thumb|460px|Reducción del ruido del original procedente de un periódico mediante desenfoque gaussiano
thumb|250px|Imagen en blanco y negro de ruido blanco
La reducción de ruido es un proceso que consiste en eliminar el ruido de una señal. Existen técnicas de reducción de ruido para audio e imágenes, cuyos algoritmos tienden a alterar las señales en mayor o menor grado.
Todos los dispositivos de procesamiento de señales, tanto analógicos como digitales, tienen características que los hacen susceptibles a los efectos del ruido. El ruido puede ser aleatorio o ruido blanco con una distribución de frecuencia uniforme, o ruido introducido por el mecanismo de un dispositivo o el procesamiento algorítmico de señales dependiente de la frecuencia.
En los dispositivos de grabación electrónicos, un tipo importante de ruido es el "siseo" creado por el movimiento aleatorio de los electrones debido a la agitación térmica a cualquier temperatura por encima del cero absoluto. Estos electrones agitados se suman y restan rápidamente del nivel de la señal de salida y, por lo tanto, crean un ruido detectable.
En el caso de una película fotográfica o una cinta magnética, se introduce ruido (tanto visible como audible) debido a la estructura del grano del soporte. En una película fotográfica, el tamaño de los granos en la película determina la sensibilidad de la película (a mayor sensibilidad, mayor tamaño de grano). En una cinta magnética, cuanto más grandes son los granos de las partículas magnéticas (generalmente óxido de hierro (III) o magnetita), más propenso es el medio al ruido. Para compensar este efecto, se pueden usar películas o cintas magnéticas con mayores superficies capaces de captar la señal, con el fin de reducir el ruido a un nivel aceptable.
En general Los algoritmos de reducción de ruido tienden a alterar las señales en mayor o menor grado, aunque también existen algoritmos de ortogonalización de señal y ruido local que se pueden utilizar para evitar cambios en las señales.
En prospecciones sísmicas El registro de impulsos vibratorios (sónicos, subsónicos o hipersónicos) es especialmente crucial para la obtención de imágenes sísmicas, su procesamiento, e interpretación, lo que mejora en gran medida la tasa de éxito en la exploración en la búsqueda de yacimientos de petróleo y de gas. La señal útil a menudo queda difuminada o distorsionada por el ruido aleatorio ambiental, lo que puede causar una falsa discontinuidad de los registros sísmicos, produciendo artefactos en la imagen resultante final. Mejorar la señal útil mientras se preservan las propiedades de las señales sísmicas al atenuar el ruido aleatorio puede ayudar a reducir las dificultades de interpretación y el riesgo de obtener resultados engañosos cuando se procede a la realización de prospecciones sísmicas.
En audio mini|250px|Casetes comerciales grabadas sin Dolby y con Dolby (1988 y 2001) thumb|250px|Comparación de las características de respuesta de frecuencia y ruido de los sistemas de reducción de ruido Dolby B y Dolby C, de una platina de casete de alto rendimiento Nakamichi ZX-7
Cuando se utiliza la tecnología de grabación analógica en cintas magnéticas, se puede presentar un tipo de ruido conocido como siseo de la cinta, relacionado con el tamaño y la textura de las partículas utilizadas en la emulsión magnética adherida sobre la película, y también con la velocidad relativa de la cinta a través de los cabezales.
