圖像噪聲基本知識(shí)介紹

圖像噪聲

噪聲對(duì)人的影響噪聲可以理解為“ 妨礙人們感覺器官對(duì)所接收的信源信息理解的因素”。而圖像中各種妨礙人們對(duì)其信息接受的因素即可稱為圖像噪聲 。噪聲在理論上可以定義為“不可預(yù)測(cè)，只能用概率統(tǒng)計(jì)方法來認(rèn)識(shí)的隨機(jī)誤差”。因此將圖像噪聲看成是多維隨機(jī)過程是合適的，因而描述噪聲的方法完全可以借用隨機(jī)過程的描述，即用其概率分布函數(shù)和概率密度分布函數(shù)。

一、噪聲概念

目前大多數(shù)數(shù)字圖像系統(tǒng)中，輸入圖像都是采用先凍結(jié)再掃描方式將多維圖像變成一維電信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)燃庸ぷ儞Q。最后往往還要再組成多維圖像信號(hào)，而圖像噪聲也將同樣受到這樣的分解和合成。在這些過程中電氣系統(tǒng)和外界影響將使得圖像噪聲的精確分析變得十分復(fù)雜。另一方面圖像只是傳輸視覺信息的媒介，對(duì)圖像信息的認(rèn)識(shí)理解是由人的視覺系統(tǒng)所決定的。不同的圖像噪聲，人的感覺程度是不同的，這就是所謂人的噪聲視覺特性課題。

圖像噪聲在數(shù)字圖像處理技術(shù)中的重要性越來越明顯，如高放大倍數(shù)航片的判讀，X射線圖像系統(tǒng)中的噪聲去除等已經(jīng)成為不可缺少的技術(shù)步驟。下面就是對(duì)圖像噪聲基本知識(shí)的介紹：

二、噪聲分類

（一）圖像噪聲按其產(chǎn)生的原因可以分為

1．外部噪聲，即指系統(tǒng)外部干擾以電磁波或經(jīng)電源串進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部而引起的噪聲。如電氣設(shè)備，天體放電現(xiàn)象等引起的噪聲。

2．內(nèi)部噪聲：一般又可分為以下四種：

（1）由光和電的基本性質(zhì)所引起的噪聲。如電流的產(chǎn)生是由電子或空穴粒子的集合，定向運(yùn)動(dòng)所形成。因這些粒子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性而形成的散粒噪聲；導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所形成的熱噪聲；根據(jù)光的粒子性，圖像是由光量子所傳輸，而光量子密度隨時(shí)間和空間變化所形成的光量子噪聲等。

（2）電器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。如各種接頭因抖動(dòng)引起電流變化所產(chǎn)生的噪聲；磁頭、磁帶等抖動(dòng)或一起的抖動(dòng)等。

（3）器材材料本身引起的噪聲。如正片和負(fù)片的表面顆粒性和磁帶磁盤表面缺陷所產(chǎn)生的噪聲。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，這些噪聲有望不斷減少，但在目前來講，還是不可避免的。

（4）系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備電路所引起的噪聲。如電源引入的交流噪聲；偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和箝位電路所引起的噪聲等。

（二）圖像噪聲從統(tǒng)計(jì)理論觀點(diǎn)可以分為

平穩(wěn)和非平穩(wěn)噪聲兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，不去追究嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，這兩種噪聲可以理解為：其統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化的噪聲稱其為平穩(wěn)噪聲。其統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間變化而變化的稱其為非平穩(wěn)噪聲。

