Железная выдержка и непоколебимый стандарт против цифрового шума.⁠⁠

В предыдущем посте я обещал рассказать о цифровом шуме подробнее. Если вы считаете, что не до конца понимаете, откуда берется цифровой шум на фото и то, как с ним бороться - добро пожаловать в мой пост :)

Большинство начинающих фотографов и достаточно внимательных любителей поселфиться на смартфон, знают, что в условиях слабой освещенности, фотография получится не совсем качественная. Причины две - количество света за время выдержки и ISO. Слишком долгая экспозиция не позволит четко "заморозить" кадр и появится смаз. А высокое значение ISO покроет всё фото разноцветными точками. Высокое ISO может спасти ситуацию и избавить от смаза. Но и добавит шум. Так ли это или нет? Давайте разбираться.

Мысленный эксперимент

Проведем простой эксперимент: возьмем два снимка в слабом свете с одинаковой выдержкой, со штатива, в формате RAW. Для правильного экспонирования поднимем ISO на первом снимке. А на втором снизим до минимума, который позволяет камера. В итоге увидим, что один снимок получился "шумным" (если света было действительно мало и ISO поднят значительно), а второй - тёмным, но за то без шума. Верно ли утверждение, что два файла содержат в себе одинаковое количество шума? В большинстве случаев - да, верно!

Что такое ISO?

Многие люди, которые знакомы с фототехникой скажут, что это чувствительность матрицы. И изменяя значение ISO, мы уменьшаем или увеличиваем количество света, которое способна захватить матрица. В сознании фотографов отложилась мысль "чем больше ISO, тем больше шумов". Во многих случаях это не так! В большой массе современных цифровых камер, значение ISO никаким образом не влияет на работу матрицы! Бывают исключения, но он них чуть позже. Spoiler: в основном это камеры Canon.

И всё же, что означает цифра значения ISO?

В далекие годы, когда трава была черно-белой зеленее, а люди снимали на пленку, появилась необходимость стандартизовать светочувствительность этой пленки, которая зависела от "химии" изделия. В 1974 году Международная организация по стандартизации закрепила в своих документах новый (уже не первый) стандарт на фотопленки. Международная аббревиатура этой организации - ISO! Пленочные стандарты обзавелись родственником в виде стандарта чувствительности цифровых сенсоров уже в 1998 году и пройдя два этапа коррекции в 2006-м году, он дошел до наших дней.

Знакомьтесь - "ISO 12232:2006 Preview. Photography -- Digital still cameras -- Determination of exposure index, ISO speed ratings, standard output sensitivity, and recommended exposure index". По какой-то причине, сотрудники ISO не стали выдумывать новый термин для обозначения этого самого "speed rating" и использовали собственную аббревиатуру, которая по правилам читается по буквам - "АйЭсОу", и превратили её в имя собственное, которое должно читаться как слово - "Айсо". Как итог - значение "цифровых" ISO привязали к ISO химическим. То есть, за основу была взята шкала чувствительности фотоэмульсий.

А теперь самое важное, что следует из этого абзаца - "цифровое" значение ISO не диктуется физическими условиями работы одной лишь матрицы, а описывает результат всех преобразований в целом. Физические принципы работы матриц различных производителей могут быть разными, но выходной результат всегда можно будет описать стандартом ISO и использовать в подсчетах экспозиции.

Что из этого следует?

Вывод простой - результат, соответствующий определенному значению ISO может быть получен без изменения каких-либо физических параметров в работе матрицы! Просто подняв яркость до требуемого уровня. А все исходные данные хранятся в RAW-файле. Таким образом, имея RAW-данные, можно симулировать различные значения ISO, используя соответствующий софт (Adobe Lightroom, например).

В этом правиле всё же есть исключения. Некоторые камеры действительно изменяют параметры работы матрицы (например, вольтаж). Но далеко не на всём отрезке значений ISO.

Проверить, как ведёт себя ваша камера при различных значениях ISO можно самостоятельно или на сайте. Там представлены снимки с одинаковой парой выдержка-диафрагма, но с разным ISO. При этом снимки выровнены на определенное количество "стопов" программно, чтобы соответствовать первому снимку (с минимальным ISO).

Какие параметры съемки влияют на шум?

Ниже представлю несколько примеров того, как различные параметры съемки влияют на шум. Примеры взяты из чужой статьи.

Выдержка:

8 сек, f/2.8, ISO 3200

4 сек, f/2.8, ISO 3200 (+1 стоп в постобработке)

2 сек, f/2.8, ISO 3200 (+2 стопа в постобработке)

Диафрагма:

8 сек, f/2.8, ISO 3200

8 сек, f/4.0, ISO 3200 (+1 стоп в постобработке)

8 сек, f/5.6, ISO 3200 (+2 стопа в постобработке)

ISO:

8 сек, f/2.8, ISO 3200

8 сек, f/2.8, ISO 6400 (-1 стоп в постобработке)

8 сек, f/2.8, ISO 12800 (-2 стопа в постобработке)

Все 3 набора кадров из примеров выровнены по уровню экспозиции при помощи обработки RAW-файла. И что мы видим? Если выровнять экспозицию (яркость) фото, сделанных с одинаковой выдержкой и значением диафрагмы, но с разным ISO, то уровень шума будет одинаков! В третий раз повторюсь - есть исключения. Первый вариант исключения: каждое значение ISO даёт свой уровень шума. Например, Canon EOS 6D (источник - всё та же статья):

Второй вариант исключения: камера ведет себя одинаково на отрезке, к примеру от [400] до максимума. Отличия только в диапазоне от [100 до 400).

