Подавление шума в RawTherapee

Введение

Для борьбы с шумами, как и у других Raw конвертеров, в RawTherapee предусмотрен инструмент – Noise Reduction. Он находится во вкладке Detail Tab (Детализация). В этой статье содержится информация о том, как организован данный инструмент и как им пользоваться. Приводятся описания параметров Noise Reduction. Совместно с подавлением шума, на определенном этапе, задействован инструмент Sharpening (резкость). Подавление шума в RawTherapee в целом, несложная процедура, но и она требует знания параметров программы и рекомендаций для её применения.

Что такое шум в изображении

Сначала определимся что такое шум в изображении ?

Эффективность работы датчиков на поверхности сенсора имеют решающее значение для качества изображения.

Из-за несовершенства устройств регистрации изображения, в частности сенсоров фотокамер, фиксация сигналов с датчиков происходит с искажениями. В результате в изображении появляются дополнительные нежелательные детали, а иногда теряются и некоторые детали самого изображения. Данное явление называют шумом в изображении.

Выглядит шум как плотная россыпь цветных и серых пятен, а иногда и черных и белых, чаще небольших размеров, покрывающих изображение.

По плотности и распределению такой шум похож на эффект видимой зернистости фотопленки.

Источники шума

Основные источники возникновения шумовых артефактов в цифровых изображениях:

фотонный шум – колебание количества фотонов попадающих на датчик;
шум оцифровки – несоответствие измеренного количества света (количества фотонов) и получаемого цифрового значения;
тепловой шум – тепловое возбуждение электронов. Нагрев датчиков провоцирует дополнительное высвобождение электронов которые могут быть неотличимы от электронов высвобождаемых поглощением фотонов. Уровень такого шума увеличивается с увеличением времени экспозиции;
шум излучения усилителя – дополнительное инфракрасное излучение, которое обусловлено работой усилителя сигнала с датчиков;
шум неоднородности чувствительности датчиков – все субпиксели, которые захватывают свет в виде фотонов не могут быть абсолютно одинаковыми, и иметь идеальную форму. Такая неоднородность создает некий разброс в данных;
шум квантования (ошибка квантования) – когда аналоговый сигнал оцифровывается, всегда существует погрешность цифрового замера амплитуды сигнала, за счет дискретного шага квантования. Шум квантования, который возникает при этом также вносит свой отрицательный вклад в общую шумовую картину;
шаблонный шум;
шум горячих, битых и мертвых пикселей. Заметен при достаточно длительных выдержках; Шум горячих пикселей напоминает разноцветное звездное небо;

Подробнее об этом здесь http://theory.uchicago.edu/~ejm/pix/20d/tests/noise/index.html

Существуют разные методы удаления и маскирования шумовых результирующих из изображения:

базовый инструмент Noise Reduction лучше всего справляется с фотонным шумом (гауссовским и пуассоновскими шумами), зернистостью пленки и некоторыми шумами считывания с датчиков;
шумы квантования и тепловой лучше всего удаляются инструментом DarkFrame; монохромный шум (состоит из черных и белых точек) дополнительно обрабатывается инструментом Impulse Noise Reduction, по желанию;
фильтр “горячих и мертвых пикселей” служит для устранения последствий от горячих и неработающих датчиков сенсора;
шаблонный шум устраняется фильтром линейных шумов;

Независимо от природы шумов, итоговый шум в изображении можно разделить на два основных: “цветной шум” и “шум яркости”.

Как выглядит шум

Давайте посмотрим как выглядит цветной шум вместе с яркостным. Фотография сделана на камеру Canon EOS 77D. ISO 1600

Использование инструмента шумоподавления эффективно при увеличении изображения до масштаба 1:1. В режиме отображения фотографии с увеличением вы сможете легко наблюдать все изменения, вносимые алгоритмом.

Цветной и яркостный шум. Шумподавление в RawTherapee

1. Цветной и яркостный шум. увеличение 100% (1:1)

2. Цветной и яркостные шумы Canon EOS 77D (увеличение 200%)

А вот так выглядит шум яркости без цветного шума:

3. яркостный шум без цветного шума. Увеличение 100% (1:1)

Без цветного шума, фотография выглядит уже достаточно естественно, несмотря на оставшийся яркостный шум.

3. яркостный шум без цветного шума. Увеличение 200%

Далее на изображении шум цветности и шум яркости удалены.

Подавление шума в RawTherapee. Удалены шумы яркости цветности

4.Удалены (умеренно) яркостный и цветной шумы с повышением резкости.

