前言

在攝影圈,，不管是「器材黨」「發(fā)燒友」，還是「老法師」,，追求極致畫(huà)質(zhì)都是他們樂(lè)此不疲的話題和孜孜不倦的目標(biāo),。

說(shuō)到畫(huà)質(zhì)，便不能不提「噪點(diǎn)」（noise），它絕對(duì)是畫(huà)質(zhì)的勁敵,，沒(méi)有之一,。噪點(diǎn)會(huì)直接破壞照片的畫(huà)質(zhì)，影響觀感,，總是在你的照片中揮之不去,，有人甚至患上了DNA，即「數(shù)字噪聲焦慮癥」（Digital Noise Anxiety）,。

既然噪點(diǎn)無(wú)法令人接受，那我們就應(yīng)該嘗試認(rèn)識(shí)它,、了解它,，直至改變它。

因此,，這些也是我們應(yīng)該思考的問(wèn)題：

照片中的噪點(diǎn)到底是什么,？

所有的噪點(diǎn)都是一樣的嗎？

噪點(diǎn)是如何形成的,？

攝影者應(yīng)該如何有效地避免噪點(diǎn)的抬升,？

有哪些常見(jiàn)的降噪技巧，可以有效提升畫(huà)質(zhì),？

這些問(wèn)題你未必關(guān)心,，但你一定會(huì)遇到。與其焦慮困惑,，不如直面問(wèn)題,，尋求解決方案。

今天,，影像君就和大家一起探討一下這些關(guān)于「噪點(diǎn)」的話題,。

一、噪點(diǎn)的由來(lái)

1.1 什么是噪點(diǎn)

在英文中,，「噪點(diǎn)」和「噪聲」使用的都是同一個(gè)詞——noise,。在攝影領(lǐng)域中，我們通常所說(shuō)的「噪點(diǎn)」一般都是指「影像噪點(diǎn)」（image noise）,，具體指在影像表面所形成的一些隨機(jī)或固定的斑點(diǎn)或彩色污點(diǎn),。圖1-1為常見(jiàn)的一種噪點(diǎn)：

以聲音作個(gè)類比。當(dāng)我們?cè)谟靡慌_(tái)調(diào)頻收音機(jī)在收聽(tīng)廣播節(jié)目時(shí),，主持人說(shuō)話的內(nèi)容是我們所需要的,、有用的信號(hào)（signal），類似攝影中的拍攝目標(biāo),。若所調(diào)頻道有所偏差或遇雷雨天氣,，收音機(jī)便會(huì)發(fā)出大量「嘶嘶嘶嘶」的不規(guī)則聲音——這便是噪聲，嚴(yán)重影響我們分辨主持人的說(shuō)話聲音。

需要說(shuō)明一點(diǎn),，當(dāng)我們?cè)谡務(wù)摗冈朦c(diǎn)」時(shí),，通常指的是數(shù)字影像系統(tǒng)中的噪點(diǎn)，一般不包括高感膠片在成像時(shí)所產(chǎn)生的膠片顆粒（film grain）,，后者主要為鹵化銀一類物質(zhì),。兩者在外形上雖有幾分相似，但本質(zhì)上是兩回事,。

想要更好地認(rèn)識(shí)噪點(diǎn),，我們有必要理解另一個(gè)與噪點(diǎn)息息相關(guān)的重要概念——信噪比。

1.2 信噪比

所謂「信噪比」,，是指信號(hào)與噪聲的強(qiáng)度比值,，英文縮寫(xiě)為SNR（Signal-to-Noise Ratio）。在電子通信系統(tǒng)中,，它是衡量信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)噪聲強(qiáng)度的一種常用方式,。廣義上而言，信號(hào)就是我們所需要的,、有價(jià)值的信息,，噪聲則是我們所摒棄的、對(duì)信號(hào)傳輸有害的雜質(zhì),。信噪比越高,，意味著系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⒃?strong>純凈，對(duì)信號(hào)的提取和解碼越有利,。

