Bildrauschen medizinischer Kameras
Bildrauschen medizinischer Kameras
Bildrauschen ist eine zufällige Variation von Helligkeits- oder Farbinformationen in Bildern und ist normalerweise ein Aspekt von elektronischem Rauschen. Es kann durch den Bildsensor und die Schaltung eines Scanners oder einer Digitalkamera erzeugt werden. Bildrauschen kann auch im Filmkorn und im unvermeidlichen Schrotrauschen eines idealen Photonendetektors entstehen. Bildrauschen ist ein unerwünschtes Nebenprodukt der Bilderfassung, das die gewünschten Informationen verdeckt.
Die ursprüngliche Bedeutung von "Lärm" war "unerwünschtes Signal"; ungewollte elektrische Schwankungen in den von AM-Radios empfangenen Signalen verursachten hörbares akustisches Rauschen ("statisch"). Analog werden auch ungewollte elektrische Schwankungen genannt"Lärm".
Das Bildrauschen kann von fast nicht wahrnehmbaren Flecken auf einem Digitalfoto, das bei gutem Licht aufgenommen wurde, bis hin zu optischen und radioastronomischen Bildern reichen, die fast ausschließlich aus Rauschen bestehen, aus denen durch anspruchsvolle Verarbeitung eine kleine Menge an Informationen abgeleitet werden kann. Ein solcher Rauschpegel wäre bei einem Foto nicht akzeptabel, da es unmöglich wäre, das Motiv selbst zu bestimmen.
Lärm Typen
1.Gaußsches Rauschen
Die Hauptquellen des Gaußschen Rauschens in digitalen Bildern treten während der Erfassung auf. Der Sensor weist aufgrund der Beleuchtungsstärke und seiner eigenen Temperatur ein Eigenrauschen auf, und die mit dem Sensor verbundenen elektronischen Schaltungen injizieren ihren eigenen Anteil an elektronischem Schaltungsrauschen.
Ein typisches Modell des Bildrauschens ist Gaussian, additiv, unabhängig bei jedem Pixel und unabhängig von der Signalintensität, das hauptsächlich durch Johnson-Nyquist-Rauschen (thermisches Rauschen) verursacht wird, einschließlich des, das vom Reset-Rauschen von Kondensatoren ("kTC-Geräusch"). Verstärkerrauschen ist ein wichtiger Teil der"Leserauschen"eines Bildsensors, also des konstanten Rauschpegels in dunklen Bildbereichen.[5] Bei Farbkameras, bei denen im blauen Farbkanal mehr Verstärkung verwendet wird als im grünen oder roten Kanal, kann es im blauen Kanal zu mehr Rauschen kommen.[6] Bei höheren Belichtungen wird das Bildsensorrauschen jedoch von Schrotrauschen dominiert, das nicht gaußförmig und nicht unabhängig von der Signalintensität ist. Außerdem gibt es viele Gaußsche Rauschunterdrückungsalgorithmen.
2.Salz-und-Pfeffer-Geräusch
Bild mit Salz- und Pfefferrauschen
Fettschwanz verteilt oder "treibend"Rauschen wird manchmal als Salz-und-Pfeffer-Rauschen oder Spike-Rauschen bezeichnet. Ein Bild mit Salz-und-Pfeffer-Rauschen weist dunkle Pixel in hellen Bereichen und helle Pixel in dunklen Bereichen auf.[9] Diese Art von Rauschen kann durch Analog-Digital-Wandlerfehler, Bitfehler bei der Übertragung usw. verursacht werden.[10][11] Es kann größtenteils eliminiert werden, indem Dunkelbildsubtraktion, Medianfilterung, kombinierte Median- und Mittelwertfilterung und Interpolation um dunkle/helle Pixel verwendet werden.
Tote Pixel in einem LCD-Monitor erzeugen eine ähnliche, aber nicht zufällige Anzeige.
3.Schuss Lärm
Das vorherrschende Rauschen in den helleren Teilen eines Bildes von einem Bildsensor wird typischerweise durch statistische Quantenfluktuationen verursacht, d. Dieses Rauschen ist als Photonenschussrauschen bekannt.[6] Das Schrotrauschen hat einen quadratischen Mittelwert proportional zur Quadratwurzel der Bildintensität, und das Rauschen an verschiedenen Pixeln ist unabhängig voneinander. Das Schrotrauschen folgt einer Poisson-Verteilung, die sich außer bei sehr hohen Intensitätspegeln einer Gaußschen Verteilung annähert.