Подавление шума в RawTherapee возможно в разной степени интенсивности. Чрезмерно агрессивное удаление шумов делает изображение стерильным, и лишает его мелких деталей. Агрессивное шумоподавление снижает разрешение снимка и нарушает его цветовую структуру, хотя и полностью удаляет видимые зерна шумов. Сказанное больше относится к удалению яркостного шума.

Подавление шума в RawTherapee, Удалены яркостный и цветной шумы с повышением резкости. Яркостный шум удален агрессивно.

5.Удалены яркостный и цветной шумы с повышением резкости. Яркостный шум удален агрессивно.

Некоторым фотографам нравится оставлять больше деталей. Поэтому они применяют алгоритм только для удаления цветного шума, а шум яркости практически не затрагивают. В таком варианте шум изображения напоминает эффект от зернистости фотопленки и фотография не выглядит стерильной, выхолощенной, припудренной.

Сильное подавление яркостного шума способно уменьшить или вовсе удалить из изображение такие детали, как видимую шероховатость поверхностей, трещины, царапины, ворс,детали волос, нити шерсти,пуха, рисунок мелкой сетки и т.д.

Умеренный шум можно обнаружить только при просмотре фотографии в масштабе 1:1 и тогда высокая степень подавления шума не требуется, для сохранения естественной детализации снимка.

В RawTherapee используются продвинутые алгоритмы, которые позволяют хорошо удалять шум, сохраняя детализацию: вейвлеты, преобразование Фурье и медианный фильтр.

Общая последовательность действий

1.Подавление шума в RawTherapee можно начать с выбора демозаики. В большинстве случаев подходит хороший и универсальный алгоритм Amaze, но в чрезмерно зашумленных изображениях, полученных при высоких ISO, лучшими могут оказаться алгоритмы LMMSE или IGV.

2.Проверьте, установлен ли слайдер инструмента contrast by detail levels на нулевое значение. Этот инструмент может усилить шум. Поэтому перед применением шумоподавления желательно деактивировать его.

3.Увеличьте фотографию до 100% и найдите область,в которой содержатся мелкие четкие детали, а также рядом есть область вне фокуса или область с гладкими поверхностями без рельефа. Это позволит контролировать шумоподавление наглядным образом, учитывая ваши творческие предпочтения. Желательно также отключить для начала инструмент резкости (Sharpening).

Подавление шума в RawTherapee. Отключение резкости

6. Желательно отключить инструменты резкости, перед подавлением шума

4.Включите фильтр горячих и мертвых пикселей. Если заметили большие черные или белые точки.

Подавление шума в RawTherapee. Фильтр горячих и мертвых пикселей

7. Фильтр горячих и мертвых пикселей в RawTherapee

5.Включите инструмент шумоподавления. Цветной шум хорошо удаляется автоматически и обычно не требует подстройки. Удаление цветного шума не сопровождается потерей мелких деталей снимков. В этот момент остается яркостный шум. Он напоминает шум зернистости фотоплëнки. В принципе, на этом, удаление шума можно завершить. Если если вы хотите снизить влияние и яркостного шума, тогда продолжайте.

Обратите внимание на изображение (8). Подавление шума включено: рядом с надписью Noise Reduction белый значок выключателя. Все слайдеры в начальной позиции – не тронуты. Медианный фильтр еще не задействован.

Подавление шума в RawTherapee. Включение шумоподавления Noise Reduction

8. Включение шумоподавления в RawTherapee автоматически удаляет цветной шум по умолчанию.

6.Для удаления яркостного шума сначала установите слайдер восстановления деталей – Detail recovery в значение ноль. Затем увеличивайте значение шумоподавления слайдером Luminance (подавление яркостного шума) до состояния, пока шум не будет полностью разглажен. Далее двигайте слайдер восстановления деталей (Detail recovery) в сторону увеличения значения и наблюдайте проявление ранее утраченных деталей.

Noise Reduction. RawTherapee. Увеличиваем подавление шума слайдером Luminance

9. Увеличиваем подавление яркостного шума слайдером Luminance. Слайдером Detail recovery компенсируем потерю деталей

В процессе шумоподавления и восстановления деталей, могут образовываться артефакты на изображении. Используйте медианный фильтр (Median Filter)для устранения артефактов. (подробности в конце статьи)

RawTherapee. Подавление шума. Медианный фильтр

10. Задействуем медианный фильтр для подавления артефактов возникающих от шумоподавления

Одновременно вы можете повышать резкость изображения инструментом Sharpening (инструмент повышения резкости). Однако этот инструмент может вновь проявить подавленные шумы. Для контроля усиления резкости в Sharpening Tool имеется пороговое средство ограничения резкости – слайдер Contrast threshold.