圖1-2為相機(jī)在高,、低信噪比兩種情境下的三維成像對(duì)比示意圖：

一般情況下,，越是高端的數(shù)碼相機(jī)，其信噪比越高,，成像噪點(diǎn)越少,，畫(huà)質(zhì)也越高。眾所周知,，相機(jī)是通過(guò)傳感器感應(yīng)物體的反射光或直射光而成像的,，信號(hào)就是從鏡頭進(jìn)入相機(jī)傳感器的入射光線，那么,，噪聲又從何而來(lái)呢,？

1.3 噪點(diǎn)的形成

在上一篇文章《CCD和CMOS：一起聊聊兩種相機(jī)芯片，揭開(kāi)數(shù)字?jǐn)z影世界的神秘面紗》[1]中,，影像君已跟大家講解過(guò)有關(guān)相機(jī)芯片運(yùn)行的原理,。光線的路徑大致是這樣的：

光線經(jīng)過(guò)鏡頭的多重折射后進(jìn)入相機(jī)芯片,，先穿過(guò)第一層的微透鏡，反生折射（使入射光更聚焦）后進(jìn)入第二層的拜耳濾鏡,，隨后再照射在光電二極管上,，與之發(fā)生光電效應(yīng)，由此產(chǎn)生一系列電信號(hào),。

最后,，在時(shí)鐘控制電路、移位寄存器,、放大器等各種復(fù)雜電子元件的共同協(xié)作下,，電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸至影像處理器，后者對(duì)其進(jìn)行信號(hào)提取,、編譯,、壓縮等方面的處理。

入射光是相機(jī)系統(tǒng)的輸入信號(hào),，它由光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后再轉(zhuǎn)化為輸入影像處理器的數(shù)字信號(hào),。由此可見(jiàn),，信號(hào)在進(jìn)入影像處理器之前主要經(jīng)過(guò)了影像傳感器和一系列集成電路，它們是影響信號(hào)的主要因素,，也是噪點(diǎn)的主要來(lái)源,。

1.3.1 傳感器尺寸

根據(jù)不同的市場(chǎng)定位和商業(yè)應(yīng)用需求，數(shù)字影像系統(tǒng)的傳感器可以分為全畫(huà)幅（36mm x 24mm）,、APS-H,、APS-C、4/3等不同尺寸,，如圖1-3所示：

傳感器面積直接決定了系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)收集光線（光子）的數(shù)量,，面積越大,，收集的光子就越多，光信號(hào)越強(qiáng),，信噪比越高,，抑噪能力也越強(qiáng)。攝影圈調(diào)侃的所謂「底大一級(jí)壓死人」,，說(shuō)的大抵就是這么回事兒,。

攝影師Roger Clark分別使用兩款不同型號(hào)的相機(jī)、使用相同參數(shù),、在同一地方拍攝了兩張夜景照片[2],，如圖1-4所示：

分別截取局部并放大影像,，如圖1-5所示：

我們可以明顯看到兩種不同數(shù)量級(jí)的噪點(diǎn)水平：左側(cè)這張，噪點(diǎn)已嚴(yán)重到影響畫(huà)質(zhì)的程度,，在這種弱光環(huán)境下,，ISO400基本不可用；而右側(cè)這張則依然保持著優(yōu)秀的畫(huà)質(zhì),，噪點(diǎn)低到人眼幾乎無(wú)法識(shí)別的水平,，ISO400對(duì)于該相機(jī)而言毫無(wú)壓力。

兩張照片都使用了相同拍攝參數(shù)（忽略白平衡）：ISO400,，4秒,，f/7.1。不同的是,，左側(cè)照片使用的相機(jī)為Canon Powershot S70,，右側(cè)為Canon 1D Mark II，兩者均為2004年發(fā)布,。前者的傳感器尺寸為1/1.8' (~ 7.11 x 5.33 mm),，后者為28.7 × 19.1 mm，面積為前者的14倍有余,。

當(dāng)然,，這是一個(gè)非常極端的對(duì)比例子，畢竟選取的樣本是一臺(tái)消費(fèi)級(jí)低端卡片機(jī)和一臺(tái)高端單反相機(jī),，而且前者使用的傳感器為CCD,，后者為CMOS。盡管這樣的比較并不嚴(yán)謹(jǐn),，但尚有一定的參考價(jià)值,。

