Наилучшее отношение сигнал / шум на цифровом снимке

Наилучшее отношение сигнал / шум на цифровом снимке

Представим, что цифровой фотоаппарат имеет 5 стоп динамического диапазона. Реально их около шести, но для простоты восприятия и расчетов округлим значение в меньшую сторону. В режиме работы RAW у большинства камер производится запись с глубиной 12 бит. Реально камера работает в режиме записи 16 бит, но фактически фиксируется только 12 разрядов. Это говорит о ом, что режим RAW записывает больше информации, в отличии от 8 битных режимов.

Изображение 12-бит может передавать 4,096 (2^12) дискретных тональных значений. Из этого можно сделать вывод. что каждый из пяти F/Stop диапазона должен передавать около 850 (4096 / 5) значений. К сожалению, это не так. Самый первый стоп, он же самый яркий, содержит 2048 ступеней — это половина от всего доступного диапазона.

Это потому что CMOS- и CCD-микросхемы — это линейные устройства. Каждый из всех F/Stop`ов записывает только половину светового сигнала от предыдущего. В таблице можно увидеть наглядно, как записывается сигнал.

Первый F/Stop — самый светлый тоновый диапазон 2048 уровней
Второй F/Stop — светлый тоновый диапазон 1024 уровней
Третий F/Stop — средний тоновый диапазон 512 уровней
Четвертый F/Stop — темный тоновый диапазон 256 уровней
Пятый F/Stop — самый темный тоновый диапазон 128 уровней

Понимание этого дает осознание того, что если при съемке не использовать правую часть гистограммы, мы теряем половину данных на фото. Тем не менее, все знают, что если изображение пересвечено, то из этого самого пересвета детали уже не вытянуть.

Стоит усвоить, что выдержку нужно выбирать так, чтобы гистограмма была смещена к правому краю. Не нужно сильно смещать гистограмму. Это может привести к пересветам.

Открыв такие снимки в RAW-конвертере, будет видно, что снимки пересвечены. Так и должно быть. Чтобы исправить положение, просто нужно при помощи настроек распределить данные равномерно по гистограмме так, чтобы изображение выглядело нормально. Такой подход поможет решить две проблемы. Прежде всего, это приведет к максимальному отношению сигнал/шум. Также будет минимизирована пастеризация и шум. Как известно, больше всего шума в темных частях изображения.

Чтобы получить правильный результат, все манипуляции над снимком нужно проводить в режиме 16 бит. Во время съемки камера не делает никаких нелинейных преобразований. Вся нелинейная коррекция выполняется в RAW-конвертере на компьютере. Для применения вышеописанной методики, нужно снимать в формате RAW, а потом руками корректировать изображение на компьютере. Такой подход получает получить максимальное количество данных, обрабатываемых программой и выводимых на экран.

Стоит помнить, что уменьшая ISO, нужно увеличивать выдержку и/или открывать диафрагму. Снимая с рук, можно получить снимки смазанные или с шевеленкой. Тут нужно думать, когда можно применять этот метод.

Описываемая методика не является обязательной. Она требует дополнительных манипуляций перед фотографированием и дополнительных затрат времени во время обработки. Этот метод гарантирует улучшенное отношение сигнал/шум. Для того. чтобы убедиться в действенности данного метода, нудно просто попробовать сделать снимок.

Для теста нужно сфотографировать со штатива обычный летний пейзаж с голубым небом и зеленой травой. Параметры пусть будут такими, какие вы используете обычно. Теперь выполните снимок с экспозицией, увеличенной на одну ступень. Проследите, чтобы на гистограмме не было сильного пересвета, иначе детали безвозвратно пропадут.

Далее загрузите в RAW-конвертер первый снимок, который был правильно экспонирован. Произведите над ним стандартные действия и отправьте в Фотошоп. Далее откройте в RAW-конвертере снимок со смещенной вправо гистограммой. Скорректируйте в снимке яркость, контраст и гамму. Приведите снимок к нормальному виду и также отправьте его в фотошоп.

Теперь сравните кадры. Рассмотрите области с глубокими тенями. Проанализируйте уровень шума и пастеризации (огрубения). В снимках легко увидеть отличия. Если отличия, по вашему мнению, незначительны или вообще не видны, просто снимайте, так же как и раньше. Если вы увидели существенное улучшение, то теперь вы обладаете новым методом съемки.

Примечания к статье

Некоторые модели камер могут показывать индивидуальные гистограммы для каждого из цветовых каналов: зеленого, синего и красного. На таких камерах легко определить момент пересвета. На многих устройствах показывается суммарная гистограмма. На таких камерах можно не угадать момент пересвета. К примеру, гистограмма в одном канале может вылезти за правый край, а две остальные будут в норме. Усредненное значение будет показывать норму. В таких случаях может наблюдаться не улучшение, а ухудшение качества фотографий. Некоторые камеры показывают не оригинальные гистограммы RAW файлов, а гистограммы от генерированных камерой JPG превьюшек. Оригинальная гистограмма RAW файла может существенно отличаться от того. что вы будете видеть.

