[科普中國]-噪點(diǎn)

圖像噪聲（image noise）是圖像中一種亮度或顏色信息的隨機(jī)變化(被拍攝物體本身并沒有)，通常是電子噪聲的表現(xiàn)。它一般是由掃描儀或數(shù)碼相機(jī)的傳感器和電路產(chǎn)生的，也可能是受膠片顆?；蛘呃硐牍怆娞綔y器中不可避免的的散粒噪聲影響產(chǎn)生的。圖像噪聲是圖像拍攝過程中不希望存在的副產(chǎn)品，給圖像帶來了錯(cuò)誤和額外的信息。

圖像噪聲的強(qiáng)度范圍可以從具有良好光照條件的數(shù)字圖片中難以察覺的微小的噪點(diǎn)，到光學(xué)天文學(xué)或射電天文學(xué)中幾乎滿畫幅的噪聲，在這種情況下(圖像中的噪聲水平過高，以至于無法確定其中的目標(biāo)是什么)，只能通過非常復(fù)雜的手段獲取到一小部分有用信息。

簡介圖像噪聲（image noise）是圖像中一種亮度或顏色信息的隨機(jī)變化(被拍攝物體本身并沒有)，通常是電子噪聲的表現(xiàn)。它一般是由掃描儀或數(shù)碼相機(jī)的傳感器和電路產(chǎn)生的，也可能是受膠片顆?；蛘呃硐牍怆娞綔y器中不可避免的的散粒噪聲影響產(chǎn)生的。圖像噪聲是圖像拍攝過程中不希望存在的副產(chǎn)品，給圖像帶來了錯(cuò)誤和額外的信息。

圖像噪聲的強(qiáng)度范圍可以從具有良好光照條件的數(shù)字圖片中難以察覺的微小的噪點(diǎn)，到光學(xué)天文學(xué)或射電天文學(xué)中幾乎滿畫幅的噪聲，在這種情況下(圖像中的噪聲水平過高，以至于無法確定其中的目標(biāo)是什么)，只能通過非常復(fù)雜的手段獲取到一小部分有用信息。1

壞點(diǎn)除了噪點(diǎn)外，還有一種現(xiàn)象很容易與噪點(diǎn)相混淆，這就是壞點(diǎn)。在數(shù)碼相機(jī)同一設(shè)置條件下，如果所拍的圖像中雜點(diǎn)總是出現(xiàn)在同一個(gè)位置，就說明這臺數(shù)碼相機(jī)存在壞點(diǎn)，一般廠家對壞點(diǎn)的數(shù)量有規(guī)定，如果壞點(diǎn)數(shù)量超過了規(guī)定的數(shù)量，可以向經(jīng)銷商和廠家更換相機(jī)。假如雜點(diǎn)并不是出現(xiàn)在相同的位置，則說明這些雜點(diǎn)是由于使用時(shí)形成的噪點(diǎn)。

CCD和CMOS感光元件都存在有熱穩(wěn)定性（hot pixel）的問題，就是對成像的質(zhì)量和溫度有關(guān)，如果相機(jī)的溫度升高，噪音信號過強(qiáng)，會(huì)在畫面上不應(yīng)該有的地方形成雜色的斑點(diǎn)，這些點(diǎn)就是我們所講的噪點(diǎn)。在遙感數(shù)字圖像處理中，噪點(diǎn)又稱為噪聲。噪聲主要是由于傳感器在成像的過程中，受到同質(zhì)異譜、同譜異質(zhì)等因素的影響而產(chǎn)生的，常見的噪聲點(diǎn)有椒鹽噪聲、條帶噪聲等。1

產(chǎn)生原因CCD和CMOS感光元件都存在有熱穩(wěn)定性（hot pixel）的問題，就是對成象的質(zhì)量和溫度有關(guān)，如果機(jī)器的溫度升高，噪音信號過強(qiáng)，會(huì)在畫面上不應(yīng)該有的地方形成雜色的斑點(diǎn)，這些點(diǎn)就是我們所講的噪點(diǎn)。各個(gè)品牌各種型號的相機(jī)對噪點(diǎn)的控制能力也不盡相同，同一型號的相機(jī)也有一定的個(gè)體差異，也有些相機(jī)有降噪功能。但噪點(diǎn)問題是現(xiàn)在所有DC都沒能完全克服的問題（調(diào)高感光度(ISO)，特別是長時(shí)間曝光、或相機(jī)溫度升高時(shí)）。噪點(diǎn)的多少因傳感器構(gòu)造以及處理器差異而不同。

長時(shí)間曝光產(chǎn)生的噪點(diǎn)這種現(xiàn)象主要大部分出現(xiàn)在使用低ISO拍攝夜景，在圖像的黑暗的夜空中，出現(xiàn)了一些雜亂的亮點(diǎn)?？梢哉f其原因是由于處理器無法處理較慢的快門速度所帶來的巨大的工作量，致使一些特定的像素失去控制而造成的。為了防止產(chǎn)生這種圖像噪音，部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)中配備了被稱為"降噪"的功能。

