Foto

7. SZUMY - ich związek z ISO i CZUŁOŚCIĄ

Fraza "szumy matrycy" wielu fotografów przyprawia o dreszcze. Czy rzeczywiście stanowią one taki problem w fotografii cyfrowej? Okazuje się, że tak. Najpierw zobaczmy co to jest "szum".

Rodzaje szumu (zakłóceń)

Istnieją trzy główne źródła szumu w matrycy.

PHOTON NOISE (szum fotonowy)
Rejestracja jakiegokolwiek sygnału (w naszym przypadku światła) jest obarczona błędem. Nigdy nie będziemy doskonale pewni dokładnej wartości sygnału, a tylko jego wartości uśrednionej. Ale im więcej sygnału jesteśmy w stanie zarejestrować, tym mniejsza jest niepewność co do prawidłowej wartości. Dlatego też ROZMIAR PIKSELA jest tak ważny w fotografii cyfrowej. Na większy piksel pada więcej światła i generuje on więcej elektronów, a to prowadzi do lepszego określenia prawidłowej wartości sygnału. Często stosowane jest przy tej okazji określenie SNR - stosunek sygnału do szumu (signal to noise ratio). Jeśli SNR ma dużą wartość, fotografowany obiekt będzie łatwy do zauważenia na tle. Przy niskim SNR trudno będzie dokładnie określić kształt, kolor i inne cechy fotografowanego obiektu.



W tym przykładzie mały piksel ma 4 razy mniejszą pojemność (S) niż duży. Szum fotonowy (N) wzrasta w tej sytuacji dwukrotnie. Tak więc  zwiększenie wielkości piksela pozwala na zwiększenie SNR i otrzymanie mniej zaszumionego obrazu.

Tak więc gdyby matryca nie posiadała żadnych własnych źródeł szumu, to i tak obraz będzie zawierał szum. Jest to tak zwany szum fotonowy. Mimo, że wzrasta on wraz ze wzrostem natężenia padającego światła, to wzrasta on wolniej niż wartość sygnału (szum fotonowy jest proporcjonalny do pierwiastka z sygnału) dzięki czemu wzrasta wartość SNR i obraz staje się bardziej wyraźny. Wartość SNR może być różna na tym samym zdjęciu. Na cyfrowym zdjęciu ciemniejsze partie obrazu będą silniej zaszumione niż jasne. Zwiększając jasność zdjęcia w komputerze trzeba pamiętać, że wtedy szum z ciemnych obszarów stanie się bardziej widoczny.

DARK CURRENT (prąd ciemny/szum elektroniki)
Oprócz szumu fotonowego w sygnale pojawia się także tzw. prąd ciemny (dark noise). Ten szum nie pochodzi od źródła światła. Jest to dodatkowy sygnał generowany w pikselu - tym większy, im dłuższy jest czas naświetlania, a także temperatura matrycy.

READOUT NOISE (szum odczytu)
Ten rodzaj szumu to suma wszystkich zakłóceń wprowadzanych przez elektronikę matrycy i aparatu przy odczycie sygnału. W układach CCD jest on jednorodny, gdyż sygnał każdego piksela jest przetwarzany przez ten sam układ. Natomiast w matrycach CMOS jego wartość może zależeć od miejsca na matrycy. Wartość szumu odczytu w nowoczesnych konstrukcjach nie stanowi już zazwyczaj problemu, ale pierwsze cyfrówki miały z tym problem.

Często na zdjęciach zakłócenia przyjmują określoną strukturę tzw. fixed pattern noise (FPN). Ten nieprzyjemny dla oka rodzaj szumu związany jest z wadami matrycy i zakłóceniami w jej działaniu (niejednorodność czułości poszczególnych fragmentów matrycy). Staje się bardziej widoczny, im dłuższy czas naświetlania lub silniejszy sygnał. Rozkład tego szumu jest niezmienny i stąd jego nazwa. Zaliczamy do niego m.in. występujące na matrycy hot piksele. Przy standardowych ekspozycjach (niezbyt długich) ze względu na powtarzalność jego usunięcie nie stanowi problemu.

Szum fotonowy jest rozłożony przypadkowo na zdjęciu . Z kolei prąd ciemny może być silniejszy po tej stronie układu, gdzie znajduje się elektronika, która grzejąc się (przy długiej ekspozycji, 1s i dłużej) wprowadza zakłócenia, istotny jest tylko przy bardzo słabym sygnale. Przy standardowej ekspozycji najistotniejszy staje się szum fotonowy. Natomiast, gdy zdjęcie jest mocno naświetlone lub prześwietlone, najistotniejszy jest FPN.

BANDING NOISE
Na zdjęciach wykonanych przy wysokim ISO lub, gdy na zdjęciu pojawił się duży kontrast pomiędzy cieniami i silnie prześwietlonymi partiami obrazu, może pojawić się tzw. banding noise. Jego występowanie jest związane często z danym modelem aparatu. Objawia się on jako naprzemienne jaśniejsze i ciemniejsze pasy na zdjęciu.