講到這里，有許多人會(huì)想到另一個(gè)高頻問(wèn)題：為什么高ISO會(huì)帶來(lái)高噪點(diǎn),？

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題,，影像君曾經(jīng)在文章《感光度越高曝光量就越大嗎？為什么高ISO會(huì)帶來(lái)噪點(diǎn),？干貨答案在此》[3]中已經(jīng)給出過(guò)答案：

提高相機(jī)的感光度本質(zhì)上就是放大影像傳感器的輸出信號(hào)……在放大有用信號(hào)的同時(shí),，也無(wú)可避免地放大了有害的噪聲（noise），后者會(huì)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理構(gòu)成干擾,。

亦即,，高ISO適用于弱光環(huán)境,，ISO值越高，信號(hào)放大倍率越高,，由于噪聲對(duì)信號(hào)的干擾和影響并非線性增加的,，因此，照片上的噪點(diǎn)會(huì)在某個(gè)ISO值之后出現(xiàn)惡化,。

1.3.2 填充因子

即使芯片尺寸相同,，系統(tǒng)的抑噪能力也未必一致，因?yàn)檫€存在另外一個(gè)變量——填充因子（fill factor）,。

所謂「填充因子」,，是指相機(jī)芯片中的感光區(qū)域在整個(gè)芯片中所占的比例。在上一篇關(guān)于芯片的文章中,，我們已經(jīng)知道CCD存在三種架構(gòu)（如圖1-6所示）,，其中，全幀架構(gòu)比行間轉(zhuǎn)移架構(gòu)的CCD有更高的填充因子,，即,，在同等芯片尺寸的情況下，前者比后者有更大的感光區(qū)域,。因此,，在噪點(diǎn)抑制方面，前者比后者的表現(xiàn)更優(yōu)秀,，畫(huà)質(zhì)更優(yōu)良,。

而對(duì)于CMOS，也并非100%的區(qū)域均可感光,，除了一部分為有源像素區(qū)域（主要為光電二極管）,，還有一部分為內(nèi)建于芯片的電路單元（如圖1-7所示），與行間轉(zhuǎn)移架構(gòu)的CCD有些類似,，此類設(shè)計(jì)直接影響了相機(jī)芯片的填充因子,。但影響CMOS抑噪能力的更主要因素是，它擁有更多的信號(hào)放大器（每個(gè)像素均有一個(gè)獨(dú)立放大器）,。

1.3.3 電路熱噪聲

除了傳感器本身,，溫度也會(huì)直接影響噪點(diǎn)的形成,。當(dāng)曝光時(shí)間較長(zhǎng)或所處環(huán)境溫度較高時(shí)，相機(jī)內(nèi)部的溫度便會(huì)升高,，溫度上升導(dǎo)致電路產(chǎn)生暗電流（dark current）,。所謂「暗電流」,，是指在無(wú)光線照射傳感器的情況下，仍會(huì)通過(guò)感光元件的少量電流,。它是影像傳感器中的另一個(gè)主要噪點(diǎn)來(lái)源,。

有研究顯示[4]，CCD芯片的溫度每升高8°C,，其暗電流就會(huì)成倍增加,。這也就是為什么天文用的攝影機(jī)需配有熱電冷卻器，目的就供CCD散熱和降溫,，以減少噪點(diǎn),。

二、噪點(diǎn)的分類

噪點(diǎn)的復(fù)雜之處,，不僅在于它的形成存在諸多變量,，而且還在于它的分類。

為了更好地認(rèn)識(shí)與分析影像噪點(diǎn)的成因,，人們從特征和樣式兩個(gè)維度對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行分類,。

2.1 按特征分類

若從特征（characteristic）的角度，噪點(diǎn)可分為「亮度噪點(diǎn)」和「色彩噪點(diǎn)」兩個(gè)類別,。事實(shí)上,，在攝影實(shí)踐（彩色攝影為主）中，它們并非獨(dú)立存在,，而是同時(shí)出現(xiàn),，只是各自程度有所不同。將它們分離出來(lái)講解,，是為了更好地分析對(duì)比,。