Хорошая новость состоит в том, что самые яркие объекты снимка чаще всего нейтральны по цветам. Все три цвета в них имеют одинаковую гистограмму, а, следовательно, если они обрежутся, то это будет заметно. В случае, если вы не уверены в качестве снимка, можете сделать несколько фотографий с различной экспозицией и на компьютере выбрать лучший вариант.

Стоит вспомнить, что на самые темные тона приходится всего лишь 128 уровней. Если снимать с небольшой недодержкой, чтобы на снимке не было пересветов, то тени получатся недодержанными. В Фотошопе их можно выровнять кривыми и уровнями, но из-за того, что в тенях всего 128 уровней, появятся шумы, пастеризация и прочие артефакты. Если же все таки сместить гистограмму вправо, получится так, что тени окажутся в области с 256 уровнями и при редактировании их качество будет выше.

Как получить наилучшее отношение сигнал / шум на цифровом снимке

Это не столько перевод, сколько пересказ статьи, опубликованной на сайте www.luminous-landscape.com.

Пространство для динамического диапазона

Давайте предположим (для иллюстрации), что цифровая камера имеет динамический диапазон в 5 стопов (обычно он ближе к 6 стопам, но не будем придираться). При работе в режиме RAW большинство камер записывают изображение с глубиной 12 бит. (Камера при этом работает в 16-битном режиме, но реально фиксирует только 12 разрядов из 16. Это лучше, чем 8, но не так хорошо, как могло бы быть в «честном» 16-битном режиме).

12-битное изображение способно передать 4,096 (2^12) дискретных тональных значений. Следовательно, каждый F/Stop из 5-стопового диапазона должен бы фиксировать около 850 (4096 / 5) из этих ступенчатых значений. Увы, это не так. На самом деле первый (самый яркий) стоп содержит 2048 этих ступенек — половину из всех доступных.

Почему? Потому что CCD- и CMOS-микросхемы являются линейными устройствами. И, конечно, каждый F/Stop записывает половину света от предыдущего стопа, и, следовательно, половину оставшегося доступного пространства для данных. Таблица ниже расскажет всю историю.

Диапазон первого F/Stop, который содержит
самые светлые тона
2048 уровней доступно
Диапазон второго F/Stop, который содержит
светлые тона
1024 уровней доступно
Диапазон третьего F/Stop, который содержит
средние тона
512 уровней доступно
Диапазон четвертого F/Stop, который содержит
темные тона
256 уровней доступно
Диапазон пятого F/Stop, который содержит
самые темные тона
128 уровней доступно

Осознание этого дает нам несколько важных уроков, самый важный из которых состоит в том, что если вы не используете самую правую 1/5 часть гистограммы для записи части вашего изображения, то реально вы выбрасываете почти половину информации, которую может сохранить ваша камера. Но мы все знаем (или по крайней мере, должны знать), что худший грех в цифровой фотографии, это пересветить света – точно так же как при съемке на слайды. Если они убиты (самая правая часть гистограммы) — прощайте, данные.


Простой урок, который необходимо усвоить из сказанного — выбирайте ваши выдержки так, чтобы гистограмма подбиралась к самому правому краю, но не до такой степени, когда света вообще вытолкнуты за правый край. Обычно это можно проконтролировать по миганию пересвеченных фрагментов изображения на дисплейчике фотоаппарата. В таком случае просто уменьшите экспозицию, чтобы мигание прекратилось.

Конечно, если теперь вы посмотрите на этот RAW-файл в своем любимом RAW-конвертере (например, Capture One или Camera RAW), то вероятнее всего, изображение покажется слишком светлым. Это нормально! Просто покрутите соответствующие движки, чтобы скорректировать яркость и контраст, чтобы данные распределились по всей области гистограммы и изображение стало выглядеть «правильно». Этим вы убьете сразу несколько жирных зайцев. Во-первых, это сделает максимальным отношение сигнал/шум. Во-вторых, это минимизирует постеризацию и шум, который потенциально всегда присутствует в темных областях изображения.

Имейте в виду, что для достижения правильного результата вы должны делать эти коррекции в 16-битном режиме RAW-конвертера (как уже говорилось выше, реально это все равно будет 12-битный режим). Вопреки тому, что думают некоторые, при съемке в RAW-режиме сама камера не делает никаких нелинейных преобразований. Вся нелинейная обработка происходит в RAW-конвертере на вашем компьютере. Поэтому, если вы собираетесь применить вышеописанную фишку со сдвигом гистограммы при съемке вправо, вы должны снимать в RAW-режиме и затем руками скорректировать изображение в RAW-конвертере до экспортирования его в Фотошоп. Сделав так, вы максимизируете объем данных, обрабатываемых всей системой (камера-конвертер-фотошоп).Это еще одна причина по возможности всегда снимать в RAW-формате.

Однако, имейте в виду, что действуя таким образом, в действительности вы эффективно уменьшаете ISO, используемое при фотографировании сюжета. А это требует больших выдержек и/или больших отверстий диафрагмы. Если вы держите камеру в руках, побочные эффекты от шевеленки или смаза могут перекрыть положительный эффект от снижения уровня шума.

