En nuestra anterior entrega comenzamos a analizar cuál podría ser la influencia de nuestro complejo sistema visual en la percepción del ruido. Los desarrollos técnicos como la propia aparición del cine o la de las lámparas de descarga ya provocaron en su día la elaboración de experimentos sobre los efectos temporales de la visión humana.

Primeros experimentos sobre la percepción del ruido

La sensibilidad al contraste de señales de tiempo variable y la utilización del análisis de Fourier para explicar sus efectos han sido objeto de estudio desde hace seis décadas. Primero por parte de H. De Lange Dzn en dos artículos: “Experimentos sobre el parpadeo y algunos cálculos para un analogía eléctrica al sistema fovealyRespuesta del ojo humano a la modulación de un campo de prueba de onda cuadrada en la fusión del parpadeo.

A continuación, D. H. Kelly hizo lo propio con otros dos artículos: “Respuestas visuales al estímulo dependiente del tiempoyTeoría del parpadeo y respuestas transitorias”. Años después J. A. J. Roufs continuaría con sus artículos sobre las propiedades dinámicas de la visión humana. Kelly presentó una visión de conjunto de los experimentos iniciales en 1977.

Por su parte, J. G. Robson presentó las primeras mediciones de sensibilidad espacio-temporal combinada en 1966. Estableció los umbrales para cuatro frecuencias espaciales y cuatro temporales. La frecuencia más baja era de 1 Hz, que se considera equivalente a resultados estáticos –los resultados de F. L. Van Nes, J. J. Koenderink, H. Nas, y M. A. Bouman indican modulación del umbral un poco más arriba a 0 Hz–.

Robson señala que aunque la función de la sensibilidad al contraste (CSF) muestra características de una señal pasabanda cuando se mide para patrones estáticos, se convierte en una señal de paso bajo cuando se mide con patrones espaciales temporalmente cambiantes. Por lo tanto, la sensibilidad al contraste espacio-temporal no se puede dividir. Muestra una forma claramente más compleja que la que se podría obtener por el producto de funciones de sensibilidad al contraste espaciales y temporales.

Kelly ya había mencionado en 1966 efectos que no se podían explicar con un modelo separado. También había medido la función de la sensibilidad al contraste para el estímulo espacio-temporal –ondas viajeras–. Sus resultados son similares a los de Robson: Durante 2Hz la forma de la banda de paso se sostiene. Las frecuencias de 13,5 Hz, 17 Hz y 23 Hz sugieren una estructura de paso bajo. Para las curvas de la función de sensibilidad al contraste cromática, hay que guiarse por las mediciones realizadas por Kelly más tarde.

Diagrama de bloques de la matriz de distorsión perceptual del modelo de visión de Winkler.
Diagrama de bloques de la matriz de distorsión perceptual del modelo de visión de Winkler.

La mayoría de las aplicaciones que utilizan modelos de funciones de sensibilidad al contraste espacio-temporales todavía se basan en estos datos, como por ejemplo la medida de la calidad perceptual de Stefan Winkler.

No obstante, todos estos experimentos se llevaron a cabo con ondas sinusoidales. A pesar de que este procedimiento se ha convertido en el estándar para medir funciones de sensibilidad al contraste, debemos evaluar la sensibilidad al ruido de diferentes frecuencias espaciales, tal y como puede ocurrir en secuencias de vídeo.

Parámetros característicos de una forma sinusoidal.
Parámetros característicos de una forma sinusoidal.

Algunos estudios –como el de Kim T. Blackwell o el de R. E. Frederiksen y R. F. Hess examinan la visibilidad de las señales cuando se les agrega ruido. Sin embargo, para aplicaciones como la evaluación de la calidad de la reducción de ruido es más importante estudiar la visibilidad de dicho ruido.

Visibilidad del ruido

Para medir la visibilidad del ruido con ocho bandas de frecuencia espacial, la prueba subjetiva incluye ruido estático –como el que puede estar presente en imágenes fijas a las que se les ha aplicado una reducción de ruido– y ruido dinámico (espacio-temporal) –como el que puede estar presente en los datos de vídeo a los que se les haya aplicado, también, una reducción de ruido–. La comparación entre ambas –con idéntica frecuencia espacial– proporciona dos resultados relevantes.

Flujo de trabajo para generar los estímulos de prueba para los experimentos de sensibilidad al ruido.
Flujo de trabajo para generar los estímulos de prueba para los experimentos de sensibilidad al ruido.

Primero, la sensibilidad al contraste del ruido de baja frecuencia espacial es significativamente más alta cuando ese ruido está variando de forma temporal. Este resultado puede sorprender –dado el decrecimiento de la sensibilidad temporal con frecuencias temporales más elevadas– pero encaja muy bien con nuestra impresión visual. Tal fenómeno puede resultar de utilidad a la hora de reducir el ruido en secuencias de vídeo. La dependencia de la frecuencia se puede incluir en el diseño y optimización de nuevos algoritmos de reducción de ruido. Es más, los factores propuestos para compensar la sensibilidad se pueden incorporar en medidas que ya incluyen la función de sensibilidad al contraste, para adaptarlas a vídeo.

Segundo, al mostrar la sensibilidad al contrate tanto en términos de luminosidad perceptual –en el espacio de color IPT– como de luminancia –espacio de color XYZ– la forma del espacio de color IPT es diferente. El efecto de incrementar la visibilidad del ruido temporal –cuando dicho ruido es bajo en frecuencia espacial– resulta todavía más claro cuando se muestra en IPT. Este hecho es muy interesante ya que –para su aplicación en la estimación de la calidad de imagen– la luminosidad perceptual reviste mayor importancia que la luminancia absoluta.

Los factores que se proponen para mejorar las mediciones existentes de calidad en vídeos ruidosos y como aplicaciones en métodos para la reducción del ruido, se han obtenido a partir de pruebas con el fondo gris. Por consiguiente, la investigación futura debería centrarse en utilizar pruebas con estímulos más realistas. Por ejemplo, se podrían utilizar datos de una película real para evaluar cómo influye el enmascaramiento del contenido de la imagen en la visibilidad del ruido espacio-temporal. También sería factible incluir en pruebas futuras un ruido de banda más ancha para evaluar cómo se pueden usar todos estos hallazgos en vídeos reales.

Diagrama de cromaticidad CIE rg mostrando la construcción del triángulo que especifica el espacio de color CIE XYZ.
Diagrama de cromaticidad CIE rg mostrando la construcción del triángulo que especifica el espacio de color CIE XYZ.

En nuestras siguientes entregas, analizaremos mejoras en los métodos existentes de reducción de ruido para aplicarlos a datos reales de cámara. Además, estudiaremos qué métodos de reducción de ruido se pueden aplicar de forma más eficiente, cómo se pueden ajustar sus parámetros correspondientes para alcanzar la mayor calidad de imagen posible y de qué modo debemos evaluar adecuadamente los algoritmos de reducción de ruido, así como la determinación de cuáles son los factores más importantes que influyen en la visión humana.

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