（三）還可以按噪聲幅度隨時(shí)間分布形狀來定義

如其幅度分布是按高斯分布的就稱其為高斯噪聲，而按雷利分布的就稱其為雷利噪聲。

（四）也有按噪聲頻譜形狀來命名的

如頻譜均勻分布的噪聲稱為白噪聲；頻譜與頻率成反比的稱為 1/f噪聲；而與頻率平方成正比的稱為三角噪聲等等。5.另外按噪聲和信號(hào)之間關(guān)系可分為 加性噪聲和乘性噪聲：假定信號(hào)為 ,噪聲為 ，如果混合迭加波形是 形式，則稱此類噪聲為加性噪聲；如果迭加波形為形式，則稱其為乘性噪聲。前者如放大器噪聲等。每一個(gè)象素的噪聲不管輸入信號(hào)大小，噪聲總是分別加到信號(hào)上。后者如光量子噪聲，膠片顆粒噪聲等。由于載送每一個(gè)象素信息的載體的變化而產(chǎn)生的噪聲受信息本身調(diào)制。在某些情況下，如信號(hào)變化很小，噪聲也不大。為了分析處理方便，常常將乘性噪聲近似認(rèn)為是加性噪聲，而且總是假定信號(hào)和噪聲是互相統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。

（五）此外根據(jù)經(jīng)常影響圖像質(zhì)量的噪聲源又可分

首先，是記錄在感光片上的圖像會(huì)受到感光顆粒噪聲的影響；其次，圖像從光學(xué)到電子形式的轉(zhuǎn)換是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過程（因?yàn)槊總€(gè)圖像元素接收到的光子數(shù)目是有限的）。最后，處理信號(hào)的電子放大器會(huì)引入熱噪聲。人們?yōu)榻⑦@三類噪聲的模型進(jìn)行過大量研究。

1. 電子噪聲

在阻性器件中由于電子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)而造成的電子噪聲是三種模型中最簡(jiǎn)單的。這類噪聲很早就被電路設(shè)計(jì)人員成功地建模并研究了。一般常用零均值高斯白噪聲作為其模型．它具有一個(gè)高斯函數(shù)形狀的直方圖分布以及平坦的功率譜。它可用其 RMS值（標(biāo)準(zhǔn)差）來完全表征。有時(shí)，電子器件也會(huì)產(chǎn)生一種所謂的1/f 噪聲．這是一種強(qiáng)度與頻率成反比的隨機(jī)噪聲。然而，圖像處理問題很少需要對(duì)這種 噪聲進(jìn)行建模。

2. 光電子噪聲

光電子噪聲是由光的統(tǒng)計(jì)本質(zhì)和圖像傳感器中光電轉(zhuǎn)換過程引起的。在弱光照的情況下，其影響更為嚴(yán)重，此時(shí)常用具有泊松密度分布的隨機(jī)變量作為光電噪聲的模型。這種分布的標(biāo)準(zhǔn)差等于該隨機(jī)變量均值的平方根。

在光照較強(qiáng)時(shí)，泊松分布趨向更易描述的高斯分布；而標(biāo)準(zhǔn)差（RSM幅值）仍等于均值的平方根。這意味著噪聲的幅度是與信號(hào)有關(guān)的。

三、常見噪聲

噪聲圖

圖像系統(tǒng)中的噪聲來自多方面 ，有電子元器件 ，如電阻引起的熱噪聲；真空器件引起的散粒噪聲和閃爍噪聲；面結(jié)型晶體管產(chǎn)生的顆粒噪聲和噪聲；場(chǎng)效應(yīng)管的溝道熱噪聲 ；光電管的光量子噪聲和電子起伏噪聲；攝象管引起的各種噪聲等等。由這些元器件組成各種電子線路以及構(gòu)成的設(shè)備又將使這些噪聲產(chǎn)生不同的變換而形成局部線路和設(shè)備的噪聲。另外還有就是光學(xué)現(xiàn)象所產(chǎn)生的圖像光學(xué)噪聲。在這一小節(jié)中，我們僅對(duì)一些專用元器件和設(shè)備噪聲略加介紹。

（一）光電管的噪聲

光電管通常作為光學(xué)圖像和電子信號(hào)之間轉(zhuǎn)換器件，如光密度計(jì)各種形式的掃描輸入輸出設(shè)備，傳真機(jī)的收發(fā)片機(jī)光電轉(zhuǎn)換等。光電管的噪聲主要包括兩個(gè)方面，其一是到達(dá)光電管陰極光量子數(shù)的起伏騷動(dòng)，其二是每個(gè)入射光量子所發(fā)射電子數(shù)的起伏騷動(dòng)。假定光電管的陽極電流為，根據(jù)肖特基公式，陽極電流的噪聲電流可由下面的式子表示：式子中為電子電荷。