2.1.1 亮度噪點(diǎn)

「亮度噪點(diǎn)」（Luminance Noise）,，顧名思義，是與光線亮度有直接關(guān)系的一類噪點(diǎn),，其形態(tài)如圖2-2所示：

當(dāng)我們談?wù)摿炼仍朦c(diǎn)時(shí),，默認(rèn)是指黑白攝影,，不考慮色彩因素。

如圖2-3,，在同一光源的環(huán)境下,，不同灰度的紙板反射的光線強(qiáng)度也不同，導(dǎo)致照片的噪點(diǎn)水平也存在差異：

由上圖可見(jiàn),，被攝影體表面的光線越亮，進(jìn)入相機(jī)的光信號(hào)便越強(qiáng),，信噪比越高,，因此，噪點(diǎn)也會(huì)越少,，反之亦然,。

亮度噪點(diǎn)與膠片顆粒很相似，但兩者不等同,，前文已有提及,，在此不再贅述。此類噪點(diǎn)會(huì)視乎傳感器尺寸,、單個(gè)像素單元的大小,、ISO值、曝光時(shí)間等參數(shù)的不同而產(chǎn)生差異,。弱光,、高ISO（噪聲被放大）、長(zhǎng)曝光（引起熱噪聲）等因素都會(huì)直接導(dǎo)致亮度噪點(diǎn)的惡化,。

2.1.2 色彩噪點(diǎn)

「色彩噪點(diǎn)」（Chromatic Noise）,，是與色彩有關(guān)的一類噪點(diǎn)。它源于像素之間的色彩波動(dòng),，通常表現(xiàn)為彩色斑點(diǎn),，多分布于光線較弱的影像區(qū)域。如圖2-4所示：

在上一篇關(guān)于CCD和CMOS的科普文章中，影像君向大家介紹了一種被稱為「背照式傳感器」的CMOS,，如圖2-5所示：

當(dāng)光線穿過(guò)傳感器中的彩色濾鏡后,，有部分光線因集成電路中金屬導(dǎo)線的反射而越界闖入了鄰近的像素（獨(dú)立感光單元），從而造成了光污染,，增加了系統(tǒng)的噪聲,。

突兀的色彩噪點(diǎn)容易令人生厭與不安，對(duì)畫(huà)質(zhì)的破壞力比亮度噪點(diǎn)更強(qiáng),、更顯著,。

2.2 按樣式分類

若按噪點(diǎn)的「樣式」（type）劃分，噪點(diǎn)還可以分為三類：

2.2.1 固定噪點(diǎn)

固定噪點(diǎn)（Fixed-pattern noise）,，又稱為「熱噪點(diǎn)」（hot pixels）,，一般形成于相機(jī)長(zhǎng)曝光或環(huán)境溫度較高的場(chǎng)景中,。在拍攝參數(shù)（曝光時(shí)長(zhǎng)、ISO,、溫度等）相同的前提下,，此類噪點(diǎn)的形態(tài)基本保持不變。

圖2-6為長(zhǎng)曝光,、低ISO條件下形成的固定型噪點(diǎn)：

可見(jiàn),，此類噪點(diǎn)多為一些雜亂的彩色斑點(diǎn),，色彩噪點(diǎn)尤為突出。

2.2.2 隨機(jī)噪點(diǎn)

隨機(jī)噪點(diǎn)（Random noise）是一種無(wú)論曝光時(shí)間長(zhǎng)短都會(huì)存在的噪點(diǎn),，它主要受相機(jī)ISO值的影響,。相比固定噪點(diǎn)，隨機(jī)噪點(diǎn)的質(zhì)感紋理相對(duì)細(xì)膩,，而且形式隨機(jī)變化,，即使以相同參數(shù)拍攝，噪點(diǎn)的表現(xiàn)形式也會(huì)有所不同,。

圖2-7為短曝光,、高ISO條件下形成的隨機(jī)型噪點(diǎn)：

2.2.3 帶狀噪點(diǎn)