如果使用降噪功能，在記錄圖像之前就會(huì)利用數(shù)字處理方法來消除圖像噪音，因此在保存完畢以前就需要花費(fèi)一點(diǎn)額外的時(shí)間。但隨著降噪功能的開啟，畫面細(xì)節(jié)會(huì)損失。

用JPEG格式對圖像壓縮而產(chǎn)生的噪點(diǎn)由于JPEG格式的圖像在縮小圖像尺寸后圖像仍顯得很自然，因此就可以利用特殊的方法來減小圖像數(shù)據(jù)。此時(shí)，它就會(huì)以上下左右8×8個(gè)像素為一個(gè)單位進(jìn)行處理。因此尤其是在8×8個(gè)像素邊緣的位置就會(huì)與下一個(gè)8×8個(gè)像素單位發(fā)生不自然的結(jié)合。

由JPEG格式壓縮而產(chǎn)生的圖像噪音也被稱為馬賽克噪音（Block Noise），壓縮率越高，圖像噪音就越明顯。

雖然把圖像縮小后這種噪音也會(huì)變得看不出來，但放大打印后，一進(jìn)行色彩補(bǔ)償就表現(xiàn)得非常明顯。這種圖像噪音可以通過利用盡可能高的畫質(zhì)或者利用JPEG格式以外的方法來記錄圖像而得以解決。

模糊過濾造成的噪點(diǎn)模糊過濾造成的圖像噪音和JPEG一樣，在對圖像進(jìn)行處理時(shí)造成的圖像噪音。有時(shí)是在數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部處理過程中產(chǎn)生的，有時(shí)是利用圖像潤色軟件進(jìn)行處理時(shí)產(chǎn)生的。對于尺寸較小的圖像，為了使圖像顯得更清晰而強(qiáng)調(diào)其色彩邊緣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生圖像噪音。

所謂的清晰處理就是指數(shù)碼相機(jī)具有的強(qiáng)調(diào)圖像色彩邊緣的功能和圖像編輯軟件的“模糊過濾（Unsharp Mask）”功能。在不同款式的數(shù)碼相機(jī)中也有一些相機(jī)會(huì)對整個(gè)圖像進(jìn)行色彩邊緣的強(qiáng)調(diào)。而處理以后就會(huì)在原來的邊緣外側(cè)出現(xiàn)其他顏色的色線。

如果將圖像尺寸縮小以后用于因特網(wǎng)的話，圖像不是總覺得會(huì)變得模糊不清嗎？此時(shí)如果利用“模糊過濾”功能對圖像進(jìn)行清晰處理，圖像看起來效果就會(huì)好一些。不過由于產(chǎn)生了圖像噪音，在進(jìn)行第二次或第三次處理時(shí)，這種圖像噪音就顯得很麻煩。切忌不要因?yàn)樘幚磉^度而使圖像顯得過于粗糙。

感光元件面積太小造成噪點(diǎn)單反數(shù)碼相機(jī)與普通消費(fèi)數(shù)碼相機(jī)噪點(diǎn)對比 通常情況下單反數(shù)碼相機(jī)噪點(diǎn)數(shù)量要明顯好過普通消費(fèi)相機(jī)，這是由感光芯片面積所決定的。其中普通人可見的噪點(diǎn)90%以上是由此原因造成。

組成像素的光電二極管轉(zhuǎn)換效率和面積成非線性的正比關(guān)系，舉例來說，如果一個(gè)面積在1平方厘米的光電二極管轉(zhuǎn)換效率是35%左右的話(本組數(shù)據(jù)是假設(shè)數(shù)據(jù)，僅供直觀說明問題之用)，當(dāng)面積降低到7平方微米(1DsMK3的像素面積)的話，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)急劇下跌到1%以下，而在面積更小，集成度越來越高的便攜相機(jī)CCD/CMOS上面，光電轉(zhuǎn)換效率之低也就是可以想象的了。

轉(zhuǎn)換效率的低下使得從CCD/CMOS上讀取出來的信號必須經(jīng)過放大才能使用，我們所調(diào)節(jié)的ISO，其實(shí)就是調(diào)節(jié)這個(gè)信號的放大倍率，而信號的放大過程中不可能僅僅將分離出來的電平信號放大，必然伴隨著噪音信號的同步放大，再加上更高集成度的CCD/CMOS發(fā)熱量也必然更高，熱噪音會(huì)更大，這就需要各家的降噪算法來出力了，只是如果輸入的信號質(zhì)量就相對低下的話，降噪算法本身所能起到的作用也是有限的，我們在便攜DC上常常見到的顆粒感比較重，或者干脆色彩交界處模糊一片的情況，就是各家降噪算法不同所帶來的效果了。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所