מהו רעש בעיבוד תמונות? – מדריך

אם ראיתם אי פעם תמונה שבה אתם שומים לב לחלקיקי אבק שאינם חלק מהתמונה עצמה, כנראה שאתם רואים ‘רעש’ בתמונה. ישנם הרבה סיבות טכניות לכך. לרוב הוא מערפל את התמונה האמיתית והוא הגורם המוביל לירידה באיכות התמונה בשידור תמונות דיגיטלי.

זהו המקום בו עיבוד תמונות מציע פתרון חזק. הוא מספק מגוון רחב של טכניקות להפחתת רעש, כגון סינון מרחבי, סינון תדר, סינון מבוסס המרה, סינון מבוסס למידת מכונה וכו’.

במאמר זה, נחקור כמה טכניקות מפתח שניתן להשתמש בהן כדי להפחית רעש בתמונות, יחד עם חקירת הסוגים המובילים והגורמים לרעש בתמונות. בואו נצלל!

סוגי רעש בעיבוד תמונות

סימולציה של וריאציות רעש – Mdf, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

גורמים החל מתנאים סביבתיים ועד לחיישן המצלמה יכולים להכניס רעש לתמונה. ארבעת הסוגים העיקריים של רעש שאתם רואים בדרך כלל בתמונות כוללים:

• רעש נוסף: נגרם על ידי וריאציות אקראיות בבהירות או מידע צבע ברחבי התמונה. זהו הסוג הנפוץ ביותר של רעש שנראה בתמונות.
• רעש ניכוס: נגרם על ידי ניכוס אקראי של ערכי פיקסלים מהתמונה המקורית, מה שגורם לאיכות תמונה ירודה, לרוב נראה כנקודות או אזורים כהים בתמונה. רעש ניכוס בדרך כלל מתרחש בהגדרות תאורה נמוכה.
• רעש מוכפל: נגרם כאשר ערך הרעש מוכפל בערך הפיקסל המקורי, לרוב תוצאה באיכות תמונה ירודה סביב החלקים הבהירים יותר של התמונה. זהו הסוג הקשה ביותר של רעש להסרה בגלל וריאציות משמעותיות של ערכי פיקסל.
• רעש אימפולס: נגרם על ידי שינויים פתאומיים בערך פיקסל שנראים כפיקסלים אקראיים שחורים ולבנים, נראים כהפרעות חדות בתמונה. הוא מכונה גם ‘רעש מלח ופלפל’. הוא נובע מתקלות במצלמה, שגיאות שידור או קרניים קוסמיות.

גורמים לרעש בעיבוד תמונות

רעש תמונה יכול לנבוע ממקורות שונים, כולל:

1. תנאים סביבתיים: גורמים חיצוניים כגון תאורה ירודה או הפרעות אלקטרוניות סמוכות גורמים נפוצים לרעש בתמונות. הם יכולים להוסיף וריאציות אקראיות לתמונות.
2. רעש חיישן: בעיות כלשהן עם החיישן המשמש במצלמות ומסורים יכולות לתרום לרעש בתמונות. לדוגמה, בתנאים של תאורה ירודה, אם אתם לא משתמשים בחיישן איכותי, הוא יכול להגביר את הרעש יחד עם האור.
3. רעש קוונטיזציה: מתרחש כאשר אותות אנלוגיים מומרים לצורה דיגיטלית, במיוחד בתמונות בניגודיות גבוהה. לדוגמה, כאשר אתם סורקים צילום, תראו לרוב רעש המופיע בתמונה המוצאית. זהו רעש קוונטיזציה הנובע מדיגיטציה של התמונה.
4. רעש שידור: מתרחש כאשר תמונות משודרות דרך ערוצים רועשים, הן דרך רשתות (כגון האינטרנט) או אחסון במדיה רועשת (כגון דיסקים קשיחים).
5. רעש עיבוד: מתרחש במהלך פעולות עיבוד תמונה, כגון סינון, דחיסה וכו’.

מודלים של רעש בעיבוד תמונות

מודלים של רעש בעיבוד תמונות משמשים כייצוגים מתמטיים של סוגים שונים של רעש שיכול להשפיע על תמונות. מודלים אלה עוזרים להבין את התרחשותם של סוגים שונים של רעש דרך סימולציות, מה שבתורו עוזר לפתח אסטרטגיות להפחתתו.