Описанная методика не является чем-то обязательным для повседневного применения. Она требует дополнительных действий при съемке и дополнительных действий при обработке в RAW-конвертере. Однако, если вас интересует гарантированно наилучшее отношение сигнал/шум для отдельного снимка – это может иметь смысл. Если вы все еще считаете такой подход парадоксальным и сомнительным — просто попробуйте сами.

Снимите со штатива, скажем, типичную летнюю сцену с голубым небом, белыми пушистыми облаками и зеленой травой. Пусть параметры съемки будут такими, как обычно. Посмотрите на гистограмму снимка. Теперь сделайте еще один снимок с экспозицией на ступень выше, так чтобы чуть «переэкспонировать» кадр, но не слишком сильно, чтобы света (облака, например) не «уехали» за правый край окошка гистограммы. Удостоверьтесь по дисплею камеры, что на изображении ничего не мигает (то есть, ничего не пересвечено насмерть), но что гистограмма сдвинута вправо насколько возможно.

Теперь загрузите «правильно экспонированный» кадр в RAW-конвертер, произведите свои обычные корректирующие манипуляции и перешлите изображение в Фотошоп. Далее загрузите кадр со сдвинутой вправо гистограммой и сделайте то же самое. При этом не забудьте сначала скорректировать изображение в RAW-конвертере (яркость, котраст, гамму), чтобы привести его к нормальному виду, и только после этих коррекций загрузить изображение в Фотошоп.

Сравните оба кадра. Проверьте области с глубокими тенями на предмет шумов и постеризации (огрубления). Увидьте отличия. Если вы их не увидели – не велика потеря. Просто снимайте, как снимали раньше. Но если вы увидели разницу, то в вашем фотобагаже появился еще один полезный инструмент.

Некоторые камеры показывают отдельные гистограммы для каждого из цветовых каналов (красного, зеленого и синего). Для таких камер легко определить, обрезается ли какая-то часть светов справа. Другие камеры показывают только суммарную гистограмму яркости. При этом один или два цветовых канала могут быть обрезаны справа (пересвечены), но по суммарной гистограмме этого может быть не видно. Обладатель такой камеры может применить описанную выше методику снижения шумов и обнаружить, что снимки становятся не лучше, а хуже. Более того, иногда камера может показывать гистограмму не оригинального RAW-изображения на матрице, а конвертированной JPG-превьюшки, порожденной встроенным в камеру процессором. Это еще более усугубляет проблему. То, что обрезано на гистограмме JPG-превьюшки, может быть не обрезано в оригинальном RAW-изображении и наоборот. Это проблема для обладателя такой камеры (конечно, если он собирается использовать описанную выше методику).

Есть и хорошая новость. Часто самые яркие объекты сюжета более-менее нейтральны по цветам (например, белые облака). В этом случае если гистограммы цветовых каналов и обрезаются, то сразу все, и это легко заметить. И вообще, если вы сомневаетесь, сделайте несколько снимков с разной экспозицией и дома выберите наилучший в смысле гистограммы.

Еще раз напомню, что на самые темные тона камера имеет всего 128 уровней. Поэтому если вы снимаете с некоторой недодержкой, чтобы на дисплейчике камеры получить визуально нормальные, непересвеченные света, то тени у вас будут недодержанными. Потом, в Фотошопе вы начинаете их вытягивать, крутить кривые – но из-за того, что в тенях у вас всего 128 уровней (или того меньше!), там появляется постеризация и другие артефакты. Если же вы максимально смещаете гистограмму вправо, то область теней у вас попадает в те области, где уровней 256 или больше.

Цифровой шум изображения

Определение:
Цифровой шум — дефект изображения, вносимый фотосенсорами и электроникой устройств, которые их используют (цифровой фотоаппарат, теле-/видеокамеры и т. п.)

Явление

Цифровой шум проявляется в виде случайным образом расположенных элементов растра (точек), имеющих размеры близкие к размеру пикселя.

Цифровой шум отличается от изображения более светлым или тёмным оттенком серого и цвета (яркостный шум англ. luminance noise) и/или по цвету (хроматический шум англ. chrominance noise).

Цифровой шум придаёт фотографии неестественный вид — создаётся ощущение, что на изображение наложена маска из точек различной яркости и цвета. В особенности, цифровой шум портит восприятие однотонно-окрашенных частей изображения (например голубого неба) и объёмное восприятие объектов заднего плана, находящихся не в фокусе.

Сама по себе величина шума — характеристика понятийная и мало информативная. Как принято в электронике, говорить надо об отношении сигнал-шум. Математический анализ цифрового шума выявляет нелинейную структуру в фотографическом изображении.

Иногда, цифровой шум отождествляют с такими явлениями обычной (химической) фотографии, как зернистость плёнки и фотографическая вуаль.

