که اثرات مخرب و ناخوشایند این پدیده را بی اثر یا کاهش دهند و یکی از تفاوت هایی که در تجهیزات حرفه ای گران قیمت نسبت به تجهیزات معمول مشاهده می شود، کاهش محسوس این مشکلات است. علی رغم تلاش های به عمل آمده، هنوز این اثرات در بسیاری از تصاویر، به خصوص در شرایط تصویر برداری خاص قابل رؤیت هستند. به طور مثال در نوردهی های طولانی، حساسیت های بالا و عکاسی در نور کم این اثرات بیش تر دیده می شوند.

بهترین روش، خرید دوربینی است که نویز کم تری داشته باشد اما به طور معمول، دوربین با نویز کم تر، قیمت بیش تری نیز دارد، البته عدم تحقق قبل از خرید دوربین و یا رفتن به سراغ دوربین های خیلی کوچک و امکانات پردازشی زیاد می تواند علاوه بر قیمت بالا، نویز زیادی را هم تحمیل کند. قبل از خرید دوربین باید به اندازه حسگر (بزرگ تر باشد) و نسبت اندازه حسگر به تعداد نقاط آن (بیش تر باشد) و سرعت پردازش آن (بالاتر باشد) توجه داشت.

می توان با روش های نویز دوربین خریده شده را نیز کاهش داد. برای مثال، به کارگیری نور مناسب و کافی باعث می شود دوربین زمان و حساسیت کم تری برای ثبت تصویر لازم داشته باشد و نویز کم تری ثبت کند. بازبودن شاتر و افزایش حساسیت هر دو باعث ایجاد نویز می شوند و باید بررسی کرد که کدام یک در دوربین موجود نویز کم تری ایجاد می کند تا در نور کم تر آن پارامتر را افزایش داد تا نیازی به نور اضافی نباشد. به طور معمول حساسیت های خیلی بالا بیش تر از شاترهای طولانی نویز ایجاد می کنند. بهتر است حد بالایی برای حساسیت دوربین بدست آورد و با حساسیت های کم تر از آن اقدام به تصویر برداری نمود.

برای کاهش نویز باید دیافراگم را در بازترین مقدار ممکن قرار داد و از لنزهای درخشان تر استفاده کرد و اگر نتوان این کار را انجام داد و یا لنز بزرگنمایی اجازه بازشدن بیشتر آن را نداد، باید از فاصلۀ کانونی کم تری استفاده نمود و به جای بزرگنمایی، به سوژه نزدیک تر شد زیرا بزرگنمایی بیش تر نور کم تری را به حسگر می رساند و حساسیت بالاتر و شاتر طولانی تری لازم دارد.

باید از قرار دادن دوربین در نور مستقیم آفتاب بدون روپوش خودداری نمود، زیرا گرم شدن دوربین علاوه بر افزایش نویز حسگر، تغییر در مقاومت و کاهش سرعت پردازش، باعث نوسان ولتاژ نیز می شود. تغییر در اندازۀ عکس هم در بعضی دوربین ها و با توجه به شیوۀ پردازش اطلاعات آنها می تواند مفید باشد. همواره در دوربین ها باید از بزرگ ترین اندازۀ عکسی که از نظر نویز تفاوتی با عکس کوچک تر خود ندارد استفاده نمود تا با تعداد نقاط بیش تر در مرحلۀ پردازش نویز بیش تری را بتوان حذف کرد. آخرین راه، استفاده از عکس های تاریک تر است که نویز کم تری دارند.

روش های از بین بردن نویز

بهترین روش از بین بردن نویزها، روشی است که با از بین بردن کم ترین اطلاعات تصویر، بیش ترین نویز را از بین ببرد. بسیاری از دوربین ها زمانی که با حساسیت های بالا عکس می گیرند، به شکل خودکار قبل از ذخیره سازی آن، سعی می کنند تا قسمتی از نویزها را با الگوریتم های مخصوص خود از بین ببرند.

یکی از بهترین روش ها با توجه به تصادفی بودن نویزها، گرفتن چند تصویر و میانگین گیری از آن هاست و با توجه به این نکته که نویز در هر یک از تصاویر به شکل متفاوتی ایجاد می شود و سوژه در همۀ آن ها یکسان است، میانگین گیری از تصاویر منجر به کم تر شدن اثر نویز و نیرو گرفتن سوژه ثابت می شود. شاید این روش دردسر بیش تری داشته باشد ولی یکی از بهترین روش ها برای از بین بردن نویزها بدون دست زدن به جزئیات تصویر است که در بعضی از دوربین ها به شکل خودکار انجام می شود. اما بهتر است به جای صرف زمان و هزینه جهت حذف نویز، سعی شود با طراحی و نصب مناسب نویز کم تری در تصویر منعکس شود.

در خصوص حذف نویزها، روش های دیگری هم وجود دارند که یا اجرای مشکل تری دارند و یا چندان اثر بخش نیستند. یکی از این روش ها هم رنگ کردن نقاط در بخش های با رنگ نزدیک به هم است که در این روش قسمت هایی با جزئیات کم تر یافت و محو می شوند. روش دیگر کم کردن تعداد نقاط تصویر است، برای مثال از هر چهار نقطه کنار هم یک نقطه بدست آید که رنگ و نور آن میانگین آن چهار نقطه باشد و به این ترتیب اثر نویزی که برای مثال در یکی یا چند تا از این نقاط ایجاد شده کم تر می شود، ولی کم کردن تعداد نقاط منجر به حذف جزئیات، کم رنگ شدن لبه ها و کوچک تر شدن تصویر می شود. در همۀ این روش ها، پاک کردن نویز ها منجر به کم شدن داده های تصویر و کم شدن جزئیات می شود زیرا نقطه ای که نویز ثبت کرده هیچ داده ی دیگری ندارد و الگوریتم های حذف، تصمیم می گیرندکه چه داده ای را به جای آن قرار دهند و بدون خطا نیستند.

با توجه به مطالب فوق، برای کاستن نویز تصویر، تا آنجا که ممکن است از حساسیت های پایین تر استفاده می شود. همچنین نور دهی کافی در حد نویز، به خصوص در بخش های تیره عکس، می تواند بسیار تأثیر گذار باشد. از آنجا که در کنار حساسیت بالا، نوردهی های طولانی هم می تواند نویز را افزایش دهد، بهتر است در صورت امکان برای نور دهی کافی از دیافراگم باز استفاده کرد.

باید توجه داشت که این گونه مشکلات گاهی در ابعاد بزرگ تصویر یا در روند پردازش تصویر ممکن است بیش تر خود را نشان دهند و بنابراین بهتر است تا جای ممکن از عواملی که نویز را افزایش می دهند پرهیز کرد.