La riduzione del rumore nelle immagini digitali

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Il rumore nelle immagini può compromettere il livello di dettaglio delle nostre foto digitali o su pellicola e quindi ridurre questo rumore può notevolmente migliorare la nostra fotografia, che sia visualizzata su monitor o stampata. Il problema principale è che la maggior parte delle tecniche per ridurre o eliminare il rumore finisce sempre per ammorbidire l’ immagine. Alcuni addolcimenti possono essere accettabili per immagini costituite principalmente da acqua liscia o cieli, ma quando abbiamo a che fare con fogliame o con immagini dove non è presente un colore uniforme e dominante, anche la riduzione del rumore più conservativa può creare dei problemi.

In questo articolo vedremo un paio di soluzioni percorribili per la riduzione del rumore, in particolare la tecnica della media delle esposizioni multiple. La media delle esposizioni multiple è una tecnica molto comune nell’astrofotografia ma è consigliabile anche per fotografie realizzate in condizioni di scarsa luminosità o notturne. Questo metodo ha il potere di ridurre il rumore senza compromettere dettaglio in quanto aumenta il rapporto segnale-rumore (SNR) della nostra immagine. Un ulteriore vantaggio è che la media delle esposizioni può anche aumentare la profondità di bit dell’immagine, al di là di quanto sarebbe possibile con una sola immagine. La media delle esposizioni multiple può essere particolarmente utile per coloro che desiderano imitare la morbidezza che si ottiene con un valore di  ISO 100 quando la propria reflex (vedi le macchine Nikon) ha un valore minimo pari a ISO 200.

Riduzione del rumore: il concetto base

La media delle esposizioni multiple lavora sul presupposto che il rumore nell’immagine sia veramente casuale. In questo modo le fluttuazioni del valore del pixel al di sopra e al di sotto del valore reale in ogni differente immagine saranno differenti. Per fare un esempio, su 10 fotografie ne avremo, ipoteticamente, 5 sopra il valore reale e 5 sotto oppure 4 sopra e 6 sotto. Facciamo un esempio pratico e supponiamo di scattare due fotografie ad un cartoncino grigio 18% nelle stesse condizioni di temperatura, illuminazione, esposizione e via discorrendo. Due foto, praticamente, prese in sequenza. Quello che otterremmo è quanto mostrato nella parte alta della fotografia di seguito: due immagini molto simili con del rumore visibile. Ipotizzando che il valore corretto è quello tratteggiato in bianco ed ipotizzando di leggere i valori dei pixel di una riga, ci ritroveremmo, pixel per pixel (immagine di sopra in blu e e quella di sotto in rosso) con dei valori differenti, spesso opposti. Ovviamente quando le linee sono sopra o sotto la linea tratteggiata, abbiamo del rumore.

tecniche di riduzione del rumore

 

Ora, se prendiamo i valori rossi ed i valori blu (punto per punto) e banalmente ne facciamo la media, otterremmo un risultato che, nella seconda parte dell’immagine qui sopra, è rappresentato dalla linea azzurra.

Anche se la media dei due valori originali oscilla ancora sopra e sotto la media, la deviazione massima è notevolmente ridotta rispetto ai casi “rossi” e “blu”. Questo visivamente si trasforma in una riduzione del rumore, come mostrato nella foto a sinistra (sotto l’etichetta “media”). questo ha l’effetto di rendere il cerotto sulla sinistra appare più liscia . Orientativamente possiamo dire che due immagini prese ad un particolare ISO sono in grado, mediate, di restituirci l’immagine equivalente presa al valore ISO precedente. Ovvero la media di due immagini catturate ad ISO 400 sarà paragonabile, in termini di rumore, ad un’immagine catturata ad ISO 200.

In generale l’ampiezza di fluttuazione del rumore si riduce come la radice quadrata del numero di immagini usate per la media. Quindi è necessario una media di 4 immagini al fine di ridurre l’ampiezza della metà.

La riduzione del rumore: esempio pratico

Le prossime immagini mostrano il dettaglio di una fotografia scattata a ISO 1600 con una Canon EOS 300D.

Come si vede l’originale è molto rumorosa. La situazione migliora quando si fa la media con 2 immagini e migliora ulteriormente quando se ne usano quattro. Il risultato migliore si ottiene nel riquadro Neat Image, dove la riduzione del rumore non è stata affidata alla media delle immagini ma ad un programma esterno, appunto il Neat Image, uno dei migliori programmi in assoluto per la riduzione in fase di post produzione del rumore.

tecniche di riduzione del rumore

Ovviamente non aspettatevi che Neat Image sia perfetto: è si il migliore per ridurre il rumore nel cielo terso (quindi in caso di colori uniformi), ma sacrifica qualche dettaglio nel resto dell’immagine, come si vede dal ramo o dalla fila di mattoni. Per migliorare la qualità si potrebbe pensare di incrementare la nitidezza, ma questo non ci aiuterebbe nel recupero delle informazioni perse.

