О матрицах простым языком, Гл.3. ISO и Шумы | Foto-kadr.ru

О матрицах простым языком, Гл.3. ISO и Шумы

О матрицах простым языком, Гл.3. ISO и Шумы

Шумы матрицы. Прежде чем перейти к шумам, давайте поговорим про чувствительность матрицы. Наверное вы помните как покупали фотопленку для вашего старого фотоаппарата, смотрели на значение светочувствительности на коробочке, так называемое ISO (тогда общедоступная пленка имела значение ISO от 100 до 400).

Высокая светочувствительность помогала нам снимать в более темных местах, в замен этого плюса мы получали некоторую зернистость на фото. Это и есть шум. Точно так же и обстоят дела с матрицами цифровых фотоаппаратов, которые имеют свою светочувствительность. Светочувствительность — это параметр показывающий, насколько чувствительна матрица к количеству попадающего на нее света. Да, скажете вы, видели мы там этот параметр ISO, который можно изменять. Отвечу вам, да изменять то можно, но светочувствительность у матрицы одна, а увеличение ISO это функция усиления сигнала получаемого от света, который упал на матрицу при съемке. И такое усиление ведет к шумам, и чем меньше матрица по своему физическому размеру тем больше будут заметны эти шумы. Каждый фотоэлемент («пиксел») матрицы при усилении сигнала начинает производить электрические помехи, которые могут влиять на соседние «пикселы». В матрице большего размера фотоэлементы находятся дальше друг от друга и их сигналы в меньшей степени мешают друг другу, отсюда и меньше шумов. И если сравнить шумы, которые всплывут на фото сделанные цифрокомпктом («цифромыльницей») с маленькой матрицей в которой много мегапикселей с шумами на таком же фото снятом на зеркалку с большой матрицей. ух, даже писать об этом не хочется, смотрим сами.

Слева фотографии сделанные компактной фотокамерой Olympus серии M (формат матрицы 1/2.3 »), справа фотографии сделанные бюджетной любительской зеркальной камерой Canon 450D (формат матрицы APS-C). Думаю вы сразу все поняли на этом примере.

При низкой чувствительности (до 400 едениц) фотографии с компакт камер имеющих маленькую матрицу практически «не шумят», но вот если ISO выставить больше 400, то шумы уже отчетливо видны. В отличие от фотокамер с большой матрицей, где шумы терпимы и на ISO 1600. На полноформатных матрицах шумы незаметны и на более высоких ISO.

Так же шумы начинают вылазить при больших выдержках (длительное облучение матрицы светом (экспонирование) при съемке ночных сцен).

Следовательно, образно выражаясь, от матриц бОльшего размера будет меньше шума, чем от матриц меньшего размера, и кол-во мегапикселей здесь особой роли не играет.

Можно дать пару советов как уменьшить появление шумов, это:

  • Без необходимости не снимать на высоких ISO
  • Не снимать с большими выдержками

Но эти советы из ряда «Купив машину — не катайтесь на ней». Ведь если есть хороший кадр, но для его реализации надо принебречь этими советами, то смело принебрегайте и снимайте. Если кадр стоящий, а фотография «шумит», то можно попробовать их побороть, т.к. нынешние программные средства по борьбе с шумами ушли давольно далеко вверх. Но об этом мы поговорим. В разделе «Уроки по обработке фотографий»

Заблуждение. «Высокие ISO – шумные! Больше ISO – больше шум!»

Одним из самых распространенных заблуждений среди (цифровых) фотографов является такое:

Высокие ISO – шумные! Больше ISO – больше шум!

Это – очень вредное заблуждение (которое, в частности, загубило часть моих ночных кадров), типичный случай перестановки причины и следствия. Хуже всего то, что это заблуждение проникает во всякие фотографические курсы и ранит неокрепшие души фотографов-новичков.

Давайте разбираться на конкретных примерах.

Говорить о влиянии ISO имеет смысл, если мы зафиксировали остальные параметры, а именно:

  • Снимаемую сцену и ее освещение, чтобы можно было нормально сравнивать
  • Экспозицию (количество света, попадающего на сенсор/отдельный пиксель), а именно
    • Выдержку
    • Диафрагму

Обычно в тестах так не делают, вместо этого фиксируют сцену и освещение и начинают перемещаться по треугольнику экспозициии, таким образом, путают естественный шум самого сигнала (о котором мы чуть подробнее поговорим позже) с шумами, создаваемыми камерой («за счет повышения ISO»). Мы эту ошибку повторять не будем.

