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1、什么是图像噪声

维基百科的定义：图像噪声（image noise）是图像中一种亮度或颜色信息的随机变化(被拍摄物体本身并没有)，通常是电子噪声的表现。

它一般是由扫描仪或数字相机的传感器和电路产生的，也可能是受胶片颗粒或者理想光电探测器中不可避免的散粒噪声影响产生的。

图像噪声是图像拍摄过程中不希望存在的副产品，给图像带来了错误和额外的信息。”

ISO的定义: unwanted variations in the response of an imaging system（成像系统中不需要的信号响应的变化）.

简单归纳一下就是，被摄物体本身没有的，是在拍摄过程中带来的错误的、额外的信息。

2、噪声的几种分类

2-1、按噪声产生的原因分类

1）内部噪声

由成像系统的内部因素导致的噪声，如由光和电的基本性质所引起的噪声、

电器的机械运动产生的噪声、器材材料本身引起的噪声以及系统内部设备电路所引起的噪声等。

以3T-APS（3 Transistor-Active Pixel Sensor）举例，CMOS结构如下图；

Micro-Lens负责汇聚光线（这里根据QCFA、PD等形态差异会引入噪声，也会有因设计问题crosstalk导致像素噪声）、

ColorFilter (红色区域，这里也会因为制程工艺引入噪声，大部分通过calibration消除）、

Reset Transistor（这里会引入复位噪声或者叫kTC噪声,出现在MOS开关关断时刻，

关于kTC噪声，知乎上一篇文章讲的不错：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/182541693）

Amplifier Transustor (放大器也会引入噪声，这里主要是模拟噪声），Column Bus Transistor (这里主要是传输噪声或者读出噪声），

占比最大的噪声来源就是photodiode( 这里涉及到的是泊松分布噪声、热噪声为主，暗电流噪声为辅），这些都属于内部噪声。

像素感光导致的噪声有一个经典图像：

2）外部噪声

由成像系统的外部因素导致的噪声，如外部电器设备、天体放电现象等引起的噪声，

它们是以电磁波或者电流的方式对成像系统的内部产生影响，进而产生噪声。

以下图为例，像素在因为光电效应产生电压之后，信号转换传递过程中每一步都会有噪声引入，

频率越高，电压越低，那噪声就越敏感越显性。电源噪声、模拟放大器噪声、ADC噪声、数字放大器噪声、传输噪声等。

a. 电源噪声, 更多的表现为列噪声 ?

b. 模拟放大噪声, 模拟放大会引入噪声，但也更容易通过电路设计进行噪声消解。

c. ADC噪声，量化噪声是绕不开的坎，随着采样精度的增加，这个问题会逐渐削弱。

SNR=6.02N+1.76dB是常用的量化噪声共识，

N是ADC位数，通过这个公式也能看出位宽越大信噪比越高。

d. 数字放大噪声，数字增益使用的场景越来越多，引入噪声问题也越来越明显。

e. 传输噪声，传输过程中引入的噪声，大部分跟信号线路周围的高频电磁场有关系，可以通过包地、磁珠等方式消解

2-2、按照统计特性来分

平稳噪声，指的是统计特性不随时间变化的噪声，比如白噪声就是比较典型的平稳噪声。

非平稳噪声，指的是统计特性随时间在变化，比如多帧降噪运用在视频中，运动区域噪声就是典型的非平稳噪声。

2-3、按噪声与图像信号的关系

1） 加性噪声

加性噪声与图像信号的强度无关，如图像在传输过程中引进的信道噪声。

一张含有加性噪声的图像可以表示为：f = g + n，g为假设的理想无噪声图像，n表示加性噪声，f是最终含有噪声的图像。

2）乘性噪声

乘性噪声与图像信号的强度相关，它随着图像信号强度的变化而变化，

如飞点扫描器扫描图像时的噪声，电视扫描光栅时产生的噪声，以及胶片中的颗粒噪声就属于此类噪声。

对于含有乘性噪声的图像，可以表示为：f = g + n * g；

2-4、按噪声的概率密度分布特性

1）高斯噪声

2）瑞利噪声

3）伽马噪声

4）指数噪声

5）均匀噪声

6）脉冲（椒盐）噪声， Salt and Pepper，取盐和胡椒的颜色，salt指代暗区中的亮点，pepper指代亮区中的暗点。

CMOS sensor 中的hot pixel在图像中即表现为椒盐噪声。

2-5、按图像后处理的角度

a. 从频域上分，可以分为高频、中频、低频噪声。   

b. 从色彩空间上分，可以分为亮度噪声（luma noise）与彩色噪声（chroma noise）。

c. 从时空域分，空域噪声（Spatial noise）与时域噪声（Temporal noise）。

空域噪声，是指在空间上面形成的你不想要的信号变化，如上面的高、中、低频噪声，亮度、颜色噪声都是空域噪声。

时域噪声，是指在时间上，在前后帧之间形成的不想要的信号变化，表现出来就是跳动的噪声，在低照度下比较明显。

参考资料：

大话成像图像质量测试与国际标准课程笔记

《计算摄影学基础》、《数字图像处理》

https://mp.weixin.qq.com/s/rWB_zNIU9HVi8fwAa3F2sQ

https://zhuanlan.zhihu.com/p/102423615

https://blog.csdn.net/qq_18941425/article/details/80999846