帶狀噪點(diǎn)（Banding noise）是一種與相機(jī)強(qiáng)相關(guān)的噪點(diǎn)（如圖2-8所示）,，不同相機(jī)型號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同的程度。它主要產(chǎn)生于芯片移位寄存器讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程,。過(guò)亮的陰影區(qū)域和白平衡設(shè)置都可能導(dǎo)致帶狀噪點(diǎn)的產(chǎn)生,。

2.3 噪點(diǎn)觀感影響因素

若從「噪點(diǎn)給人的主觀感受」這一角度出發(fā),，噪點(diǎn)的影響因素主要來(lái)源于兩個(gè)方面：一是空間頻率，二是量級(jí),。

2.3.1 空間頻率

空間頻率（spatial frequency）描述的是噪點(diǎn)分布的疏密程度,。噪點(diǎn)分布越密，其空間頻率越高,，質(zhì)感越細(xì)膩,。反之亦然。圖2-9為低頻噪點(diǎn)和高頻噪點(diǎn)的對(duì)比示意圖：

2.3.2 量級(jí)

量級(jí)（magnitude）描述的則是噪點(diǎn)的數(shù)量和有序程度。研究人員為此引入了統(tǒng)計(jì)學(xué)中的「標(biāo)準(zhǔn)差」,，標(biāo)準(zhǔn)差越大,，量級(jí)越大,，噪點(diǎn)樣本的多樣性越豐富，噪點(diǎn)顯得越無(wú)序,。兩種不同噪點(diǎn)量級(jí)的對(duì)比圖如下：

三,、如何降噪

噪點(diǎn)是影像畫(huà)質(zhì)的最大勁敵,，這已是毋庸置疑的事實(shí)了。既然如此,，那么「如何降噪」便成了很多攝影愛(ài)好者首要關(guān)心的問(wèn)題,。

根據(jù)慣例，影像君從前期和后期兩個(gè)方面簡(jiǎn)要介紹實(shí)用的降噪技巧,。

3.1 前期降噪

據(jù)上文介紹,，我們已知曉了噪點(diǎn)的形成原因，因此,，為了盡可能地減少噪點(diǎn),、提升畫(huà)質(zhì)，我們?cè)谇捌谂臄z時(shí)可有針對(duì)性地操作：

（1）若光線充足,，盡可能使用低ISO值,；

（2）在弱光環(huán)境中拍攝時(shí)，若條件允許,，優(yōu)先使用「低ISO+長(zhǎng)曝光+三腳架」的組合,；

（3）在弱光環(huán)境下拍攝人像時(shí)，盡量利用環(huán)境光或外部光源（手機(jī),、手電筒）給人物臉部補(bǔ)光,，不要一昧寄希望于后期提亮，因?yàn)?strong>后者會(huì)引入更多的色彩噪點(diǎn),；

（4）若不得不使用高ISO以確保安全快門(mén),，建議使用最佳畫(huà)質(zhì)的存儲(chǔ)格式，如RAW,，以便留有更多的后期處理空間,。

3.2 后期降噪

前期的方法本質(zhì)上是最大限度地降低噪點(diǎn)成因的權(quán)重，但照片拍完之后,，噪點(diǎn)依然會(huì)不可避免地存在,，此時(shí)便要交給后期處理了,。

按操作平臺(tái)劃分,，后期降噪可以分為手機(jī)端和電腦端：

3.2.1 手機(jī)端：Snapseed

手機(jī)端的修圖軟件數(shù)不勝數(shù)，本文僅以Snapseed為例,。這款A(yù)pp在攝影界可謂無(wú)人不知,，其盛名無(wú)需多言,。Snapseed雖無(wú)集成降噪功能，但有另一個(gè)替代方案——結(jié)構(gòu),。

操作非常簡(jiǎn)單：

進(jìn)入工具-細(xì)節(jié)-結(jié)構(gòu),，將結(jié)構(gòu)值降低即可，具體值視乎個(gè)人需要,。

前后對(duì)比如圖3-1所示：

減結(jié)構(gòu)降噪,，本質(zhì)上是通過(guò)降低噪點(diǎn)色塊間的對(duì)比度,，從而在視覺(jué)上給人以細(xì)膩的觀感。