В интернете уже есть приемлемо аккуратно снятые примеры и там уже все ясно без слов. Вот, к примеру, скриншот с DPReview (тест Canon 5D Mark IV, страница про ISO invariance, но я покликал по странице и загрузил тестовые файлики от Canon 6D, где разница видна получше):

Это 4 кадра одной сцены с одинаковой освещенностью, показан один и тот же фрагмент Color Checker, снятый с одной парой выдержка/диафрагма, но на разных ISO (и далее яркость приведена к одинаковой при процессинге). Как мы видим, чем выше ISO – тем меньше шум (при «прочих равных»!).

Совершенно аналогично ведет себя Sony A7S:

Да, ISO100 (+6 в конверторе) выглядит получше, чем у 6D, но это мы и так подозревали (мегапикселей поменьше, отдельный пиксель — покрупнее, ну и вообще шумит A7S тоже меньше 6D).

Справедливости ради: мы знаем, что изрядный вклад в шум вносит постпроцессинг (raw-конвертор или прошивка камеры). На скриншотах DPReview мы видим результаты этого процессинга, которые могут быть (мягко говоря) «не оптимизированы» для больших движений слайдера экспокоррекции.

Имеет смысл смотреть непосредственно на RAW-данные (при помощи RawDigger), например просто на стандартные отклонения на плоских плашках, благо все RAW-файлы доступны для скачивания.

Однако примеры с DPReview имеют два недостатка:

Сцена освещена недостаточно равномерно:

Это хорошо видно прямо в браузере, правый край светлее левого:

При анализе маленьких патчей (и их сравнении) это, скорее всего, неважно, но пуристы могли бы придраться.

Есть единственная экспозиция — вот эта претензия, по мне, важнее: мы можем посмотреть зависимость шума от ISO, но не можем зависимость шума от количества света.

Поэтому я попросил Илью Борга, благо у него все готово в студии для съемки мишеней, снять набор тестовых кадров. Вот таких:

Для проверки равномерности освещения, я накидал «самплов» (RawDigger-а) по верхнему краю колочекера (по рамке):

И вот как выглядят эти замеры:

Если смотреть, к примеру, на зеленый канал, то там разброс среднего от 1001 до 1099 т.е. +-5%, то есть чуть больше 1/15 фотографического стопа (можно было бы оценить, насколько такой разброс объясняется естественной дисперсией постоянного сигнала, но я не буду, точность в любом случае более чем достаточная)

В эксперименте 8 кадров:

  • 4 пары с разной экспозицией, 1/50, 1/100, 1/200 и 1/400, f/5.6
  • В каждой паре одно значение ISO «нормальное» (соответствует выбранной экспозиции и освещению), а второе – на 3 стопа ниже (т.е. будет – для этого ISO – три стопа недодержки).

Я взял самый темный квадратик на ColorChecker, расположил на нем Selection (RawDigger-а) и смотрю на сигнал и шум в синем (самом шумном) канале:

Отношение среднего значения (Avg) к стандартному отклонению (σ) – это отношение сигнал-шум.

Результат замеров приведен на графике:

  1. При одной и той же экспозиции, более высокое значение ISO дает меньший шум (отношение сигнал/шум – выше). Разница не очень большая (кроме пары 100/800), но всегда в одну сторону
  2. График «для высокого ISO» начинается с ISO800 (слева), а для «низкого ISO» — заканчивается на ISO800 (справа). При этом S/N отличается практически втрое (что ожидаемо, экспозиция в 8 раз ниже).
  3. Кроме того, для низких ISO присутствует артефакт, шум на 1/50-ISO100 практически такой же, как на 1/100-ISO200, несмотря на то, что исходный сигнал – вдвое выше. Такое бывает, такое мы видали и на, к примеру, Canon 6D (и, пожалуй, в еще более выраженной форме, там на ISO200 /и экспонировании «по экспонометру» т.е. вдвое меньшем количестве света/ тени даже чище, чем на ISO100. А для данной камеры – они «примерно такие же».
    Вот данные sensorgen.info, действительно на ISO100 шум чтения (см. ниже) у Nikon Df вдвое выше, чем на ISO200.

Таким образом, при одной и той же экспозиции, использование более высоких значений чувствительности дает лучшее отношение сигнал/шум т.е. более чистый снимок.

