画像平均化によるノイズ低減

画像のノイズは、デジタルまたはフィルム写真の詳細レベルを損なう可能性があるため、このノイズを減らすと、最終的な画像または印刷物が大幅に向上します。問題は、ノイズを低減または除去するためのほとんどの手法が、常に画像を柔らかくしてしまうことです。主に滑らかな水や空で構成された画像では多少のソフト化は許容されるかもしれませんが、ノイズを減らすための控えめな試みでも、風景の中の葉は影響を受ける可能性があります.

このセクションでは、いくつかの一般的なノイズ リダクション方法を比較し、別の手法を紹介します。複数回の露出を平均化してノイズを低減します。画像の平均化は、ハイエンドの天体写真では一般的ですが、他のタイプの低照度や夜間の写真では十分に活用されていません。平均化には、画像の信号対ノイズ比 (SNR) が実際に増加するため、詳細を損なうことなくノイズを低減する力があります。追加のボーナスは、平均化によって画像のビット深度が増加する可能性があることです。これは、単一の画像で可能な範囲を超えています。平均化は、ISO 100 の滑らかさを模倣したいが、カメラが ISO 200 までしか下がらない場合 (ほとんどのニコン デジタル一眼レフカメラなど) にも特に役立ちます。

コンセプト

画像の平均化は、画像のノイズが本当にランダムであるという前提で機能します。このようにして、実際の画像データの上下のランダムな変動は、より多くの画像を平均化するにつれて徐々に均一になります。同じカメラ設定を使用し、同じ条件 (温度、照明など) で滑らかな灰色のパッチを 2 枚撮影すると、左側に示すような画像が得られます。

上のプロットは、それぞれ上部と下部の画像のピクセルの薄い青と赤のストリップに沿った明るさの変動を表しています。水平の破線は平均を表し、ノイズがゼロの場合にこのプロットがどのように見えるかを表します。赤と青の線のそれぞれが、破線の上下にどのように一意に変動するかに注目してください。この線に沿って各位置のピクセル値を取得し、他の画像の同じ位置にあるピクセルの値と平均すると、明るさの変動は次のように減少します:

2 つの平均値は依然として平均値の上下に変動していますが、最大偏差は大幅に減少しています。視覚的には、これは左側のパッチをより滑らかに見せる効果があります。平均化された 2 つの画像は通常、感度が半分の ISO 設定に相当するノイズを生成するため、ISO 400 で撮影された 2 つの平均化された画像は、ISO 200 で撮影された 1 つの画像に匹敵します。一般に、ノイズ変動の大きさは、平均化された画像の数の平方根で減少するため、大きさを半分にするには、4 つの画像を平均化する必要があります。

ノイズとディテールの比較

次の例は、実際の例での画像平均化の有効性を示しています。次の写真は、Canon EOS 300D Digital Rebel で ISO 1600 で撮影されたもので、ノイズが多すぎます。

地域の 100% クロップ左
オリジナル	2 画像	4 画像

平均化によってノイズが減少し、各領域の詳細が明らかになることに注目してください。 Neat Image などのノイズ リダクション プログラムは、ノイズに対して利用できる最良の手段であるため、以下の比較ではこれをベンチマークとして使用します:

オリジナル	2 画像	4 画像	きちんとしたイメージ	メディアン フィルター

Neat Image Pro Plus 4.5 によるノイズ リダクションでは、デフォルト設定と「自動微調整」を使用します

Neat Image は滑らかな空のノイズを低減するのに最適ですが、木の枝やレンガ造りの垂直モルタル/グラウト ラインの細かいディテールが犠牲になります。シャープ化を使用して残りの詳細を強調し、シャープネスの全体的な外観を大幅に改善できますが、シャープ化によって失われた情報を回復することはできません。メディアン フィルターは原始的な手法であり、ほとんどのバージョンの Photoshop に含まれています。隣接するすべてのピクセルの中央値を取得して、各ピクセル値を計算します。これは、非常に細かいノイズを除去するのに効果的ですが、より大きな変動を残し、ピクセル レベルのディテールを除去します。全体として、Neat Image は、画像の平均化を使用できない状況 (手持ちのショット) に最適なオプションです。理想的には、2 つの組み合わせを使用することができます:SNR を可能な限り増加させるための画像平均化と、残りのノイズを削減するための Neat Image:

オリジナル	平均化: 4枚の画像	きちんとしたイメージ	きちんとしたイメージ + 平均化

Neat Image Pro Plus 4.5 によるノイズ リダクションでは、デフォルト設定と「自動微調整」を使用します

きれいな画像と平均化により、レンガの垂直方向の詳細を保持し、滑らかでノイズの少ない外観を維持できるようになったことに注意してください。平均化手法の欠点には、ストレージ要件の増加 (1 枚の写真に複数の画像ファイルが必要) と、露光時間が長くなる可能性があります。画像平均化は、バンディング ノイズまたは固定パターン ノイズが発生している画像には機能しません。上部と下部の両方の画像の左下にある明るい白い「ホット ピクセル」が、平均化しても減少しないことに注意してください。平均化は、他のショットとは異なり、露光中だけでなく、露光間でもカメラの動きがゼロである必要があります。技術には細心の注意を払う必要があり、平均化は非常に頑丈なカメラ三脚で撮影した写真にのみ使用できます。

レイヤーを使用した Photoshop での画像の平均化

レイヤーを使用すると、Adobe Photoshop で画像の平均化を比較的迅速に実行できます。アイデアは、各画像を別々のレイヤーに積み重ね、各レイヤーが均等に寄与するようにブレンドすることです。何らかの理由で、あるレイヤーが別のレイヤーよりも多くの重み付けを受ける場合、画像のブレンドはそれほど効果的ではありません.

最初に平均化するすべての画像を Photoshop にロードし、次に各画像をコピーして重ね合わせ、同じプロジェクト ウィンドウ内にすべての画像を配置する必要があります。これが完了すると、平均化を開始できます。 Photoshop で平均化するための鍵は、各レイヤーの不透明度によって、その背後にあるレイヤーがどれだけ「通過」するかが決まり、その下の各画像にも同じことが当てはまることを覚えておくことです。これは、たとえば 4 つの画像を適切に平均化するには、各レイヤーの不透明度を 25% に設定すべきではないことを意味します。代わりに、一番下 (または背景) のレイヤーの不透明度を 100% に設定し、その上のレイヤーを 50% に設定し、次に次のレイヤーを 33% に設定し、最後に一番上のレイヤーを 25% に設定する必要があります。これを以下に示します:

任意の数の画像を平均化する場合、
各レイヤーの不透明度は次のように計算されます:

注:わかりやすくするために、赤のすべてのマークが追加されています。
Photoshop では実際には表示されません。

推奨事項

ISO感度を下げて長時間露光するのではなく、いつ画像の平均化を実行する必要がありますか?次の状況のリストは、すべて役立つ可能性があります:

• 長時間露光による過剰な固定パターン ノイズを避けるため
• 「バルブ モード」がないカメラの場合、露出は 15 ～ 30 秒に制限される場合があります。このような場合は、次のことを考慮してください:ISO 800 で 30 秒で 2 枚の写真を撮ると、ISO 400 で 60 秒の 1 回の露出とほぼ同等 (明るさとノイズ レベルの両方) が得られます。他の多くの組み合わせが可能です...
• 所定の時間を超えて中断のない露出を保証できない状況。例として、公共の場所で写真を撮っていて、ノイズを抑えたいと考えているかもしれませんが、歩行者がショットを頻繁に通過するため、十分な露出を得ることができません。その後、通行人の間にいくつかの短いショットを撮ることができます.
• 高精細で動きの遅い領域では低ノイズを維持しながら、低精細で動きの速い領域のモーションを選択的にフリーズします。この例は、前景に葉がある星空の夜です。
• 後で後処理によって影のディテールを引き出したい場合に、(低 ISO ショットでも) 影のノイズを減らすため。