（二）攝象管的噪聲

攝象管大體可分為三類：其一是利用光電子放電效應(yīng)進(jìn)行光電變換，除一些特殊場(chǎng)合下（如低照度醫(yī)療電視等）已很少使用。其二是利用光導(dǎo)效應(yīng)進(jìn)行光電變換。因?yàn)檫@種攝象管的輕巧廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)電視，廣播電視方面。其三是固體攝象器件，如BBD和CCD。它是將光學(xué)信號(hào)電荷存儲(chǔ)于金屬氧化物電容的半導(dǎo)體耗盡層上，由外部加激勵(lì)脈沖，使電荷沿同一方向順序傳輸，從輸出端取出信號(hào)電流。

（三）攝像機(jī)的噪聲

攝像機(jī)噪聲主要包括兩個(gè)方面，一是攝象管輸出噪聲，另一部分是攝像機(jī)中放大和處理電路所引起的噪聲。

對(duì)攝像機(jī)輸出噪聲影響最大的是前置放大器的噪聲性能，至于其他放大和處理電子電路中的噪聲，對(duì)已成熟的光導(dǎo)攝像機(jī)影響不大。

（四）光學(xué)噪聲

對(duì)于圖像系統(tǒng)而言，光學(xué)噪聲之所以重要，主要是因?yàn)樵谌肯到y(tǒng)噪聲中 光學(xué)噪聲占相當(dāng)?shù)谋戎?。所謂光學(xué)噪聲是指由光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲。如膠片的粒狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的顆粒噪聲；印象紙粗糙表面凹凸不平所產(chǎn)生的亮度濃淡分布也屬于這類噪聲；投影屏和熒光屏的粒狀結(jié)構(gòu)引起的顆粒噪聲等。

光學(xué)噪聲和電氣噪聲主要差別表現(xiàn)為：前者是在二維空間中展開的圖形 ，而后者可由電壓的時(shí)間變化來表示 。另外光學(xué)噪聲多半是乘性噪聲即前面我們講的隨信號(hào)大小而變化的，而電氣噪聲一般可以認(rèn)為是加性噪聲 ，但兩者都可以看作是平穩(wěn)隨機(jī)過程，所以可以用付立葉變換進(jìn)行分析。

四、噪聲特點(diǎn)

（一）噪聲的掃描變換

現(xiàn)在圖像系統(tǒng)的輸入光電變換都是先把二維圖像信號(hào)掃描變換成一維電信號(hào)再進(jìn)行處理加工。最后再將一維電信號(hào)變成二維圖像信號(hào)。噪聲也存在著同樣的變換方式。

（二）噪聲與圖像的相關(guān)性

使用光導(dǎo)攝象管的攝像機(jī)，可以認(rèn)為，信號(hào)幅度和噪聲幅度無關(guān)。而使用超正析攝像機(jī)的信號(hào)和噪聲相關(guān) ，黑暗部分噪聲大 ，明亮部分噪聲小，在數(shù)字圖像處理技術(shù)中量化噪聲是肯定存在的，它和圖像相位有關(guān)，如圖像內(nèi)容接近平坦時(shí)，量化噪聲呈現(xiàn)偽輪廓，但在此時(shí)圖像信號(hào)中的隨機(jī)噪聲就會(huì)因?yàn)轭澰胄?yīng)反而使量化噪聲變得不那么明顯。

（三）噪聲的迭加性

在串聯(lián)圖像傳輸系統(tǒng)中，各部分竄入噪聲若是同類噪聲可以進(jìn)行功率相加，依次信噪比要下降。若不是同類噪聲應(yīng)區(qū)別對(duì)待，而且要考慮視覺檢出特性的影響。但是因?yàn)橐曈X檢出特性中的許多問題還沒有研究清楚，所以也只能進(jìn)行一些主觀的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。如空間頻率特性不同的噪聲迭加要考慮到視覺空間頻譜的帶通特性。而時(shí)間特性不同的噪聲迭加就要考慮視覺滯留和其閃爍的特性等等。亮度和色度噪聲的迭加一定要清楚視覺的彩色特性。而以上的這些都因?yàn)橐曈X特性的未獲解決而無法進(jìn)行分析。