Объяснение у данного феномена достаточно простое:

  • Суммарный «шум на снимке» — это смесь шумов из нескольких источников, в частности:
    • Фотонного шума (или shot noise) – это свойство самого сигнала (потока фотонов)
    • «Шума чтения» (read noise) – шум, возникающий при оцифровке сигнала.
    • «Теплового шума» — пропорционального длительности выдержки.
  • У фотонного шума отношение S/N будет равно корню квадратному из количества попавших на пиксель фотонов (точнее, из количества образовавшихся электронов). При одинаковой экспозиции («произведении» выдержка*диафрагма) – эта составляющая будет одинаковой.
  • Шум чтения – как правило уменьшается при увеличении значения ISO
  • Тепловой шум – при одинаковой выдержке будет, опять же, одинаков. Так как мы, в данном примере, управляли экспозицией путем уменьшения выдержки, то при движении по графику слева направо (в сторону укорочения выдержки), тепловая составляющая должна уменьшаться, но при таких выдержках она настолько невелика, что это никак не должно быть заметно (вот оценки теплового шума для Sony A7R-II для этой камеры ростом теплового шума на выдержках до четверти секунды можно смело пренебречь даже на высоких значениях ISO).

Светочувствительность матрицы. ISO на примерах

23 февраля 2014 by Alexey

Здравствуйте уважаемые читатели моего сайта! Сегодня поговорим про такой важный параметр, как ISO и как этот параметр влияет на шумы?

Раньше, когда цифровые фотоаппараты не были столь популярны, под ISO понимали светочувствительность пленки. Фотографу приходилось постоянно иметь в запасе несколько ее типов: более светочувствительную для съемок в помещении, другую для солнечных зарисовок. Много кадров терялось, так как после изъятия пленки из фотоаппарата дощелкать их потом уже было нельзя.

Сейчас все просто, вместо фотопленки в зеркальном фотоаппарате мы имеем цифровую матрицу. Подробнее про эквивалент фотопленки я писал в прошлых статьях. Однако, говорить про ISO как про светочувствительность матрицы фотокамеры не корректно. Чувствительность матрицы величина постоянна, как и ее разрешение! А вот ее восприимчивость к свету зависит от усиления сигнала электроникой фотоаппарата и программной обработкой.

Светочувствительность фотопленки и матрицы фотоаппарата — это не одно и тоже!

В настройках цифрового фотоаппарата значение ISO можно задавать вручную. Например в моем Nikon d5100 его разрешено выставлять в диапазоне от 100 до 3200. Есть еще 2 значения супер ISO — Hi1 и Hi2, но уровень шумов на них зашкаливает.

Как работать с ISO?

Из фотографии сверху достаточно понятно, что если недостаточно света на фотографии, то устанавливаем ISO больше и наооборот, если все засвечено, то меньше. Правда, есть важный нюанс, безболезненно увеличивать «светочувствительность» матрицы не получится, поэтому читаем статью до конца.

Рассмотрим влияние параметра ISO на примере

Мной проделан небольшой эксперимент. Съемка зеленого автомобильчика велась со штатива Era Pro ECSA 3770 при равных условиях в режиме приоритета диафрагмы. Следовательно, после моей установки значения ISO, автоматически выставлялась длительность выдержки. Внимательно смотрим на изображение снизу, как изменяется количество шумов.

Несложно заметить, что шумом на фотографии с ISO 100 значительно меньше, чем на остальных, особенно, чем на Hi2, поэтому стараемся фотографировать на низких значения параметра. Но не всегда такое возможно. Например, на вечеринках, выступлениях, ночных съемках приходиться вставлять более высокий параметр «светочувствительности» матрицы, чтобы хоть что-то было видно на фотографии.

Отчего же появляются шумы на снимке?

Цифровая матрица — это сложная схема, состоящая из фотодиодов и других узлов электроники, поэтому при усилении полезного сигнала усиливаются и дефекты изображения.Так что, чем лучше инженеры компаний по производству фотоаппаратов позаботились об алгоритмах обработки параметра ISO, тем качественнее будут снимки, но и стоимость зеркального фотоаппарата вырастет. При этом, чем шире диапазон возможных значений, тем проще фотографу играть настройками во время процесса съемки.

На практике бывает экономически выгодно использовать более высокие значения ISO. Например, фотографируя внешней вспышкой, можно завысить значение «светочувствительности матрицы», но при этом снизить мощность вспыхивания. При таких настройках увеличивается срок службы импульсной лампы, находящейся во вспышке, потому что она работает в более щадящем режиме, а изменение ISO со значения 100 до 400 бывает не всегда заметно глазу.

Если у Вас возникли вопросы или Вы с чем-то не согласны, то прошу оставить свой комментарий.

Размеры матрицы фотоаппарата и шумы.

В предыдущей статье говорилось о том, что матрица фотоаппарата характеризуется прежде всего таким важным параметром, как физический размер матрицы . Этот параметр напрямую связан с величиной шумов матрицы.

Шумы матрицы фотоаппарата.

Давайте разберемся что-такое шумы и какую роль они играют в цифровой фотографии. А роль эта весьма существенна и порой ставит под сомнение преимущества цифровой фотографии вообще.