Подавление цифрового шума

Существуют всевозможные способы подавления цифрового шума на уровне сенсора, трактов цифрового фотоаппарата и на конечном цифровом изображении. Алгоритмы выявления уровня цифрового шума основаны на отклонении шума от фона. Темновой ток нескольких миллионов фотодиодов сенсора корректируется методом привязки к «уровню чёрного» от группы пикселей, находящихся в полной темноте. Вычисляется систематическая поправка — «уровень чёрного» темнового тока (среднее значение), которая вычитается из тока каждого фотодиода для данного фото изображения.
Подавление цифрового стохастического (греч. stochastikos — случайный, вероятностный) шума проводится усреднением (интегрированием по множеству или апертуре (лат. apertura — отверстие) для каждого пиксела. Например, одной из распространённых апертурных методик подавления шума является т. н. свертка.
При подавлении шума усреднением несколько ухудшается резкость на конечном цифровом изображении.
Увлечение противошумовым фильтром, увеличением резкости поля и границ кадра приводит к тому, что изображение приобретает характерные для цифровых фильтров искажения — теряются оттенки на переходах яркости и цвета, снижается насыщенность тона, становится видна структура растра и пр.
Надо стремиться делать цифровые фотографии в условиях, обеспечивающих минимум темнового тока и шумов. Эти условия соблюдаются при хорошем освещении всех сюжетов кадра, которое обеспечивает съёмку при минимальной чувствительности и небольших выдержках.

Причины возникновения цифрового шума

Что влияет на величину цифрового шума

  • Размер сенсора и его разрешение. Размер фотодиода на микросхеме зависит от технологии. По технологии CCD элементов «обвязки» у пиксела меньше, чем по технологии CMOS и больше площади сенсора достается линзе фотодиода. Это особенно сказывается на сенсорах маленького размера, поэтому для цифровых фотоаппаратов, кроме зеркалок, сенсоры, изготовленные по технологии CMOS, практически не применяют. При одинаковых физических размерах сенсора, у сенсора, имеющего большее разрешение, активная площадь каждого фотодиода меньше. На маленькие линзы фотодиода падает меньше света, меньшие потенциалы считываются с фотодиода и требуется бо́льшее аналоговое усиление сигнала перед оцифровкой. В результате больше уровень шума и меньше отношение сигнал-шум.
  • Выбранный производителем диапазон эквивалентной чувствительности сенсора. Эквивалентная чувствительность сенсора определяет коэффициенты усиления сигналов в цифровом фотоаппарате и отношение сигнал-шум. Темновой ток является главным фактором, ограничивающим предел чувствительности сенсора (ISO 400/800).
  • Время экспонирования. Темновой ток фотодиода при больших экспозициях сильно ухудшает отношение сигнал-шум. Чем больше время экспонирования, тем больше тепловой шум транзисторов электроники и хуже отношение сигнал-шум.
  • Интересный компромисс наблюдается в фотоаппаратах с поворотными ЖК- дисплеями, крепящимися к камере на шарнирах. Это решение очень удобно для фотографа и самое главное — от сенсора отдаляется источник тепла и шума, что снижает темновой ток и помехи.

Источник — wikipedia.org

Сервис-центры
Canon
Nikon
Olympus
Pentax
Наш совет
Для передачи эффекта движения в кадре, при съемке движущихся объектов, обязательно используйте режим серийной съемки (burst mode)и низкие значения выдержки, обязательно ведите камеру за объектом и результат приятно удивит Вас!

Читаем:
Журнал Photomanual.ru приглашает к сотрудничеству профессиональных фотографов. Купить через Photomanual.ru!

Актуальную информацию о КБ Южное смотрите на нашей странице

Наилучшее отношение сигнал / шум на цифровом снимке

Цифровой шум проявляется в виде случайным образом расположенных элементов растра (точек), имеющих размеры близкие к размеру пикселя.

Цифровой шум отличается от изображения более светлым или тёмным оттенком серого и цвета (яркостный шум англ. luminance noise ) и/или по цвету (хроматический шум англ. chrominance noise ).

Цифровой шум придаёт фотографии неестественный вид — создаётся ощущение, что на изображение наложена маска из точек различной яркости и цвета. В особенности, цифровой шум портит восприятие однотонно-окрашенных частей изображения (например голубого неба) и объёмное восприятие объектов заднего плана, находящихся не в фокусе.

Сама по себе величина шума — характеристика понятийная и мало информативная. Как принято в электронике, говорить надо об отношении сигнал-шум. Математический анализ цифрового шума выявляет нелинейную структуру в фотографическом изображении. Наглядно можно сравнивать шум разных матриц так: когда две парные тестовые фотографии после ресайза к одному размеру имеют одинаково заметный шум, и при этом ИСО на одной на стоп больше другой, то разница в шуме равна 1 стоп. Т.е. в два раза.

Иногда, цифровой шум отождествляют с такими явлениями обычной (химической) фотографии, как зернистость плёнки и фотографическая вуаль.

Подавление цифрового шума

Существуют всевозможные способы подавления цифрового шума на уровне сенсора, трактов цифрового фотоаппарата и на конечном цифровом изображении.

Алгоритмы выявления уровня цифрового шума основаны на отклонении шума от фона. Темновой ток нескольких миллионов фотодиодов сенсора корректируется методом привязки к «уровню чёрного» от группы пикселей, находящихся в полной темноте. Вычисляется систематическая поправка — «уровень чёрного» темнового тока (среднее значение), которая вычитается из тока каждого фотодиода для данного фото изображения.