Existen cuatro tipos de reducción de ruido: pregrabación de un solo extremo, reducción de siseo de un solo extremo, reducción de artefactos sónicos de un solo extremo y códec o sistemas de doble extremo. Los sistemas de pregrabación de un solo extremo (como el Dolby HX y el HX Pro, o Actilinear y Dyneq de Tandberg)https://web.archive.org/web/20200702165827/http://www.ant-audio.co.uk/Tape_Recording/Theory/Tandberg_Actilinear_Dyneq.pdfhttps://web.archive.org/web/20200702165605/http://sportsbil.com/tandberg/tcd-440a-tech.pdfhttps://web.archive.org/web/20200702172103/https://www.nytimes.com/1984/09/02/arts/sound-a-standout-cassette-deck.html funcionan preparando la cinta (introduciendo una señal polarizadora de alta frecuencia para mejorar la linealidad del registro) en el momento de ser grabada. Los sistemas de reducción de siseo de un solo extremo (como DNL o DNR) funcionan para reducir el ruido a medida que se produce, incluso antes y después del proceso de grabación, así como para las aplicaciones de transmisión en vivo. La reducción de ruido de superficie de un solo extremo (como el de CEDAR y los anteriores SAE 5000A y Burwen TNE 7000) se aplica a la reproducción de discos fonográficos para atenuar el ruido generado por arañazos, suciedad y no linealidades de la superficie. Los sistemas de dos extremos tienen un proceso de énfasis previo aplicado durante la grabación y luego un proceso de atenuación aplicado durante la reproducción.
Sistemas de reducción de ruido basados en expansores
Los procedimientos de reducción de ruido por compansión de dos extremos incluyen los sistemas profesionales Dolby y Dolby SR; dbx Profesional y dbx Tipo I; EMT NoiseBX de Donald Aldous; el Model 2000 de Burwen Laboratories; y telcom c4 de Telefunken; así como los sistemas de consumo Dolby NR, Dolby B, Dolby C y Dolby S; dbx Tipo II, High Com de Telefunken y High-Com II de Nakamichi; (Aurex AD-4) de Toshiba; ANRS y Super ANRS de JVC; Super D de Fisher/Sanyo; y el sistema Ex-Ko de Hungría y Alemania Oriental. Estos sistemas utilizan un proceso de preénfasis aplicado durante la grabación y luego un proceso de atenuación aplicado durante la reproducción.
La primera técnica de reducción de ruido de audio ampliamente utilizada fue desarrollada por Ray Dolby en 1966. Diseñado para uso profesional, el sistema Dolby Tipo A era un procedimiento de codificación/decodificación en el que la amplitud de frecuencias en cuatro bandas aumentaba durante la grabación (codificación) y luego disminuía proporcionalmente durante reproducción (decodificación). El sistema Dolby B (desarrollado junto con Henry Kloss) era un procedimiento de banda única diseñado para productos de consumo. En particular, al grabar partes silenciosas de una señal de audio, se potenciaban las frecuencias por encima de 1 kHz. Esto tuvo el efecto de aumentar la relación señal/ruido en la cinta hasta 10 dB, dependiendo del volumen de la señal inicial. Cuando se reproducía, el decodificador invertía el proceso, reduciendo de hecho el nivel de ruido hasta en 10 dB. El sistema Dolby B, aunque no es tan eficaz como el Dolby A, tenía la ventaja de seguir siendo escuchable en sistemas de reproducción sin decodificador.
El circuito integrado High Com U401BR de Telefunken también podía utilizarse para funcionar como un compandidor, en gran parte compatible con la reducción de ruidos Dolby. En varios decks de cinta High Com de última generación, la función Dolby-B emulando un sistema "DNR Expander" no funcionaba solo para la reproducción, sino que también se aplicaba durante la grabación (aunque en este último caso el procedimiento no estaba documentado).
El dbx era un sistema de reducción de ruido analógico competidor desarrollado por David E. Blackmer, fundador de los laboratorios dbx. Utilizaba un algoritmo de codificación/decodificación basado en la raíz de la media de los cuadrados (RMS), con las altas frecuencias propensas al ruido realzadas y toda la señal alimentada a través de una relación de compansión 2:1. Funcionaba en todo el ancho de banda audible, y a diferencia del Dolby B, no se podía utilizar como un sistema abierto. Sin embargo, permitía obtener hasta 30 dB de reducción de ruido.
Dado que los videos analógicos utilizan modulación de frecuencia para la parte de luminancia (señal de video compuesto en sistemas de color directo), que mantiene la cinta en un determinado nivel de saturación, no es necesario aplicar la reducción de ruido de audio.