Шумы свойственны любым электронным устройствам, а цифровой фотоаппарат — это достаточно сложное электронное устройство.

Шумы в электронике — это случайные выбросы на фоне основного сигнала, несущего информацию. Источники их появления различные: флуктуации электромагнитного поля, космическое излучение, внутренние явления в электронных устройствах, в частности тепловое движение электронов. Источники весьма разнообразны, выявить их непростая задача. Но наиболее сложно влиять на причины внутренние, присущие любым полупроводниковым элементам.

Важным показателем является такой параметр, как отношение сигнал/шум. Это и есть тот фактор, на который воздействуют в электронике. Он показывает насколько уровень полезного сигнала превышает уровень шумов. В электронных устойствах происходит усиление слабых сигналов, и если их уровень соизмерим с уровнем шумов, то и шумы будут усиливаться в той же мере, и толку от такого усиления мало.

Светочувствительная матрица фотоаппара может изготавливаться по разной технологии. В основном в настоящее время производится два типа светочувствительных сенсора :

    CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor – комплементарная структура металл-окисел-полупроводник), в русской транскрипции КМОП-элементы;

CCD ( Chardged Couple Devices -приборы с зарядовой связью, в русской транскрипции ПЗС-элементы.

Чем больше площадь светочувствительной матрицы, тем больше размер отдельных ячеек (пикселей), тем меньшее количество света необходимо, чтобы в них создать необходимый электрический сигнал, который затем преобразуется в элемент изображения. Значит тем более чувствителен к свету такой сенсор. Но и отношение сигнал/шум у такого элемента больше, что и требуется. Таким образом большие по размерам матрицы выигрывают и по параметру отношения сигнал/шум, или попросту по шумам.

В чем проявляются шумы на изображении, получаемом цифровым фотоаппаратов.

Шумы обычно проявляются в виде мелких точек ( артефактов ), другого цвета, чем окружающие, особенно это заметно в теневых участках снимка. Могут появляться цветовые ореолы вокруг контура изображения.

Вот пример снимка, вобщем интересный вид на грозовые облака на закате:

Но снимок подвергся критике из-за шумов. Действительно, если рассмотреть в увеличенном масштабе фрагмет кадра:

И особенно в теневых участках:

Можно видеть наличие точек другого цвета, которые мешают восприятию снимка.

Конечно можно и кое-что сделать в редакторах изображений, в частности в фотошопе. Но не всегда это приводит к положительным результатам. Это почти всегда ведет к ухудшению резкости, «замыленности» фотографии:

В принципе шумят все камеры, но в разной степени.

Большая по размерам матрица фотоаппарата в отношении шумов явно предпочтительнее.

Чем больше величина чувствительности ISO, которая устанавливается в регулировках фотоаппарата, тем больше уровень шумов. Это вызвано тем, что реальную чувствительность непосредственно матрицы фотоаппарат выдает лишь на минимальных ее значениях. Большие значения ISO обеспечиваются усилением сигнала с матрицы. При этом усилитель усиливает шумы матрицы и вносит свои. Поэтому для получения меньших шумов снимать нужно на меньших величинах ISO.

Так если взять за основу чувствительность матрицы APS-C 23 х 15мм (фотоаппараты типа Canon D60 ) 400 – 600 ISO, то у матриц 2/3″ реальная чувствительность при сопоставимом уровне шумов будет 150 ISO, у матриц 1/1,8″ – 100 ISO, а у матриц 1/2,7″ – 50 ISO.

Понятно, почему профессионалы предпочитают работать с фотокамерами, имеющими большие матрицы. Так фотоаппарат Canon EOS 500D имеет матрицу размером 22,3 х 14,9 мм ( площадь 330 мм 2 ) сравните с хорошими компактами, имеющими матрицы 1 / 2,5 “ — 5,76 х 4,29 мм ( площадь 25мм 2 ) .

Правда большие матрицы как правило бывают в дорогих фотокамерах…

А реальная чувтсвительность фотопленки (при большей разрешающей способности) достигает 3200 ISO, а есть примеры и большей чувтсвительности, причем фотопленка совершенствуется . И такая чувтствительность и такое разрешение пока недостижимо для цифровых фотоаппаратов.

Вопросы уменьшения шумов на изображении при обработке его в фотошопе прекрасно рассмотрены в видеоуроках Евгения Карташова, с которыми можно познакомиться здесь .

Но величина шумов матрицы связана еще и с чувствительностью фотокамеры.

Матрицы. Мегапиксели. Шумы — легенды и мифы

Долго читал всевозможные отзывы и обзоры матриц — их пиксельности и соответственно шумности. Все очень любят забрасывать камнями новинки, помню при появлении Canon 50D массу отзывов на всех форумах типа «матрицу оставили ту же, мегапикселей больше, она же сильно шумит!». И тем не менее поплевались и перешли со своих сороковок на более новую модель.