Подавление цифрового стохастического (греч. stochastikos — случайный, вероятностный) шума проводится усреднением (интегрированием по множеству или апертуре (лат. apertura — отверстие) для каждого пиксела.

При подавлении шума усреднением несколько ухудшается резкость на конечном цифровом изображении.

Увлечение противошумовым фильтром, увеличением резкости поля и границ кадра приводит к тому, что изображение приобретает характерные для цифровых фильтров искажения — теряются оттенки на переходах яркости и цвета, снижается насыщенность тона, становится видна структура растра и пр.

Надо стремиться делать цифровые фотографии в условиях, обеспечивающих минимум темнового тока и шумов. Эти условия соблюдаются при хорошем освещении всех сюжетов кадра, которое обеспечивает съёмку при минимальной чувствительности и небольших выдержках.

Причины возникновения цифрового шума

На отношении сигнал-шум влияют шумы аналоговой электроники цифрового фотоаппарата («обвязка», усилители, АЦП), но основным источником цифрового шума является фотосенсор. Цифровой шум в фотосенсоре возникает по следующим причинам.

  1. Дефекты (примеси и др.) потенциального барьера вызывают утечку заряда сгенерированного за время экспозиции — т. н. чёрный дефект. Такие дефекты видны на светлом фоне в виде тёмных точек.
  2. (англ.Dark current — Темновой ток) — является вредным следствием термоэлектронной эмиссии и «туннельного» эффекта и возникает в сенсоре при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма. «Темновым» данный ток называется потому, что складывается из электронов, попавших в яму при отсутствии светового потока. Такие дефекты видны на темном фоне в виде светлых точек, т. н. белый дефект. Белые дефекты особенно проявляются при больших экспозициях. Основная причина возникновения темнового тока — это примеси в кремниевой пластине или повреждение кристаллической решётки кремния. Чем чище кремний, тем меньше темновой ток. На темновой ток оказывает влияние температура элементов камеры, электромагнитные наводки, как внешние, так и внутренние, от самой камеры. При увеличении температуры на 6-8 градусов, значение темнового тока удваивается.
  3. Из-за шума, возникающего вследствие стохастической природы взаимодействия фотонов света с атомами материала фотодиодов сенсора. При движении фотона внутри кристаллической решётки кремния, вероятно, что фотон, «попав» в атом кремния, выбьет из него электрон, родив пару электрон-дырка, но сказать точно, сколько фотонов родит пары, а, сколько пропадет с какими-то другими эффектами нельзя. Электрический сигнал, снимаемый с сенсора будет соответствовать количеству рождённых пар. Снимаемый сигнал с сенсора при заданных выдержке и диафрагме (интенсивности света) будет определять квантовая эффективность — среднее число рождаемых пар электрон-дырка.
  4. Из-за наличия дефектных (не работающих) пикселей, которые возникают при производстве фотосенсоров (несовершенство технологии) и всегда находятся в одном и том же месте. Для устранения их негативного влияния используются математические методы интерполяции, когда вместо дефектного «подставляется» либо просто соседний элемент, либо среднее по прилегающим элементам, либо значение, вычисленное более сложным способом. Естественно, что вычисленное значение отличается от фактического и ухудшает резкость конечного изображения. Этот же дефект вносит интерполяция, корректирующая конечное изображение, при использовании фильтра Байера.
  5. Из-за гамма-коррекции. Гамма-коррекция может осуществляться в электронном тракте или в процессоре. Наш глаз имеет логарифмическую чувствительность к свету, а фотосенсоры — линейную, поэтому слабые сигналы усиливаются больше, чем сильные, чтобы изображение имело привычный для человека вид. Часто для этого (и для некоторых других целей) используют таблицы перекодировки, определяющие соответствие входного и выходного сигналов.

Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio , сокр. SNR ) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.

где P — средняя мощность, а A — среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.

Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.

S N R ( d B ) = 10 log 10 ⁡ ( P s i g n a l P n o i s e ) = 20 log 10 ⁡ ( A s i g n a l A n o i s e ) =10log _<10>left( > over P_ >>right)=20log _<10>left( > over A_ >>right)>

Основные причины низких шумовых характеристик

Основные причины высокого уровня шума в сигнальных системах:

  • рассогласованные линии передачи сигнала,
  • тепловой шум и дробовой шум в компонентах системы,
  • недостаточная разрядность АЦП,
  • резонансные явления,
  • паразитные связи (паразитная ёмкость),
  • самовозбуждение системы,
  • нелинейность передаточных характеристик [уточнить] .

Методы улучшения характеристик

Чаще всего улучшения шумовых характеристик системы можно добиться правильным согласованием входов и выходов её составных частей. Тогда паразитная ЭДС помехи, включённая последовательно с высоким внутренним сопротивлением источника шума будет подавлена.

Снижение собственных шумов усилительного тракта (малошумящие усилители) достигается соответствующими схемотехническими решениями, в частности применением активных и пассивных компонентов с низким уровнем шума.

Если спектр полезного сигнала отличается от спектра шума, улучшить отношение сигнал/шум можно ограничением полосы пропускания системы.

Шум квантования устраняется повышением разрядности АЦП.