RawTherapee. Sharpening (резкость). Усиливаем резкость. Компенсация потери деталей от шумоподавления

11. Задействуем Sharpening (резкость) после включения медианного фильтра, для компенсации потери деталей от шумоподавления и для усиления резкости, в любом случае

Параметры Noise reduction

Color space (Цветовое пространство)

В свитке Noise Reduction (устранение шума) находится селектор выбора цветового пространства, в котором работают алгоритмы подавления шумов – Color Space.

RawTherapee умеет выполнять шумоподавление в двух цветовых пространствах: RGB и L*a*b

При работе в пространстве L*a*b канал L* используется для передачи яркости, а каналы a* и b* для представления цвета.

Mode (режим)

Подавление шума в RawTherapee содержит в себе два основных режима, которые контролируют удаление только высокочастотного или низкочастотного шума.

Низкочастотный шум это шум, пятна которого имеют большой размер. Высокочастотный шум состоит из мелких пятен (зëрен)

Режим Conservative (консервативный)

Удаляет только низкочастотный шум и хорошо сохраняет цветовые детали.

RawTherapee. Noise Reduction. Conservative режим

12.Conservative режим

Режим Aggressive (агрессивный)

Удаляет низкочастотный шум вместе с высокочастотным. Использовать его рекомендуется на очень шумных фотографиях.

RawTherapee. Noise Reduction. Aggressive режим. Усиление слайдером Gamma

13. Aggressive режим с увеличенным значением, дополнительно, слайдером Gamma. Пространство Lab (L*a*b*)

Gamma (Гамма)

Изменят силу подавления шума. Меньшие значения гаммы позволяют подавлению шума влиять на все тона. Высокие значения ограничивают влияние инструмента шумоподавления только на яркие области.

Luminance (раздел)

Раздел содержит параметры управлением подавления яркостного шума.

14. Подавление шума в RawTherapee. Luminance раздел

Luminance control

Позволяет выбирать тип управления режимом яркостного шумоподавления – с помощью слайдеров или с помощью кривой.

Регулировка шумоподавления слайдером Luminance эквивалентна манипулированию кривой Luminance (кривая яркостного шумоподавления) .

Подавление шума в RawTherapee. Luminance контроль

15. Luminance контроль – через кривую

Контроль над кривой предоставляет большую эффективность чем слайдер, так как вы можете выбирать длину участка шумоподавления на диапазоне от теней до светов на кривой, привнося свою индивидуальную нелинейность в результат.

Подавление шума в RawTherapee. Luminance контроль. Кривая.

16. Luminance контроль – через кривую. Изменена форма кривой

Detail Recovery

Слайдер позволяет задать степень восстановления деталей, после смягчения детализации из-за алгоритмов шумоподавления. Адекватно компенсировать выпадение мелких деталей после шумоподавления не всегда возможно.

Chrominance (раздел)

Раздел управлением удаления цветного шума. По умолчанию, при включении свитка Noise Reduction, цветной шум удаляется эффективно и без последствий для деталей изображения. Тем не менее, в RawTherapee можно взять под контроль удаление и цветных шумов.

16. Chrominance раздел. Контроль подавления цветного шума

Chrominance – Master

Слайдер управляет силой подавления цветного шума. Удаление цветного шума практически не влияет на детализацию, но может оказать воздействие на восприятие цветов фотографии.

RawTherapee. Подавление шума. Chrominance раздел. Контроль подавления цветного шума. Ручной (manual) режим

17. Chrominance раздел. Контроль подавления цветного шума. Manual (ручной) режим

Method

Данный селектор позволяет выбрать метод удаления цветного шума.

Manual (ручной)
Automatic global (автоматический)
Preview (предпросмотр)

метод Manual (ручной)

Три слайдера, контролируемые вами, независимо друг от друга воздействуют на обработку. Полностью ручной контроль.

метод Automatic Global

Метод Automatic Global разбивает значение на несколько ячеек. Для каждой ячейки рассчитывается следующее: средний уровень шума для красно-зеленого канала и сине-желтого канала. Максимальный уровень шума для тех же каналов.

метод Preview noise

Режим предварительного просмотра шума.

Этот метод работает только при увеличении до 100% и более. Он анализирует области, которые в настоящее время видны в предварительном просмотре (если масштаб увеличен до 100% и более), и вычисляет:

средний уровень шума для красно-зеленого канала и сине-желтого канала;
максимальный уровень шума для тех же каналов;

Три ползунка – Master, Red-Green и Blue-Yellow – а также значения «Preview noise» обновляются соответствующим образом.