INNY PODZIAŁ
Wszystkie szumy, jakie występują na zdjęciu, można podzielić jeszcze w inny sposób. Mianowicie na szumy w jasności (luminance noise), przypominające ziarno na kliszy, a także szumy w kolorze (chroma noise). Ten pierwszy związany jest z informacjami o detalach i próba jego usunięcia może źle wpłynąć na ostrość zdjęcia. Szum w kolorze ma związek wyłącznie z barwą piksela. Na zdjęciu widać go jako kolorowe plamki. To czy szum w kolorze jest mocno widoczny czy nie zależy w dużym stopniu od danego modelu aparatu.

Widzimy więc, że źródeł zakłóceń w tworzonym obrazie jest wiele. Jak już wspomnieliśmy, im większy piksel, tym mniejsze szumy, powstające na etapie tworzenia obrazu. Ale również proces jego odczytu i przetwarzania wprowadza dodatkowe źródła szumu. Ważne jest  więc nie tylko, aby piksele matrycy był jak największe (duża wartość SNR). Towarzysząca im elektronika powinna generować jak najmniejsze szumy, a ich zmniejszenie umożliwia ciągły postęp technologiczny.


Czułość matrycy

Zmiana czułości w aparacie polega nie na zmianie własności poszczególnych pikseli, lecz na zmianie wzmocnienia (ang. gain) rejestrowanego przez piksele sygnału. A ponieważ ze wzrostem ISO wzmacniamy cały sygnał, więc także szum ulega wzmocnieniu. Dlatego tak ważne jest, aby matryca generowała jak najmniejszy szum - wtedy nie będzie on zbyt istotnie zakłócał obrazu nawet po wzmocnieniu. Dziś matryce pozwalają na korzystanie z wyższych wartości ISO przy takiej samej jakości obrazu, jak stare konstrukcje przy niższym ISO.

Możliwe jest umieszczenie w menu nawet taniego kompaktu opcji zawierającej 1600 ISO i więcej.  Ale w przypadku malutkich matryc jest to mało przydatne, gdyż wytworzony obraz będzie bardzo kiepskiej jakości.

W aparatach cyfrowych stosuje się tzw. ekwiwalent ISO. Kompaktowe aparaty pozwalają na uzyskanie czułości od 50-800 ISO (ostatnio pojawiły się modele z 1600 ISO). Większość kompaktów przy wyższych wartościach ISO produkuje bardzo duże szumy, dlatego zwykle maksymalny użyteczny zakres nie przekracza 400 ISO. W cyfrowych lustrzankach szumy są znacznie mniejsze i przydatne są także ustawienia 800,1600,3200 a nawet 6400 ISO (modele profesjonalne), jednak przy maksymalnych wartościach szum staje się zauważalny i zaczyna wpływać na estetykę fotografii.


Zakres dynamiczny

Jest to wartość określająca zakres jasności fotografowanego obiektu, który matryca jest w stanie uchwycić na pojedynczej ekspozycji. Przekłada się to pośrednio na ilość różnych odcieni szarości, ponieważ jasność jest reprezentowana na zdjęciu przez te odcienie. Niestety, teoretyczne wartości są ograniczone przez kilka czynników, m.in. szumy w matrycy (zwłaszcza przy dużych wartościach ISO) oraz stosowane przetworniki analogowo-cyfrowe, które zamieniają sygnał z postaci napięcia na sygnał cyfrowy w formie bitów. Dziś montuje się w aparatach układy 10,12 czy 14bit, które dają teoretycznie 1024,4096 czy 16384 odcieni dla każdej z barw. Ale nawet jeśli parametry matrycy pozwolą na osiągnięcie tak dużej ilości barw, to jesteśmy zwykle ograniczeni konsekwencjami zapisu do JPEG, najpopularniejszego formatu zapisu fotografii. JPEG posiada tylko 8bitów (256 odcieni) na każdy kolor.

Aby w pełni wykorzystać możliwości oferowane przez matryce, lustrzanki cyfrowe i nieliczne kompakty pozwalają na zapis w formacie RAW. Mówiąc w skrócie, ten format zapisu pozwala na uniknięcie obniżenia jakości zdjęcia poprzez obróbkę w aparacie i zapis do JPEG.

Nie musimy się jednak przejmować, jeśli nasz aparat oferuje tylko format JPEG. Jakość zapisu w tym formacie zadowoli nas w większości sytuacji.

UWAGA: Trzeba pamiętać że liczba barw rejestrowanych na zdjęciu nie oznacza automatycznie zakresu dynamicznego matrycy. Natomiast im większa liczba kolorów tym lepiej można ten zakres dynamiczny oddać.