O ruído é uma característica que teve origem na Fotografia Digital e afeta diretamente a qualidade de uma fofo com isso deixando por muitas vezes vários fotógrafos frustrados sendo eles profissionais ou amadores.
Conceitualmente o “Ruído”, é o equivalente digital dos grãos dos filmes utilizados em câmeras analógicas. Em outras palavras e para melhor entendimento podemos dizer que ele é como o sutil chiado que se percebe quando uma música é ouvida num volume muito alto.
Para as imagens digitais, esse ruído aparece como manchas aleatórias em uma superfície originalmente suave e pode degradar a qualidade da imagem significativamente. Apesar do ruído normalmente ser um ponto fraco em uma imagem, ele pode também ser desejado, já que pode conferir à imagem um aspecto antigo e que lembre filmes. Um pouco de ruído também pode aumentar a nitidez da imagem. O ruído aumenta proporcionalmente à sensibilidade escolhida, duração da exposição e temperatura. A quantidade de ruído também depende muito da câmera utilizada para gerar a imagem, câmeras profissionais de alto nível costumam ter muito menos ruído que câmeras compactas comuns.
Conceitos
Algum nível de ruído sempre existe em qualquer aparelho eletrônico que transmite ou recebe um ’sinal’. Para as televisões esse sinal são os dados da transmissão enviados por cabo ou recebidos pela antena da TV; para as câmeras digitais, o sinal é a luz que atinge o sensor da câmera. Mesmo sendo inevitável, o ruído pode se tornar tão pequeno relativamente ao sinal que pode ser considerado inexistente. A razão entre o sinal e o ruído (SNR, do inglês ’signal to noise ratio’) é uma maneira útil e universal de comparar as quantidades relativas de sinal e ruído para qualquer sistema eletrônico; razões altas terão pouco ruído visível enquanto o oposto vale para baixas razões. A sequência de imagens abaixo mostra uma câmera produzindo uma figura com muito ruído da palavra ’signal’ contra um fundo suave. A imagem resultante é mostrada junto com uma representação 3D mostrando o sinal sobre o ruído de fundo.
Terminologia
O ISO de uma câmera (em inglês “ISO setting” ou “ISO speed”) é um padrão que descreve a sensibilidade absoluta a luz. O ISO normalmente é apresentado em variações de 2, como ISO 50, ISO 100 e ISO 200 e pode ter uma grande variedade de valores. Valores mais elevados representam maior sensibilidade e a razão entre dois valores de ISO representa a sensibilidade relativa entre elas, ou seja, uma foto com ISO 200 demorará a metade do tempo que uma foto com ISO 100 para atingir o mesmo nível de exposição (se todos os outros parâmetros da câmera forem fixados). O ISO das câmeras digitais é a mesma coisa que a ASA encontrada nos filmes para câmeras analógicas. Claro que a diferença é que uma única câmera digital pode fotografar em diferentes ISO sem troca de filmes. O aumento do ISO é possível amplificando-se o sinal do sensor da câmera, mas isso também amplifica o ruído, assim, quanto maior o ISO, mais ruído a imagem terá.
Tipos de ruído
Câmeras digitais produzem três tipos de ruído: aleatório, de padrão fixo e de bandas. As três imagens abaixo mostram exemplos qualitativos pronunciados de casos isolados de cada um dos tipos de ruído contra um fundo cinza.
O ruído aleatório é caracterizado por flutuações de intensidade e tom de cor em relação a imagem real. Sempre haverá alguma quantidade de ruído aleatório em qualquer duração de exposição e ela será muito influenciada pelo ISO. O padrão do ruído aleatório muda mesmo quando as propriedades da exposição são as mesmas (é exatamente por isso que ele é chamado de aleatório).
O ruído de padrão fixo inclui o que se costuma chamar de “hot pixels” (do inglês: ‘pixels quentes’), que são chamados assim quando a intensidade de um pixel ultrapassa muito a das flutuações de ruído aleatório. O ruído de padrão fixo geralmente aparece em situações de exposições longas e é exacerbado por temperaturas altas. Uma característica importante é que ele mostra aproximadamente a mesma distribuição se as condições nas quais a imagem é produzida são a repetidas (temperatura, exposição e ISO).
O ruído em banda depende muito da câmera utilizada e é introduzido pela própria câmera quando ela lê dados provenientes do sensor digital. Ele é mais visível quando são usados ISO altos e nas áreas de baixa luz, ou quando uma imagem foi editada / clareada excessivamente. Dependendo da câmera ele também pode ser aumentado em função do balanço de branco escolhido.
Apesar de parecer ser o mais intrusivo, o ruído de padrão fixo é normalmente o mais fácil de ser removido, devido a sua natureza repetitiva. A eletrônica da câmera tem que simplesmente saber o padrão e subtraí-lo da imagem capturada para revelar a imagem verdadeira. O ruído de padrão fixo é um problema muito menor que o ruído aleatório em câmeras de última geração, apesar de pequenas quantidades ainda serem ainda mais facilmente percebidas que o ruído aleatório.
O ruído aleatório é muito mais complicado de ser removido sem que a imagem seja danificada. Os algoritmos criados para isso ainda lutam para conseguir discernir entre o ruído e texturas reais como as que ocorrem na terra ou folhas, assim tentativas de remover o ruído acabam removendo essas texturas também.