Dorithur, твою матрицу! Ты расскажешь, откуда берется шум или нет?!

Окей, окей. Расскажу.

Но сначала поговорим о погоде. У меня вчера шел дождь, а у вас?

Ах да, шум... шум дождя... ммм....

Пару слов о том, как работает матрица: "ловит фотоны". Вроде уложился.

Фотоны - это кусочки света. Наши глаза тоже их ловят, передают сигналы в мозг и тот рисует картинку. Фотоны хоть и двигаются очень быстро (внезапно - со скоростью света), но источники света испускают ограниченное количество этих ребят. Отражается от объектов и того меньше, ведь часть поглощается. Отражаются точно в глаз или объектив лишь избранные. И если источник света достаточно слабый, то и на матрицу попадает меньше этих замечательных частиц.

Матрица разделена на светочувствительные участки, каждый из которых отвечает за отдельный пиксель итогового изображения. Давайте представим, что каждый такой участок это квадратный стаканчик. И все они выстроены рядами. И идет дождь!

У нас есть возможность открыть заслонку над всеми стаканчиками. И чем больше время, на которое мы откроем заслонку, тем больше капель попадёт в каждый стакан в среднем. И если "экспонировать" стаканчики на очень короткое время, то в них попадёт очень мало капель. И разница между каждый из них может быть существенная. Если в каждый стакан в среднем упало по 3 капли, то в какой-то могла упасть и одна, или вовсе ни одной. В такой ситуации невозможно точно определить степень интенсивности дождя по одному стакану. Ошибиться можно на несколько сотен процентов!

Если заслонку открыли на более продолжительный промежуток времени, то в среднем каждый стаканчик получил по 200 капель, а разброс по всем - от 180 до 220 капель, и ошибка оценки интенсивности дождя по одному стаканчику составит всего 10 процентов. Чувствуете разницу? 200% и 10% это очень много.

Догадываетесь, к чему всё идет? К матрице, конечно же. Если матрица при короткой экспозиции получает очень мало фотонов, то камере сложно точно решить за каждый пиксель, какой цвет к нему применить. В среднем черный пластик из предыдущего поста будет черным, но отдельные пиксели могут окрасить себя в те цвета, в которые они окрасили себя... Это и есть одна из составляющих шума. Недостаток данных приводит к неправильной интерпретации.

ISO в данном случае будет выступать неким порогом, по достижении которого яркость и цвет итогового пикселя меняется. Перенесем аналогию с дождем и стаканчиками на ISO. Предположим, что условное ISO у нас на минимуме, что подразумевает максимальную точность. Минимальному значению будет соответствовать следующая шкала:
0 - 50 капель: слабый дождь или его отсутствие
50 - 100 капель: средний дождь

100 - 150 капель: сильный дождь

150 - 200 капель: ливень

Можно довольно точно определить силу дождя даже по одному стаканчику. Но только при условии, что среднее значение по всем стаканчикам было между 0 и 200 капель. 5 капель четко идентифицируется как очень-очень слабый дождь. Яркость пикселя минимальная. 35 капель - уверенный слабый дождь. Пиксель чуть ярче.

Повысим ISO до условного максимума. Теперь градация следующая:

10 капель: слабый дождь или его отсутствие

20 капель: средний дождь

30 капель: сильный дождь

40 капель: ливень

Те же 5 капель в стаканчике теперь оценивают силу дождя как более мощную, чем 35 капель при минимальном ISO! А 35 по данной шкале это уверенный сильный дождь! Пиксель гораздо ярче, чем в первом случае. 100 капель, которые расцениваются по первой шкале как сильный дождь, в данном случае будут представлять нечто невообразимое, что невозможно оценить. Яркость пикселя максимальная. Полный пересвет.

Для более точной оценки лучше всего открывать заслонку на большой промежуток времени (длинная выдержка) и использовать более широкую шкалу оценки (низкое ISO). Но это можно делать до тех пор, пока стаканчики не заполнятся до верху. Если это случилось, то какую шкалу ни применяй, то мы узнаем, что дождь был гораздо сильнее, чем мы ожидали, но не оценим точно его интенсивность на отдельных участках, т.к. все стаканчики будут заполнены на 100%.

Это и есть причина более яркой картинки при повышении ISO и большего количестве шума, если время экспонирования осталось прежним. Излишне высокое ISO при длительной экспозиции "заполнит стаканчики до верху" и кадр будет просто белым.

Из этого примера так же следует, что чем большее количество капель допустимо при определенном уровне ISO, тем более точно мы сможем оценить промежуточные значения силы дождя ("очень слабый", "слабый", "ближе к среднему" и т.д.) над конкретным набором стаканчиков. В фотографии это называется "динамический диапазон". Чем он шире, тем больше градаций яркости может передать камера. Наивысшее значение динамического диапазона будет при минимальном ISO.

Уф-ф-ф-ф. Как всегда. Сестра таланта от меня сбежала, так что извините. Хотел всё уместить в еще более короткий пост, чем получилось, но придется пилить еще как минимум одну часть. В ней поведаю о других составляющих шума.