Limitador de ruido dinámico y reducción de ruido dinámico El limitador de ruido dinámico (Dynamic Noise Limiter; DNL) es un sistema de reducción de ruido de audio introducido originalmente por Philips en 1971 para su uso en magnetófonos de casete. Su circuito también se basa en un solo chip.
National Semiconductor lo desarrolló aún más en el sistema de reducción dinámica de ruido (Dynamic Noise Reduction; DNR) para reducir los niveles de ruido en la telefonía de larga distancia. Vendido por primera vez en 1981, DNR se confunde con frecuencia con el mucho más común Reducción de ruidos Dolby. Sin embargo, a diferencia de los sistemas de reducción de ruido Dolby y dbx Tipo I y Tipo II, DNL y DNR son sistemas de procesamiento de señales de solo reproducción, que no requieren que el material de origen se codifique primero, y se pueden utilizar junto con otras formas de reducción de ruido.
Debido a que los sistemas DNL y DNR no son complementarios, lo que significa que no requieren material fuente codificado, se pueden usar para eliminar el ruido de fondo de cualquier señal de audio, incluidas las grabaciones en cinta magnética y las transmisiones de radio FM, reduciendo el ruido hasta en 10 dB. Se pueden utilizar junto con otros sistemas de reducción de ruido, siempre que se empleen antes de aplicar DNR para evitar que provoque un error de seguimiento del otro sistema de reducción de ruido.
Una de las primeras aplicaciones generalizadas de DNR fue en los sistemas de autorradios de Delco introducidos en 1984 en los coches de GM fabricados en Estados Unidos. (NB. Originally published in The Riview, Vol. 21, No. 6, September/October 2005.) También se utilizó en equipos de sonido de fábrica en vehículos Jeep en la década de 1980, como el Cherokee XJ. Hoy en día, DNR, DNL y sistemas similares se encuentran con mayor frecuencia como sistema de reducción de ruido en sistemas de micrófonos.
Otros enfoques Una segunda clase de algoritmos trabaja en el dominio de tiempo-frecuencia utilizando algunos filtros lineales o no lineales que tienen características locales y a menudo se denominan filtros de tiempo-frecuencia. Por lo tanto, el ruido también se puede eliminar mediante el uso de herramientas de edición espectral, que procesan el dominio de tiempo-frecuencia, permitiendo modificaciones locales sin afectar a la energía de las señales adyacentes. Esto se puede hacer manualmente con programas de ordenador capaces de ajustar las características de la relación entre tiempo-frecuencia, de forma muy similar a la de un programa de pintura para hacer dibujos. Otra forma es definir un umbral dinámico para filtrar el ruido, que se deriva de la señal local, nuevamente con respecto a una región de tiempo-frecuencia local. Todo lo que esté por debajo del umbral se filtrará, todo lo que esté por encima del umbral, quedará intacto. La región se define típicamente por la ubicación de la frecuencia instantánea de la señal, ya que la mayor parte de la energía de la señal que se conservará se concentra en ella.
Las grabaciones de sonido (e imágenes) digitales modernas ya no necesitan preocuparse por el siseo de la cinta, por lo que los sistemas de reducción de ruido de estilo analógico ya no son necesarios. Sin embargo, un giro interesante es que los sistemas de tramado en realidad agregan ruido a una señal para mejorar su calidad.
Programas de ordenador La mayoría de los programas de edición de voz de propósito general suelen tener una o más funciones de reducción de ruido (como Audacity y WavePad). También existen notables aplicaciones de reducción de ruido de propósito especial como el Gnome Wave Cleaner.
En imágenes Imagen original y una vez procesado el ruido
Las imágenes tomadas tanto con cámaras digitales como con película fotográfica captarán ruido procedente de distintas fuentes. El uso posterior de estas imágenes a menudo requerirá que el ruido se elimine (parcialmente), con propósitos estéticos como en el trabajo artístico o la mercadotecnia, o para fines prácticos como la visión artificial.