חלק מהמודלים הנפוצים של רעש כוללים:

1. רעש גאוסי: אחד מסוגי הרעש הנפוצים, ‘רעש גאוסי’ מאופיין בהתפלגות הסתברותית בצורת פעמון. הוא מדמה וריאציות אקראיות הנמצאות בתמונות. הוא יכול לנבוע ממקורות כגון רעש חיישן ורעש קוונטיזציה ודומה לרעש הסטטי שאתם רואים לרוב בטלוויזיה או באות רדיו.
2. רעש ארלנג: הידוע גם כרעש גמא, זהו מודל רעש מוכפל נוסף המאופיין בהתפלגות גמא. הוא נפוץ בתמונות שצולמו עם חיישנים רועשים או שודרו דרך ערוצים רועשים.
3. רעש אחיד: זהו מודל רעש נוסף עם התפלגות אחידה, לרוב נצפה בתמונות מקוטעות או אלו שנפגמו על ידי שגיאות שידור.

מדידת רעש

בניתוח תמונות, הערכת רעש ואבחון היא משימה יסודית. היא כוללת קביעת רמת הרעש בתמונה. תהליך זה מסתמך על שתי טכניקות מדידת רעש עיקריות:

1. יחס אות לרעש (PSNR): PSNR משמש כאבן בוחן להערכת איכות שחזור תמונה. הוא משווה את ערכי הפיקסלים של התמונה המקורית לאלו של התמונה המשוחזרת, מספק מדד מספרי של כמה התמונה משוחזרת באמינות.
2. שגיאה ריבועית ממוצעת (MSE): MSE, לעומת זאת, מעריך את ההבדלים בין ערכי הפיקסלים של שתי תמונות. שיטה זו מחשבת את הממוצע של ההבדלים הריבועיים בין פיקסלים מתאימים בשתי התמונות. הגישה הכמותית הזו עוזרת לנו להבין את היקף הרעש בתמונה ואת השפעתו על איכות.

טכניקות הפחתת רעש נפוצות

רעש הופך את התמונות לדקות ולא מוגדרות, מערפל את הפרטים העדינים. כדי לנטרל את ההשפעה, טכניקות הפחתת רעש עוזרות לשפר איכות תמונה לתוצאות טובות יותר בתחומים רבים כגון צילום, אבטחה, וידאו, מעקב ועוד. לדוגמה, הפחתת רעש היא ביקורתית לאבחון מדויק ותכנון טיפול בתמונות רפואיות.

טכניקות הפחתת הרעש פועלות היטב תחת תנאים כגון תאורה נמוכה, הגדרות ISO גבוהות, מהירויות מסנן מהירות או כאשר מטפלים במצלמות מולדות רועשות.

חלק מהטכניקות הנפוצות להפחתת רעש כוללות:

• סינון ממוצע: כדי להיפטר מרעש אימפולס, סינון ממוצע מחליף את ערך הפיקסל בערכים הממוצעים של הפיקסלים הסמוכים.
• סינון גאוסי: טכניקה זו מחליפה כל פיקסל בתמונה בממוצע משוקלל של הפיקסלים בשכנות הפיקסלים סביבו.
• סינון דו-צדדי: טכניקה זו משלבת את סינון הממוצע והגאוסי כדי להפחית רעש תוך שמירה על קצוות.
• סינון גלי: טכניקה זו משתמשת במודל הטרנספורמציה Fourier כדי להעביר מקדמי גל של התמונה כדי להפחית רעש.

יישומים של הפחתת רעש

הפחתת רעש היא בעלת יישומים רבים בתחומים, כגון שיקום תמונות והגדלת תמונות, אך החשובים ביותר הם:

• דימות רפואי: טכניקות הפחתת רעש משפרות אבחון מחלות בסריקות MRI ו-CT, מסטרים תוצאות מטופלים.
• תמונות לוויין: הפחתת רעש עוזרת בזיהוי עצמים ומאפיינים טוב יותר בתמונות לוויין.
• ניהול אסונות: הפחתת רעש משפרת תמונות טלסקופיות למעקב סביבתי ומיפוי.
• אכיפת חוק: היא משפרת בהירות בסרטוני מעקב ותמונות פורנזיות לזיהוי חשודים ועצמים.
• מחקר חלל: הפחתת רעש נוקה תמונות אסטרונומיות, מאפשרת גילוי עצמים שמיימיים עמומים ופרטים עדינים בתצפיות החלל העמוק.

לקרוא תוכן קשור, בקרו ב Unite AI.