Zusätzlich zum Photonen-Schrotrauschen kann zusätzliches Schrotrauschen durch den Dunkelleckstrom im Bildsensor auftreten; Dieses Geräusch ist manchmal bekannt als"dunkles Schussgeräusch"[6] oder "Dunkelstrom-Schussgeräusch". Dunkelstrom ist am größten bei"heiße Pixel"innerhalb des Bildsensors. Die variable Dunkelladung von normalen und heißen Pixeln kann abgezogen werden (mit"Darkframe-Subtraktion"), wobei nur das Schrotrauschen oder die zufällige Komponente der Leckage zurückbleibt. Wenn keine Dunkelbildsubtraktion durchgeführt wird oder die Belichtungszeit lang genug ist, dass die heiße Pixelladung die lineare Ladungskapazität überschreitet, ist das Rauschen mehr als nur Schrotrauschen und heiße Pixel erscheinen als Salz-und-Pfeffer-Rauschen.
4.Quantisierungsrauschen (gleichmäßiges Rauschen)
Das Rauschen, das durch Quantisieren der Pixel eines erfassten Bildes auf eine Anzahl diskreter Pegel verursacht wird, ist als Quantisierungsrauschen bekannt. Es hat eine annähernd gleichmäßige Verteilung. Obwohl es signalabhängig sein kann, ist es signalunabhängig, wenn andere Rauschquellen groß genug sind, um Dithering zu verursachen, oder wenn Dithering explizit angewendet wird.
5.Filmkorn
Die Körnung eines fotografischen Films ist ein signalabhängiges Rauschen mit ähnlicher statistischer Verteilung wie das Schrotrauschen. Wenn Filmkörner gleichmäßig verteilt sind (gleiche Anzahl pro Fläche) und wenn jedes Korn eine gleiche und unabhängige Wahrscheinlichkeit hat, sich nach der Absorption von Photonen zu einem dunklen Silberkorn zu entwickeln, dann ist die Anzahl dieser dunklen Körner in einer Fläche zufällig mit einer Binomialzahl Verteilung. In Gebieten mit geringer Wahrscheinlichkeit liegt diese Verteilung nahe der klassischen Poisson-Verteilung des Schrotrauschens. Als hinreichend genaues Modell wird häufig eine einfache Gaußsche Verteilung verwendet.
Filmkörnung wird normalerweise als eine nahezu isotrope (nicht orientierte) Rauschquelle angesehen. Seine Wirkung wird dadurch verschlimmert, dass die Verteilung der Silberhalogenidkörner im Film ebenfalls zufällig ist.
6.Anisotropes Rauschen
Einige Rauschquellen tauchen in Bildern mit einer deutlichen Orientierung auf. Zum Beispiel unterliegen Bildsensoren manchmal einem Zeilenrauschen oder Spaltenrauschen.
7. Periodisches Rauschen
Eine häufige Quelle für periodisches Rauschen in einem Bild sind elektrische oder elektromechanische Störungen während des Bildaufnahmeprozesses.[8] Ein Bild, das von periodischem Rauschen betroffen ist, sieht so aus, als ob ein sich wiederholendes Muster über dem Originalbild hinzugefügt wurde. Im Frequenzbereich kann diese Art von Rauschen als diskrete Spitzen gesehen werden. Eine signifikante Reduzierung dieses Rauschens kann durch den Einsatz von Notch-Filtern im Frequenzbereich erreicht werden.[8] Die folgenden Bilder veranschaulichen ein Bild, das von periodischem Rauschen beeinflusst wird, und das Ergebnis der Reduzierung des Rauschens unter Verwendung einer Frequenzbereichsfilterung. Beachten Sie, dass das gefilterte Bild noch etwas Rauschen an den Rändern aufweist. Eine weitere Filterung könnte dieses Randrauschen reduzieren, jedoch können auch einige der feinen Details im Bild reduziert werden. Der Kompromiss zwischen Rauschunterdrückung und Erhaltung feiner Details ist anwendungsspezifisch. Wenn beispielsweise die feinen Details des Schlosses nicht als wichtig erachtet werden, könnte eine Tiefpassfilterung eine geeignete Option sein. Wenn die feinen Details des Schlosses als wichtig erachtet werden, kann eine praktikable Lösung darin bestehen, den Rand des Schlosses abzuschneiden