Если вы хотите сохранить текущие вычисленные значения, вам следует вернуться к «ручному» методу, иначе значения будут пересчитаны при панорамировании или при копировании профиля в другие изображения.

Chrominance – Red-Green

Степень подавления уровня шума в красно-зеленом канале (a* в L*a*b*).

Chrominance – Blue-Yellow

Степень подавления уровня шума в желто-голубом канале (b* в L*a*b*).

Median Filter (раздел)

Медианный фильтр заменяет каждый пиксель медианным значением соседних пикселей. Группы выборочных пикселей называются “окна”. Окно в алгоритме программы как бы “скользит” по всему изображению, пиксель за пикселем, обрабатывая изображение.

Медианный фильтр. RawTherapee. Подавление шума

18. Медианный фильтр. Для наглядности показано агрессивное использование фильтра.

Вы можете выбрать размер окна в раскрывающемся списке “тип медианы”.

Median Method

Подавление шума в RawTherapee содержит в себе, дополнительно, пять методов медианного фильтрования артефактов:

Только яркость.(Luminance only). Работает в пространстве L*a*b*. Влияет на канал L*;
Только цветность.(Chroma only) Работает в пространстве L*a*b*. Влияет на каналы a* и b*;
Взвешенный(Weighted) L* (маленький(little)) + a*b* (нормальный(normal)). Влияет на все каналы в пространстве L*a*b*. Слабо действует на L* канале;
L*a*b*. Влияет на все каналы одинаково;
RGB. Работает в пространстве RGB, и выбор размера окна ограничен 3×3 soft, 3×3 и 5×5;

При использовании методов «Только яркость» и «L*a*b*» медианная фильтрация будет выполняться сразу после блока вейвлета в цепи обработок шумоподавления.

При использовании цветового пространства RGB медианная фильтрация выполняется в самом конце цепи алгоритмов шумоподавления.

Помимо устранения артефактов, медианная фильтрация способствует уменьшению размера файла при сохранении в сжатые форматы, такие как JPEG и PNG до 60% от исходного.

Режим медианного фильтра «только цветность» (Chroma only) можно использовать в качестве дополнения к автоматическому уменьшению цветного шума для лучшего сохранения цветовых оттенков.

В процессе шумоподавление и восстановления деталей, возможно появления достаточно крупных пятен – артефактов шумоподавления. Для борьбой с ними хорошо подходит медианная фильтрация. Медианная фильтрация помех довольно часто применяется в обработке фото и видео сигналов. Особенность данного подхода в том, что медианная фильтрация нелинейна. Фильтр не действует на монотонную поверхность, и также оставляет четкими границы объектов. Такой фильтр при оптимальном выборе апертуры (окна фильтра) эффективно подавляет не коррелирующий с структурой изображения, шум.

Median type

Выбор размера окна обработки. Доступные размеры окон:

3×3 soft: обрабатывает 5 пикселей в окне 3×3;.
3×3: обрабатывает 9 пикселей в окне 3×3;
5×5 soft: обрабатывает 13 пикселей в окне 5×5;.
7×7: обрабатывает 49 пикселей в окне 7×7;
9×9: обрабатывает 81 пиксель в окне 9×9;

Median iterations

Количество проходов.

Иногда можно добиться более высокого качества выполняя несколько проходов с малым окном, чем одним проходом с большим окном.

Выводы

Перед Вами результат подавления шума в RawTherapee 5.7

Исходная фотография получена с Canon EOS 77D при ISO 1600. Это вполне рабочее ISO для данных параметров при приемлемом освещении. Задействована вспышка с большого расстояния и с малой мощностью. К фотографии в RawTherapee применен DCP-профиль EOS 77D из Adobe LightRoom в процессе RAW-обработки. Никакие коррекции, за исключением подавления шумов, усиления резкости и настройки баланса белого, в данном примере не производились.

19. Результат подавления шума в RawTherapee. Использованы также медианный фильтр (умеренно) и повышение резкости (Sharpening)

Таким образом подавление шума в RawTherapee работает достаточно качественно и гибко настраивается. Дополнительно рекомендуется использовать с осторожностью медианный фильтр и в любом случае, средство повышения резкости – Sharpening. В данном примере применено снижение не только цветного шума – он удалился без последствий для детализации фотографии, но и умеренное заметное подавление яркостного шума. Яркостный шум, в принципе, в таких фотографиях можно и не удалять. В половине случаев, поскольку яркостный шум, в умеренном количестве не портит изображение.

Спасибо за внимание к статье! Удачи в борьбе с шумами!