Именно поэтому и появилось желание написать подробную и логичную статью, в которой объяснились бы все аспекты размеров матрицы, её мегапиксельности и влияние всего этого на появление шумов.

И так, что такое сама матрица, как она работает и откуда, ну и собственно из-за чего появляются шумы? Давайте разберём по-порядку.

Матрица представляет собой светочувствительный электронный прибор, фиксирующий цвет луча света и его длину с интенсивностью. Всего этих лучей составляющий любой цвет три — стандарт RGB (Red, Green, Blue). Далее эта информация считывается с неё процессором и создаётся уже само изображение. Тут вроде всё понятно, школьная физика. Далее о шумах.

Мы все во всех обзорах и характеристиках видели параметр ISO 100-3200 (ну или другие циферки, смысл сейчас не в этом). На самом деле матрица имеет всего одно значение светочувствительности — минимальное (в данном примере эти 100), всё остальное достигается путём усиления электронного сигнала уже на самой матрице процессором. Как побочный эффект этого усиления и есть шумы. Чёткого определения этому явлению дать, в принципе, невозможно, но под словом «шумы» подразумевается целый букет искажений — таких как «зернистость» и «лишние цвета» (обратите внимание на появление разводов и «пластилина» поверх цвета лица), уменьшение цветового охвата и динамического диапазона (снимок становится более одноцветным, серым и не может передать светлые и тёмные детали одновременно).

Далее о самом любимом параметре. МегапикселахJ. Что такое мегапиксел? Это количество светочувствительных элементов, из которых и состоит матрица. 22 mpx соответствует 22 000 000 элементам, из которых состоит данная матрица. Бытует два мнения, и, в принципе, оба они неполные и не совсем правильные. Первое мнение гласит, что чем больше мегапикселов, тем более шумная матрица, и вообще для печати А4 формата достаточно и 6 mpx, (а зачем больше?) что не является неправильным, но и частично оспариваемо. Второе мнение звучит примерно следующим образом: чем больше мегапикселов, тем чётче картинка, тем более прорисованы детали и всё-таки они нужны. Так как же на самом деле?

А на самом деле всё не намного сложнее, нужно просто немного поразмышлять, ну и естественно потестироватьJ. Не нужно отдельно мерить мегапикселы, матрицы и шумы, ведь всё это работает в связке, соответственно правда такова: буду рассказывать на примерах, так и мне удобнее будет, да и читателям, думаю, понятнее. Берём 2 матрицы (одного размера, от изменения размера всё мной рассказанное будет меняться этому размеру пропорционально) с разным количеством мегапикселей. Ну, для пущей разницы 24 Мп(рис.1) и 12 Мп (рис.2 соотв.). И видим следующую картину:

Исходя из данной схемы сразу понятно, что при одном и том же размере матрицы, при большей мегапиксельности физический размер пикселя меньше.

Приверженцы перво й теории о мегапикселах тут же закричат: да, но такая матрица будет больше шуметь! (точек то больше, значит процессору больше обрабатывать, значит и побочных шумов он выработает тоже больше). Что тоже является справедливым. Ну, а вторая сторона медали, это всё-таки меньшая точка, соответственно более чёткая и проработанная картинка. Идём далее. Берём эти 2 картинки (24 и 12 Мп) и открываем их на 100% размера на мониторе. Так как пиксель на мониторе, ну либо при печати имеет постоянное значение, то видеть мы будем следующее:

Ну а далее что происходит с нашей фотографией? Правильно. Мы её печатаем, ну либо храним на мониторе и показываем (независимо от источника хранения) нашим друзьям, родственникам, знакомым, сами любуемся…неважно. Важно то, что мы не рассматриваем её на 100%, а смотрим в уменьшенном варианте, и чем в больше, раз она уменьшена (а именно на 24Мп матрице кратность уменьшения будет больше), тем менее заметны на ней дефекты и шумы соответственно. Т.е. выглядеть это будет так:

Проведите эксперимент: возьмите любую свою «шумную» фотографию и попробуйте её уменьшить. Либо отойти от монитора подальше, эффект тот же: чем больше будете уменьшать тем меньше шумов — дефектов будете видеть. Поэтому я бы ввёл такое понятие, как «видимые шумы», которые действительно мешают жить. А те, что не видим, они вроде и есть, но не мешают…

Вывод в целом такой: неправильны оба вышеупомянутых мнения о мегапикселах и шумах. Да, шумов при увеличении мегапиксельности матрицы одного и того же размера больше при рассмотрении при 100%, но за счёт большего формата изображения и соответственно меньшего пиксела этих шумов видно меньше. То есть, не так уже и бесполезны эти миллионы пикселов…

Источник: Фотокомок — теория и практика фотографии (при копировании ссылка на источник обязательна)

Ликбез: вся правда о высоких значениях ISO

Шумы цифровых камер – вопрос сегодня очень актуальный. Как ведут себя разные камеры при повышении светочувствительности и на что ориентироваться при выборе камер?