Для улучшения шумовых характеристик сложных комплексов применяются методы электромагнитной совместимости.

Измерение

В аудиотехнике отношение сигнал/шум определяют путём измерения напряжения шума и сигнала на выходе усилителя или другого звуковоспроизводящего устройства среднеквадратичным милливольтметром либо анализатором спектра. Современные усилители и другая высококачественная аудиоаппаратура имеет показатель сигнал/шум около 100—120 дБ.

В системах с более высокими требованиями используются косвенные методы измерения отношения сигнал/шум, реализуемые на специализированной аппаратуре.

В звукотехнике

Отношение сигнал/шум — параметр АЦП, ЦАП, микшера, микрофонного, предварительного или оконечного усилителя, например усилителя активных колонок. Он показывает, насколько сильно шумит звуковое устройство (обычно от 60 до 135,5 дБ) при отсутствии сигнала. Чем выше значение сигнал/шум, тем более чистый звук и больший динамический диапазон обеспечивается системой. Для музыкальных целей желательно, чтобы этот параметр был не менее 75 дБ, а для систем с высококачественным звучанием не менее 90 дБ. Телефонный речевой канал имеет С/Ш около 30 дБ.

В видео

Отношение сигнал/шум — отношение уровня электрического сигнала к уровню шума этого сигнала, численно определяет содержание паразитных шумов в сигнале. Чем больше значение отношения сигнал/шум для видеосигнала, тем меньше помех и искажений имеет изображение на экране монитора. Значения отношения от 45 до 60 дБ соответствуют приемлемому качеству видеосигнала, значение менее 40 дБ означает высокий уровень шумов в видеосигнале и, как следствие, низкое качество видеоизображения.

См. также

  • Шумопонижение
  • Шум квантования
  • PSNR
  • SFDR
  • Коэффициент шума (шум-фактор, фактор шума)

На других языках

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here).
Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.

Пять мифов цифровой фотографии

Мифы и заблуждения живут либо потому, что они удобны, либо потому что никто просто не берет на себя труд развеять их.

В фотографии многие мифы возникли из-за попыток провести неприемлемые аналогии между пленочной и цифровой технологиями получения изображений. Это совсем не удивительно, особенно учитывая сложность процесса получения и обработки цифровых изображений. Но о самых распространенных мифах стоит поговорить подробнее.

by Talía Téllez

Миф 1: Изменение значения ISO меняет чувствительность

В отличие от фотографических пленок, матрицы цифровых фотоаппаратов имеют всего одну чувствительность. Изменение значения ISO на цифровом фотоаппарате не делает матрицу чувствительнее (т.е. захватывающей большее количества света). Матрица способна отработать один уровень сигнала независимо от выставленного ISO; повышая значение ISO, вы просто заставляете фотоаппарат усиливать сигнал, усиливая одновременно и сопровождающий его шум. Процесс сродни повышению громкости при проигрывании записи музыки низкого качества. Звук становится громче, но качество остается по-прежнему паршивым.

Развеять этот миф очень просто: нужно солнечным днем снять два кадра – один на низком значении ISO, другой – на высоком.

Фотонов в солнечный день в избытке, но на высоких значениях ISO матрица регистрирует меньше света, давая пикселям обманчивую команду, что они переполнены, когда на самом деле это не так. При увеличении ISO уменьшается динамический диапазон, а шум становится более заметным, что приводит к снижению качества изображения.

Некоторые недавние модели фотоаппаратов оснащены технологией «инвариантного ISO», позволяющей матрице записывать один невысокий уровень шума независимо от выставленного значения ISO. Это позволяет фотографам в сценах с высокой контрастностью сохранять детали в светах и вытягивать тени при постобработке, хотя исходное изображение может выглядеть явно недоэкспонированным.

В итоге: законы физики не изменить и высокие значения ISO приводят к шумному изображению. Новые технологии, такие как инвариантность ISO, обеспечивают фотографам больше возможностей для сохранения динамического диапазона.

Миф 2: Чем выше битность, тем выше качество изображения

Битность изображения зависит от способностей аналого-цифрового конвертера фотоаппарата. Чем выше битовая глубина, тем на большее число мелких единиц может быть разделена информация, что обеспечивает более гладкие тональные переходы. Казалось бы, если современные фотоаппараты имеют 14-битные A/D-конвертеры, обеспечивающие 16384 градаций, то почему бы не построить 16-битные или даже 24-битные конвертеры для еще более плавных переходов? Проблема кроется не только в резко увеличивающемся из-за обилия информации размере файлов: есть еще и порог «убывающей доходности», за которым рост плавности переходов нивелируется увеличившимся количеством шума.

Ох уж этот шум! Он везде. Он начинается с шума, записываемого матрицей при съемке кадра (кадровый шум). К нему добавляется шум, появляющийся в цепи обработки сигнала (шум считывания, темный шум и т.д.). Если вы попытаетесь нарезать сигнал на мелкие блоки (с большей битовой глубиной), и эти блоки будут меньше шума, то никакого прироста качества не произойдет.