Il filtro mediano, presente nell’ultimo riquadro, è una tecnica “primitiva” disponibile in Photoshop: questo calcola il valore di ogni pixel prendendo il valore medio di tutti i pixel adiacenti. Questo è efficace nella rimozione di rumore molto fine ma elimina troppi dettagli a livello di pixel. Nel complesso, il Neat Image è la scelta migliore per situazioni in cui non è possibile utilizzare l’immagine media (come nel caso di scatti effettuati tenendo in mano la macchina fotografica e non su di un cavalletto). Idealmente, si potrebbe utilizzare una combinazione dei due: la media delle esposizioni per aumentare il SNR per quanto possibile ed il  Neat Image per ridurre il rumore residuo. Il risultato sarebbe più o meno quello di sotto:

tecniche di riduzione del rumore

L’immagine a destra è un ottimo risultato: contiene le informazioni presenti nella foto originale ed ha un rumore decisamente più ridotto. Gli svantaggi di questa tecnica sono gli aumentati requisiti di spazio (più immagini per ottenere una sola foto ed, eventualmente, tempi di esposizione nel complesso più lunghi (vanno fatte 4 foto, come minimo il tempo di esposizione è 4 volte maggiore di quello che servirebbe per una sola foto). La media delle esposizioni multiple non funziona se le immagini soffrono di rumore di banding o rumore a schema fisso (vedi la fine di questo articolo per le definizioni). Questa cosa la si nota nelle foto di sopra: notate come sia nell’originale che nella foto mediata è presente un puntino bianco (pixel caldo) in basso a sinistra sia nell’albero che nei mattoni. Questo puntino è presente in tutte e 4 le immagini che abbiamo scattato essendo, per l’appunto, un pixel caldo legato al sensore.

Riduzione del rumore tramite la media delle esposizioni multiple in Photoshop

La realizzazione dalla media delle esposizioni tramite Photoshop è molto rapida e semplice utilizzando i livelli. L’idea è di impilare ogni immagine in un livello separato e quindi fonderli insieme.

Prima di tutto caricate tutte le immagini che volete mediare in Photoshop e quindi copiate e incollate ogni immagine una sopra l’altra in modo che siano tutti all’interno della stessa finestra di progetto ma in differenti livelli. Una volta fatto questo, il calcolo della media può iniziare . La chiave per una media corretta in Photoshop è quella di settare la giusta opacità ai differenti livelli, che non deve essere la stessa: non vanno insomma settati al 25% i 4 livelli. Al contrario, per ottenere una media corretta delle esposizioni multiple dovrete impostare la prima foto (il layer più basso) con opacità 100%. La seconda con opacità al 50%. La terza con opacità al 33% e la quarta con opacità al 25%. Questi valori sono figli della seguente formula che potete usare nel caso vogliate mediare più di 4 immagini:

tecniche di riduzione del rumore

Qualche consiglio finale per la riduzione del rumore

Non fissatevi con ISO bassi e esposizioni lunghe. Questo potrebbe essere controproducente per il problema del rumore a schema fisso o per problemi legati alla scena (gente che si muove al suo interno, colpi di vento che possono muovere le foglie e via discorrendo). Il consiglio è di prendere fotografie a ISO maggiore e ridurre di conseguenza il tempo di scatto. Ad esempio, invece si scattare una foto a ISO 400 per 60 secondi si può scattare due foto a ISO800 per 30 secondi (mediando queste ultime due si otterrebbe proprio la prima, più o meno). Ancora meglio si potrebbero scattare 4 fotografie a ISO1600 ma riducendo il tempo di scatto a 8 secondi, decisamente più sicuro se stiamo realizzando la foto di una zona dove potrebbero passare delle persone (è meno probabile che una persona passi nella scena in 8 secondi che in 60). Vi consiglio infine di dare un occhio all’articolo come ridurre il rumore.

Rumore a schema fisso: il rumore schema fisso comprende i cosiddetti “hot pixel”, ovvero quei pixel la cui intensità supera di gran lunga quello delle fluttuazioni del rumore casuale ambientale. Il rumore a schema fisso appare generalmente in esposizioni molto lunghe ed è aggravata da temperature più elevate. Il rumore a schema fisso è “unico” in quanto si mostrerà con la medesima distribuzione di hot pixel in tutte le immagini catturare nelle stesse condizioni (temperatura, durata di esposizione, sensibilità ISO).

Rumore di banding: il rumore di banding è altamente dipendente dalla fotocamera ed è il rumore che viene introdotto dalla fotocamera quando legge i dati dal sensore digitale. Il rumore di banding è più visibile a velocità ISO elevate e nelle ombre o quando l’immagine è stata sovra-illuminata. Il rumore di banding può anche aumentare per alcuni tipi di bilanciamento del bianco, a seconda del modello di fotocamera.

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Fondatore di Fotografare in Digitale, ho sempre amato il mondo della fotografia e la possibilità di catturare un momento, un attimo, una sensazione tramite un semplice scatto.
Nato come fotografo per caso quando misi le mani sulla mia prima Nikon D1, ho ampliato le mie conoscenze ed esperienze fotografiche, decidendo quindi di condividerle con chiunque fosse interessato alla fotografia. Sono un fotografo amatoriale di buon livello e continuo imperterrito a girare per le città con la fedele Nikon (ora una D800) appesa al collo.