Матрица современной фотокамеры – это цифровой аналог пленки. Небольшая микросхема прямоугольной формы, на которую через объектив проецируется изображение. Датчики сенсора – пиксели, преобразователи света в электрический сигнал, играют здесь ключевую роль. Чем больше физический размер пикселя, тем больше площадь, поглощающая свет и тем ниже уровень шумов на снимке. К тому же нужно учитывать, что во время работы датчики нагреваются, что также чревато появлением шумов. Именно из-за этого шумы проявляются при съемке на длинных выдержках.

Шумы проявляются на снимке в виде хаотически распределенных цветных пятен. Особенно сильно наблюдаются шумы в тенях. Также шум может проявляться в виде зернистости, почти как на высокочувствительной пленке – такого рода искажения почти не влияют на цветность и контраст фотографии и раздражают меньше всего (если, конечно, эта зернистость не присуща всем без исключения снимкам).

Цифровая фотография образована пикселами, каждый из которых – отдельный светочувствительный датчик

При выборе камеры число мегапикселей часто бывает убедительным аргументом в пользу определенной модели. Однако не стоит гнаться за мегапикселями, поскольку размеры пикселей и сенсора соответственно значительно важнее. Ведь чем больше пикселей размещено на матрице, тем меньше их размер и тем плотнее они расположены. Плотно «упакованные» датчики быстро нагреваются, и шумы могу появиться уже не минимальной чувствительности и при коротких выдержках. Поэтому старайтесь выбрать фотокамеру, у которой больше площадь матрицы – реальная чувствительность будет выше.

Наиболее низкий уровень шумов у полноформатных зеркальных камер с размером сенсора 36х24 мм (как у кадра 35мм пленки). Это такие камеры как Canon EOS Mark II 1Ds (16 Мп), Canon EOS 5D (12 Мп). Они прекрасно справляются с ISO 800, и даже при чувствительности ISO 1600 сделанные ими снимки выглядят очень неплохо.

Матрица зеркалок, таких, как, например, Canon EOS 20D, меньше пленочного кадра, она имеет размеры 22,5х15 мм, что также позволяет снимать на достаточно высокой чувствительности. Этот формат сенсора получил название APS-C. Конечно, они уступают камерам с полноформатной матрицей, но по сравнению с любыми компактными камерами результат будет намного лучше.

Справа – сенсор формата APS-C, слева – формата 2/3, а матрицы компактных камер обычно еще меньше

На сегодняшний день единственная в мире камера с несъемным объективом, которая имеет большую матрицу формата APS-C – это Sony R1. У нее уровень шумов при высокой светочувствительности сопоставим с уровнем зеркальных камер.

У подавляющего большинства компактных камер шумы дают о себе знать уже при чувствительности от 200 единиц ISO и выше. Так что, несмотря на возможность установить ISO 800, 1600 или даже 3200, можете забыть об этих значениях, так как картинка скорее всего будет просто непригодной для использования. Шумы, даже при короткой выдержке, становятся настолько сильными, что о детализации и верной цветопередаче можно забыть. Заявленная производителем высокая чувствительность на практике чаще всего оказывается просто нерабочей. Не доверяйте тому, что написано, доверяйте своим глазам! Посмотрите необработанные тестовые полноразмерные снимки, сделанные в разных условиях освещения и на разной чувствительности.

Однако не все компакты «не дружат» с высокой чувствительностью. У камер Fujifilm сенсоры изготовлены по собственной уникальной технологии. Благодаря конструктивным особенностям матрицы, уровень шумов действительно заметно снижен по сравнению с остальными типами сенсоров при тех же физических размерах. Чем это объясняется?

Традиционная фотопленка содержит кристаллы галогенида серебра различных форм – от высокочувствительных зерен с большой площадью поверхности, чувствительных даже к очень слабому свету, до низкочувствительных зерен с маленькой площадью поверхности, реагирующих на яркий свет. Технология Super CCD SR предлагает аналогичное «разделение труда», объединяя информацию с низкочувствительных и высокочувствительных пикселей. Разработанная Fujifilm матрица сочетает в себе большие высокочувствительные S-пикселы и более маленькие, соответственно менее чувствительные, R-пикселы, что расширяет динамический диапазон. Благодаря этому камеры Fuji неплохо справляются с высокими значениями ISO – 400, 800 единиц.