Пусть аналогия не совсем корректна, но вы не задумывались, почему Олимпийские соревнования по плаванию судят с точностью до 1/100 секунды? В заплыве на 50 м вольным стилем пловец за одну тысячную секунды проплывает около 2.39 мм. Но олимпийские правила допускают разницу в длине дорожек бассейна в 3 см. Поэтому, хотя устройства хронометража способны фиксировать много меньшие промежутки, вы не сможете гарантировать, что серебряный медалист не проплыл большее расстояние, чем золотой. Допуски в длине дорожек бассейна сродни шуму. Нет смысла в записи мельчайших нюансов, если вы не можете обойти проблему шума.

В итоге: погоня за битовой глубиной сродни погоне за мегапикселями. Стремление к наивысшему качеству изображения не сводится лишь к одной из переменных.

Миф 3: Для каждого кадра существует идеальная экспозиция

Нет, однако, для каждого существует оптимальное отношение сигнал-шум (SNR).

Снимая в контровом свете можно пожертвовать задним планом, но правильно проэкспонировать объект, а можно оставить только силуэт. И тот, и другой вариант имеет право на жизнь, а выбор между ними зависит от задумки фотографа. Поэтому правильность экспозиции субъективна, но с технической точки зрения всегда нужно стремиться к наилучшему соотношению сигнала и шума (SNR). Звучит занудно, но чем сильнее SNR, тем больше у вас возможностей для последующей обработки изображения. Это особенно актуально для фотографов, которые экспонируют по светам (экспонируют вправо).

Как правило, экспонометр меряет, исходя из 18% серого, что не всегда соответствует экспонированию по светам

Ричард Батлер из DPReview писал: «Невозможно на уже снятом кадре улучшить соотношение сигнал-шум любого тона. Ухудшение возможно, так как добавляется электронный шум, но любая попытка усиления сигнала приводит в конечном итоге к росту шума на равную величину и соотношение остается неизменным. Именно поэтому настолько важно первоначальное экспонирование».

Даже если экспонированное по светам изображение может казаться излишне светлым, на самом деле лучше записать изначально оптимальный сигнал и затем снизить яркость (или скорректировать ее кривыми) при постобработке.

В итоге: хотите добиться наилучшего качества изображения? Снимайте в RAW на базовой для вашего фотоаппарата чувствительности ISO и экспонируйтесь вправо (по светам).

Миф 4: Эквивалентное фокусное расстояние на матрицах разных размеров не эквивалентно

Из-за существования матриц самых разных размеров, фотографы стали одержимы «эквивалентностью» – как этот фотоаппарат и объектив выглядит в сравнении с традиционными 35 мм? Большинство знают, что если матрица имеет кроп-фактор 2 (стандарт Micro4/3), нужно умножить фокусное расстояние объектива на 2, чтобы получить его эквивалент для полного кадра. Менее известно, что для получения эквивалентной глубины резкости нужно умножать и диафрагму. Объясняет Тони Нортрап.

Размер матрицы влияет на глубину резкости: чем больше размер, тем меньше глубина резкости. Поэтому, чтобы добиться глубины резкости, эквивалентной объективу 100 мм f/5.6 на полном кадре, на фотоаппарате микро43 нужен объектив 100 мм f/2.8.

В итоге: если важна малая глубина резкости, выбирайте матрицу большего размера и светосильный объектив.

Миф 5: Чем больше размер пикселя, тем выше качество изображения

Это справедливо для съемки в условиях низкой освещенности: более крупные пиксели, как правило, имеют более высокий SNR, так как они способны захватить больше света. Обратной стороной выступает снижение разрешения (то есть, количества пикселей, отражающих объект съемки). Интересно, но оказывается, что в ярко освещенных сценах меньшие пиксели имеют более высокий SNR и лучшую разрешающую способность.

Хотя датчики изображения, используемые для астрофотографии, имеют крупный пиксель (размер пикселя матрицы Кодак KAI 11002, используемой в фотоаппарате Atik 11000, равен 9μM), у большинства современных полнокадровых зеркальных фотоаппаратов размеры пикселя около 5-6.5μM. В противоположность этому размер пикселя датчиков изображения, используемых в микроскопии, может достигать 24μM, а пиксель 100-мегапиксельного цифрового задника Phase One имеет размер 4.6μM. Производители фотоаппаратов выбирают размер пикселя для конкретных приложений и выбор всегда основан на компромиссах.

Размер пикселя цифрового задника Phase One невелик, но его матрица огромного размера собирает гораздо больше света, что обеспечивает высокое качество изображения

Таблица ниже показывает, что размер пикселя вряд ли является определяющим фактором качества фотографии, если только речь не идет о работе в условиях низкой освещенности

Камера и размер пикселя в µM

Судить о качестве изображения лучше, отталкиваясь от размера матрицы и используемой диафрагмы. Проще говоря, при заданном фокусном расстоянии и значении диафрагмы, фотоаппарат с матрицей большего размера собирает гораздо больше света, чем модель с матрицей меньшего размера. Больше света, сильнее сигнал. Лучше соотношение сигнал-шум – выше качество изображения.