Ruído em imagens
Entender as características do ruído em câmeras digitais vai lhe permitir saber como o ruído influencia nas suas fotos. Os próximos tópicos discutem a variação tonal do ruído, ruído ‘chroma’ e ruído na luminância e ainda aspectos relacionados a frequência e magnitude de ruídos em imagens. Exemplos de variações de ruído baseadas em ISO e canais de cor também são mostrados para três câmeras diferentes.
Características
O ruído não muda somente dependendo da exposição da foto e da câmera, mas pode variar dentro de uma mesma imagem. Em câmeras digitais, regiões mais escuras terão mais ruído que regiões mais claras e com filme acontece ao contrario.
Note como o ruído se torna menos pronunciado quando os tons se tornam mais claros. Regiões mais claras têm um sinal mais forte, pois têm mais luz, resultando uma razão entre sinal e ruído total maior. Isso significa que imagens que estão sub expostas terão ruído muito mais visível - mesmo se forem clareadas para um nível mais natural. Por outro lado, imagens super expostas terão menos ruído e isso pode ser bem vantajoso, assumindo que seja possível escurecê-las depois e que nenhuma região onde havia textura fique completamente branca (ver “Compreendendo Histogramas, Parte 1“).
O ruído é composto de dois elementos: flutuações em cor e em luminância. Ruído colorido ou ruído ‘chroma’ tem, normalmente, uma aparência menos natural e pode tornar imagens inúteis se não for controlado. O exemplo abaixo mostra o ruído naquilo que era originalmente um quadrado cinza neutro, mostra também os efeitos separados do ruído ‘chroma’ e luminância.
A quantidade relativa de ruído ‘chroma’ e luminância pode variar significativamente de um modelo de câmera para outro. Existem maneiras de reduzir ambos através do uso de softwares, mesmo assim, a eliminação completa do ruído na luminância pode produzir imagens com uma aparência ‘plastificada’.
A variação no ruído pode acontecer tanto na magnitude quanto na frequência espacial, apesar dessa última ser uma característica que normalmente é ignorada. O termo ‘grão fino’ (em inglês ‘fine-grained’) é muito usado em relação a filmes para descrever o ruído cujas flutuações ocorrem em distâncias muito curtas, o que é o mesmo que ter uma alta frequência espacial. O exemplo abaixo mostra como a frequência espacial pode mudar a aparência do ruído.
Se os dois quadrados acima fossem comparados com base somente na magnitude de suas flutuações (como fazem a maioria dos artigos de revisão de câmeras), então diria-se que o quadrado da direita tem mais ruído. Sob uma rápida inspeção visual, o da esquerda é que parece ter muito mais ruído que o da direita. Isso se deve exclusivamente à distribuição espacial do ruído em cada um dos quadrados.
Apesar de a frequência espacial estar sendo enfatizada, a sua magnitude também é importante por ter um efeito notável. O próximo exemplo mostra dois quadrados que têm desvios padrão diferentes, mas a mesma frequência espacial.
Note como o quadrado da esquerda aparenta ser muito mais suave que o da direita. Ruído de alta magnitude pode se sobrepor a texturas finas como panos ou folhas, e pode ser muito mais difícil de remover sem causar suavização da imagem. A magnitude do ruído normalmente é descrita baseada numa medida estatística chamada ‘desvio padrão’, que quantifica a variação típica que um pixel tem de seu valor “real”. Esse conceito pode ser compreendido inspecionando-se os histogramas de cada um dos quadrados do exemplo anterior:
Se nenhum dos quadrados tivesse ruído, todos os pixels estariam representados por uma linha exatamente no meio do histograma. Conforme o nível de ruído aumenta, a largura desse histograma em forma de sino também aumenta. Apresentamos o histograma RGB, mas a mesma comparação pode ser feita para a luminosidade (a medida mais comum de ruído) e para cada um dos canais de cor.
Exemplos
É muito útil experimentar com a sua câmera, para que você consiga lidar e saber quanto ruído é gerado em cada opção de ‘ISO’. Os exemplos abaixo mostram as características do ruído gerado por três câmeras diferentes ao se fotografar uma imagem teste cinza com diferentes opções de ‘ISO’.
Note as diferenças em cada um dos modelos, canal de cor e ‘ISO’. Repare como cada canal de cor tem quantidades bem diferentes de ruído. O canal azul normalmente tem muito mais ruído e o verde tem menos em câmeras que usam ‘Bayer arrays’. Note também como a câmera Epson apresenta manchas de cor que são muito mais visíveis que o ruído causado somente por flutuações no brilho.
Você também pode notar como aumentar o ‘ISO’ sempre produz mais ruído em uma câmera, mas a variação de ruído na troca de ‘ISO’ muda muito de câmera para câmera. Quanto maior a área de um pixel no sensor da câmera, maior será a capacidade de receber luz - produzindo assim um sinal mais forte. Como resultado, câmeras com pixels fisicamente maiores geralmente vão aparentar ter menos ruídos, já que o sinal é maior em relação ao ruído. É por isso que câmeras com mais megapixels espremidos em uma mesma área não necessariamente produzem imagens melhores. Por outro lado, um sinal mais forte necessariamente terá um ruído menos visível, já que é a quantidade relativa de ruído e sinal que determina quão ruidosa será uma imagem. Apresar da Epson PhotoPC 800 ter pixels muito maiores que a Canon PowerShot A80, ela tem visivelmente muito mais ruído - especialmente no ‘ISO’ 400. Isso acontece, pois a Epson em questão é muito mais velha e gerava muito mais ruído, devido ao hardware e software menos sofisticados.
Fontes: Cambridgeincolour.com