Fujifilm E900, ISO 800. Шум на снимке, конечно есть, но он не повлиял на цветопередачу и лишь немного ухудшил детализацию

А вот новейшая камера FinePix S6500fd позволяет менять чувствительность от ISO 100 до ISO 3200. Конечно, столь высокая чувствительность как 3200 вряд ли обеспечит вам приемлемую картинку. Но сомневаться в том, что камера прекрасно отработает на ISO 400, не приходится.

Но это только у камер Fuji! У остальных компактов высокая светочувствительность – очень слабое место. Например, у популярного ультразума Sony H5 максимально заявленная чувствительность ISO 1000. Но реально на практике камера начинает шуметь уже при ISO 400, и при более высоких значениях снимок точно потеряет всякую привлекательность. Точно так же шумы заметны при установке ISO 400 и у Canon PowerShot S2 IS. Во многих случаях вспышка помогает хоть как-то бороться с этой проблемой.

Ультракомпакты имеют наиболее худшие характеристики в любительском классе. Во-первых, у них матрица имеет самые меньшие размеры. Крошечный сенсор шумит, естественно, очень сильно. Во-вторых, оптика у них также крайне миниатюрная, что тоже не способствует повышению качества изображения. Хотя, конечно, на шумы оптика не влияет, за это ответственен только сенсор.

Sony T30, ISO 1000. На снимке хорошо заметен сильный цветной шум, именно из-за фотография получилась невыразительной, сероватой

Некоторое преимущество – у камер с оптической стабилизацией. Если в камере (или в съемном объективе зеркалки) имеется оптическая стабилизация, то это позволяет при нехватке освещения увеличить выдержку и не повышать значение ISO. Но оптический стабилизатор спасает только на две, максимум три ступени. И если у камеры маленький сенсор, то здесь даже стабилизация не очень поможет. Яркий пример – сверхпопулярная серия камер Panasonic Lumix FZ. Имеющаяся сегодня на вооружении у многих фотолюбителей FZ30 в целом очень хорошая камера, имующая массу достоинств: отличный дизайн, эргономика, функциональность, высокая детализация, цветопередача и т.д. Но главный минус этой прекрасной стильной камеры – ее шумы. Они очень заметны на изображении даже при низкой чувствительности, не говоря уже об ISO 400, когда шумы делают изображение просто неприемлемым для использования.

Всевозможные системы шумоподавления, встроенные в фотокамеру, не спасают от шумов. Зернистость они, конечно, сглаживают, но при этому ухудшается детализация, искажается цветопередача. Картинка выглядит неестественной, «подкрашенной». Реально качественного изображения на высокой чувствительности при таком подходе вы не получите. Лучше недодержать кадр на 1-1,5 ступени, а затем его «вытянуть» при обработке в графическом редакторе, чем получить шумную и в конечном итоге бесполезную картинку.

Определенные преимущества дает съемка в формате RAW, поскольку этот формат содержит больше информации. Снимок не проходит внутрикамерную обработку, собственно, поэтому этот формат и называется сырым. Снимки, записанные в RAW, гораздо проще «вытянуть» в специальном конвертере.

Обработка файла RAW в конвертере позволяет существенно снизить уровень шумов

Формат JPG предполагает сжатие с потерями и вносит искажения в изображение. Часть деталей при этом теряется. При сохранении в наивысшем качестве искажения почти не заметны на глаз, но при дальнейшем редактировании и сохранении файла он еще сжимается, данные снова теряются. Если предполагается обработка JPG-файла (например, нужно убирать шумы), то переконвертируйте файл JPG в графический формат, не вносящий искажений в исходную картинку, например TIFF.

При съемке на длинных выдержках также дают о себе знать «горячие пиксели». Это происходит по технологическим причинам. Матрицы у разных экземпляров одной и той же модели могут отличаться наличием в разных участках разной чувствительности, что становится заметным при длинной выдержке. Это хорошо видно при увеличении картинки. Причиной могут служить и крошечные пылинки, которые оседают на матрицу. Если поднять чувствительность матрицы, то «горячие пиксели» еще больше бросаются в глаза. Убрать их можно и обработкой изображения на компьютере. В некоторых камерах встроена функция Pixel Mapping: камера производит снимок, не открывая затвор, полученное изображение анализируется процессором на наличие светлых точек, а затем камера корректирует их встроенными программными средствами. В дальнейшем светлые участки уже не проявляются.