Многие владельцы фотоаппаратов среднего формата утверждают, что крупный пиксель, большая битность и высокое разрешение обеспечивают превосходство в качестве изображения. Вероятнее, причина в том, что на том же фокусном расстоянии и при равной экспозиции большая матрица в сочетании с большим входным зрачком (и объективами, предназначенными для таких матриц) просто захватывает гораздо больше света, чем модели 35 мм.

В итоге: не слишком беспокойтесь о размере пикселей. Гораздо важнее то, как вы их используете.

Аллен Мурабаяши, выпускник Йельского университета, является председателем и одним из основателей ресурса PhotoShelter, на котором регулярно публикуются материалы для фотографов

Астрофотография: как улучшить отношение сигнал/шум

Простыми словами, чем больший сигнал вы соберёте, тем лучше будут фотографии. Вы должны рассматривать это как задачу номер один в асторофотографии: соберите как можно больше сигнала!

В цифровой фотографии есть несколько путей для этого:
• экспонируйте отдельные кадры с наибольшими возможными экспозициями;
• комбинируйте много отдельных экспозиций;
• при заданном фокусном расстоянии используйте большую апертуру;
• используйте приёмник с большей квантовой эффективностью.

Поскольку сенсор в нашей камере, или апертура телескопа — это обстоятельства, которые не так легко поменять, остаётся использование более длинных эффективных экспозиций. Больший сигнал означает большее отношение S/N.

Чтобы записать больший сигнал комбинированием многих изображений с малыми экспозициями, эквивалентными одному кадру с большой экспозицией, мы должны сначала выяснить, что такое «правильная» экспозиция для отдельного снимка. При слишком большой экспозиции света (highlights) могут быть передержаны. При слишком малой сигнал потонет в шуме.

Правильная экспозиция будет меняться в зависимости от оборудования и места съёмки. Вы не сможете использовать длинные выдержки на засвеченном небе, но вы сможете комбинировать множество более коротких.

Чтобы определить корректную экспозицию для DSLR-камеры, сделайте несколько пробных снимков и посмотрите на гистограммы. Гистограмма — это график, показывающий сколько пикселей изображения имеют каждую данную яркость. Прочитайте инструкцию к камере, чтобы узнать, как показать гистограмму на дисплее камеры. Гистограмма — наилучший диагностический инструмент, встроенный в вашу камеру, и это стандартный инструмент во всех программах обработки изображений.

Она показывает отметки самых тёмных пикселей в левой части диаграммы, и ярчайшие пиксели в правой. Шум обитает в тёмной части. Экспонируйте кадр с выдержкой, достаточно длинной, чтобы пик гистограммы был удалён от левого края. Если какая-либо деталь изображения будет недодержанной и тёмной, она потеряется в шуме. (Здесь подразумевается шум считывания; он не зависит от экспозиции, и если она коротка, амплитуда шума перекроет и фон неба, и слабые детали на нём.)

Большая часть пикселей на астрономическом снимке записывает фон неба, и он представлен «горой» на уровнях гистограммы. Вам требуется экспонировать так, чтобы пик этой «горы» располагался где-то на расстоянии 1/4. 1/3 ширины диаграммы от её левого края. Однажды достигнув такого условия со своим оборудованием, вы сможете использовать одни и те же параметры экспозиции для всех объектов, исключая только самые яркие. Ставьте максимальные значения чувствительности, такие как 800 или 1600 ISO для снимков «глубокого неба».

Вы, вероятно, уже читали, что большие значения ISO дают большой шум на обычных дневных снимках. Это так, но для длинных экспозиций, необходимых при съёмках дип-скай объектов, большое значение ISO даст лучший результат.

Определив однажды идеальную экспозицию, снимайте столько световых кадров, сколько можете. Например, я снимаю с 5-дюймовым рефрактором с относительным отверстием f/8 в месте с относительно тёмным небом. Обычно я ставлю значение ISO 1600 и экспонирую отдельные кадры с выдержкой 5. 10 минут. Рекомендую снимать в режиме RAW, поскольку сжатие JPEG отбрасывает часть данных на каждом из изображений, ради которых вы потратили всю ночь. Однако надлежащая калибровка может всё же значительно улучшить JPEG-изображения. (Вообще надо всеми силами избегать использования JPEG-формата, за исключением требований предельной скорости съёмки для быстропротекающих явлений. Но ночные снимки — это обычно не тот случай. Разумным критерием может служить соотношение величины искажений, вносимых этим форматом, и естественным шумом. В случае вынужденно недоэкспонированных или переэкспонированных кадров JPEG безвозвратно искалечит то, что можно как-то «вытащить» из RAW-кадра.)

Описанные простые шаги сильно улучшат качество получаемых изображений. Делая калибровочные кадры и правильно применяя их к световым кадрам, вы значительно уменьшите различные нежелательные помехи. Найденная правильная экспозиция для имеющегося комплекта оборудования поднимет детали изображения над шумом (считывания), а комбинирование большого количества отдельных снимков увеличит суммарное отношение S/N. Каждый из этих шагов представляет незначительное улучшение, но взятые вместе, они дадут большой выигрыш и позволят получить изображение с высоким отношением сигнал/шум, которое можно будет затем обрабатывать и проще, и эффективнее.

Ссылка на основную публикацию