五、關(guān)于噪聲

顯示系統(tǒng)的電子噪聲會(huì)引起顯示點(diǎn)亮度與位置兩方面的變化。

（一）幅值噪聲

亮度通道的隨機(jī)噪聲會(huì)產(chǎn)生一種“胡椒加鹽”效果(即黑白噪聲點(diǎn))，在平坦區(qū)域中尤其明顯可見。前面提到的經(jīng)驗(yàn)法則指出有效量化級(jí)粗略地等于 RMS噪聲幅值。如果噪聲是周期性的并且有足夠的強(qiáng)度，它會(huì)在被顯示圖像上產(chǎn)生一個(gè)疊加的魚骨形圖案。

如果噪聲是周期性的并且與水平或垂直偏轉(zhuǎn)信號(hào)同步，它會(huì)產(chǎn)生條狀圖案。如果所有噪聲（包括隨機(jī)的和周期性的）幅值都低于一個(gè)灰度級(jí)，那么總的顯示效果還是可以的。不過在許多系統(tǒng)中，情況比這要差得多。

（二）點(diǎn)位置噪聲

一種嚴(yán)重的影響來自偏轉(zhuǎn)電路，即點(diǎn)顯示間距的不均勻。除非極其嚴(yán)重，顯示位置噪聲不會(huì)給圖像帶來可察覺的幾何畸變。然而，點(diǎn)相互影響與位置噪聲的組合會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的幅值變化。因?yàn)辄c(diǎn)相互影響效應(yīng)放大了位置噪聲，要得到好的顯示必須精確控制像素的位置。

亮點(diǎn)重疊對(duì)區(qū)域平坦性的影響，中點(diǎn)間距的變化會(huì)使平坦區(qū)域中像素中心點(diǎn)及對(duì)角線中點(diǎn)的亮度發(fā)生相當(dāng)大的變化。作為一個(gè)例子 ，設(shè)想一個(gè)1000*1000像素的顯示器具有兩倍于點(diǎn)半徑的點(diǎn)間距。從圖2-3-1可看出，當(dāng)點(diǎn)間距從1.9R變到2.1R時(shí)，對(duì)角線中點(diǎn)的亮度約從0.87增加到1.16，即發(fā)生29%的變化。然而，0.2 R 點(diǎn)間距變化僅是全程偏移的 0.01% 。因此偏移電路中一個(gè)0.01%峰一峰值噪聲會(huì)使對(duì)角線中點(diǎn)的幅值產(chǎn)生29%的變化。像素中心和像素中點(diǎn)的幅值也會(huì)受到影響，只是程度較輕。當(dāng)點(diǎn)間距小于2R時(shí)，位置噪聲的影響將更明顯。

（三）感光片顆粒噪聲

感光片的感光乳劑由懸浮在膠體中的鹵化銀顆粒組成、曝光是一個(gè)二值過程，每個(gè)顆粒要么完全曝光，要么完全不曝光。在顯影時(shí)，曝光顆粒還原成的不透明純銀顆粒被保留，而未曝光的顆粒則被沖洗掉、這樣，底片的密度變化就由銀顆粒的密集程度變化所決定 、在顯微鏡下 檢查可發(fā)現(xiàn)，照片上光滑細(xì)致的影調(diào)在微觀上其實(shí)呈現(xiàn)一個(gè)隨機(jī)的顆粒性質(zhì)。此外顆粒本身大小的不同以及每一顆粒曝光所需光子數(shù)目的不同，都會(huì)引入隨機(jī)性。這些因素的外觀表現(xiàn)稱為顆粒性。

對(duì)于多數(shù)應(yīng)用，顆粒噪聲可用高斯過程（白噪聲）作為有效模型。與光電噪聲類似，其內(nèi)在分布為泊松分布。由于制造商會(huì)公布其生產(chǎn)的各種膠卷的平均顆粒直徑，因此只需確定顆粒噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差（作為顆粒大小和局部圖像密度的函數(shù)）。

審核編輯：劉清