В целом вывод неутешителен, хотя и предсказуем6 хорошая работа на высокой светочувствительности у компактов и ультракомпактов скорее исключение, чем правило. Чтобы избежать появления шумов на снимках, устанавливайте минимальную чувствительность ISO, значение, которое позволяет обеспечить приемлемый результат.

Почему шумит матрица?

Вряд ли кто-то станет спорить, что XXI век — век цифровых технологий. Цифровые устройства повсюду внедряются в нашу жизнь. Идя по улице, мы слушаем цифровой плеер, сидя в машине мы слушаем цифровой компакт диск, у каждого из нас в кармане лежит сотовый телефон — тоже цифровой, между прочим. Да к тому же он ещё и может фотографировать! Да и просто фотоаппарат стал компактным и лёгким благодаря всё тем же цифровым технологиям. Не за горами то время, когда мы будем смотреть качественное, помехоустойчивое телевидение, возможно даже в 3D.

Парадокс цифровой фотографии.

Всегда ли цифровые технологии лучше и качественнее аналоговых? Если вы любите слушать виниловые пластинки, то скорее всего вы понимаете разницу между аналоговым сигналом и цифровым. Да, цифровая запись музыки не имеет посторонних шумов, присущих обычной граммофонной пластинке или магнитной записи. Цифровая запись свободна от помех и не подвержена старению, как магнитофонная лента. Когда мы слышим словосочетание «цифровая фотография» у нас невольно возникает ощущение чего-то качественного и не подверженного старению. Однако, должен вас разочаровать, уважаемый читатель. Дело в том, что цифровое изображение получается в цифровом фотоаппарате посредством аналогового элемента — матрицы.

От аналогового сигнала к цифровому.

Матрица цифрового фотоаппарата состоит из набора очень простых аналоговых датчиков (пикселей) преобразующих свет в электрический сигнал. Когда частица света (фотон) ударяется в датчик, то в нём возникает фотоэлектрон, который в свою очередь увеличивает аналоговый электрический сигнал. Увеличение этого сигнала регистрируется аналогово-цифровым преобразователем. Удары фотонов заставляют нагреваться датчик и появляются дополнительные электроны, которые называются термоэлектроны. Они тоже влияют на увеличение аналогового сигнала. Но из-за них появляется первый вид электрических шумов — цветной шум. Когда нам не хватает освещения для фотосъёмки, мы вынуждены каким-нибудь способом увеличить его количество. Первый способ — это добавить света, используя дополнительные источники света.

А теперь представьте себе, что вы и два ваших друга находитесь в пустыне. И вдруг пошёл дождь. А вам обоим очень хочется пить. Что вы будете делать, чтобы собрать как можно больше воды пока не закончился дождь? Самый простой способ — сложить ладони лодочкой и подставить их струям. Держу пари, в этот момент вы подумали о какой-нибудь ёмкости да пошире! В любом случае, самое простое и быстрое решение получить чего-то падающего (не важно, воды или света ) побольше увеличить площадь «инструмента сбора».
Теперь представьте, что вы утолили жажду и хотите собрать воды про запас. Но кроме обычной походной кружки у вас нет больше ничего. Что вы будете делать? Совершенно верно, вы будете собирать воду ладошками и сливать её в кружку. То по очереди, то все вместе. Но суета будет ещё та. :о) Так вот, ваши друзья и вы — это три сенсора трёх основных цветов, и вы собираете свет в одну картинку (кружку) . И всё же вернёмся к цифровому фотоаппарату.

К сожалению, купив однажды цифровой фотоаппарат, мы не можем так просто увеличить размер и площадь матрицы, чтобы собрать побольше света. Мы можем лишь увеличить её чувствительность — поднять значение ISO. Чтобы собрать побыстрее и побольше воды про запас вам потребовалась помощь друзей. Точно так же и в цифровом фотоаппарате, чтобы собрать побольше света, нужна помощь — усиление сигнала. И роль эту выполняет всё тот же аналогово-цифровой преобразователь. И усиливает он как вы понимаете, не только сигнал, но и шум. Это второй вид шума, так называемый яркостным. Поэтому поднимая чувствительность матрицы мы всегда увеличиваем шумы. Но мы ведь можем не поднимать ISO, а просто удлинить выдержку! Конечно, но чем дольше фотоны будут бомбардировать фотосенсоры, тем сильнее они нагреются, соответственно будет больше цветового шума. Вот такой замкнутый круг. Единственный выход на сегодняшний день — цифровой фотоаппарат с бóльшим размером матрицы! Соответственно за большие деньги. А большей матрице добавьте ещё и большие (и дорогие) линзы для объектива. И цифровой фотоаппарат становиться большим, тяжёлым и дорогим. И многие уже не смогут заниматься любимым делом — слишком дорого!

Ссылка на основную публикацию