當(dāng)然,，如果你不習(xí)慣Snapseed的操作,，也可以用其它app代替，如潑辣修圖（polarr）等,。再或者,，直接利用手機(jī)系統(tǒng)自帶的降噪功能（如iOS13已內(nèi)置了降噪功能）。

3.2.2 電腦端：Lightroom & PS

（1）Lightroom

步驟：

打開(kāi)lightroom-導(dǎo)入素材-點(diǎn)擊右上方「修改照片」-右側(cè)「細(xì)節(jié)」菜單-噪點(diǎn)消除-明亮度,。

操作路徑如圖3-2所示：

圖3-3為降噪前后對(duì)比圖：

操作時(shí)需注意：應(yīng)根據(jù)具體情況搭配調(diào)節(jié)「細(xì)節(jié)」和「對(duì)比度」，否則一昧地調(diào)高明亮度會(huì)使圖片「塑膠化」,，使得色塊間的過(guò)渡顯得非常不自然,。

（2）Photoshop

說(shuō)到PS，影像君不得不向大家推薦一款殺手锏級(jí)別的免費(fèi),、專業(yè)調(diào)色插件——Nik Collection,，雖然它主打調(diào)色，但其降噪功能同樣相當(dāng)優(yōu)秀,。

插件安裝好后,，在PS中的「濾鏡-Nik Collection-Dfine2」打開(kāi)降噪功能：

進(jìn)入Dfine2界面后,，根據(jù)噪點(diǎn)數(shù)量和特點(diǎn)，分別調(diào)節(jié)「對(duì)比度噪點(diǎn)」和「彩色噪點(diǎn)」,，如圖3-5：

此外，該插件還提供了偽影消除,、去除帶狀噪點(diǎn),、RGB通道預(yù)覽模式等各種功能，專業(yè)程度令人嘆服,，最終的降噪效果也確實(shí)沒(méi)有令人失望（如圖3-6所示）,。

以上便是影像君為大家介紹的幾個(gè)實(shí)用降噪技巧,，希望對(duì)大家有幫助。

結(jié)語(yǔ)

縱觀全文,，通過(guò)詳細(xì)剖析噪點(diǎn)的各種成因和分類,，我們?nèi)轿坏刂匦抡J(rèn)識(shí)了噪點(diǎn)。雖然噪點(diǎn)無(wú)處不在且不能完全消除,，但幸運(yùn)的是它是可控的,，前期可以盡量避免，后期可以利用軟件進(jìn)行部分降噪,，從而提升畫(huà)質(zhì),。

回到篇首，其實(shí)我們不必為「數(shù)字噪聲」而焦慮,，直面它的存在并與之坦然相處,，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它并沒(méi)有那么可怕；我們也沒(méi)必要追求「極致畫(huà)質(zhì)」,，因?yàn)椤笜O致」并不存在,，「畫(huà)質(zhì)」亦非攝影所追求的核心。如果你的作品內(nèi)容足夠好,，誰(shuí)又會(huì)在乎你照片中的噪點(diǎn)呢,？

最后，影像君請(qǐng)大家?guī)鸵粋€(gè)忙,，我正在參加2019今日頭條生機(jī)大會(huì),，喜歡【影像派】文章的朋友請(qǐng)?jiān)?strong>文章下方的活動(dòng)鏈接處為我投票，非常感謝,！

參考文獻(xiàn)

[1]影像派,，《CCD和CMOS：一起聊聊兩種相機(jī)芯片，揭開(kāi)數(shù)字?jǐn)z影世界的神秘面紗》,，頭條號(hào),；

[2]Roger N. Clark，Digital Cameras: Does Pixel Size Matter?Part 2: Example Images using Different Pixel Sizes,，clarkvision.com

[3]影像派,，《感光度越高曝光量就越大嗎,？為什么高ISO會(huì)帶來(lái)噪點(diǎn)？干貨答案在此》,，頭條號(hào),；

[4]Steve B. Howell, Handbook of CCD Astronomy, 2nd ed. ,Cambridge University Press, 2006;