Jak na šum v digitální fotografii? - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

27. listopadu 2001, 00.00 | Na podnět z diskusního fóra jsme pro vás připravili návod, jak bojovat se šumem v digitální fotografii. Popíšeme příčiny i řešení tohoto nepříjemného problému.

V našem diskusním foru věnovaném digitální fotografii padl dotaz týkající se odstranění šumu ve fotografii. Bohužel v konkrétním případě tazatele jsme uspokojivé řešení nenašli, přesto diskuse vyústila v zajímavé obecné závěry, které jistě neuškodí sumarizovat v podobě článku. Obecně tedy otázka zní "Jak minimalizovat hladinu rušivého šumu v digitální fotografii?"

Šum a digitální fotografie
Stejně tak jako klasický filmový materiál má své zrno, digitální fotografie má svůj šum. V obou případech jsou příčiny i následky problému trochu odlišné, ale jedno je společné. Oba jevy z principielních důvodů nelze zcela eliminovat. Musíme je pochopit, naučit se s nimi žít a co nejlépe s nimi pracovat. Podívejme se tedy nejprve na to, jak šum v digitální fotografii vlastně vzniká.

Jedním z hlavních důvodů vzniku šumu v digitální fotografii je náhodné uvolňování či přeskakování elektronů přímo na snímači fotoaparátu. Důvodem tohoto jevu je vnější elektromagnetické rušení, teplotní nestálost křemíku a případně nekvalitní snímač jako takový. Čím delší je expoziční čas, čím vyšší je okolní teplota a čím výraznější je vnější rušení, tím více elektronů může přeskočit a vygenerovat tak signálový šum. U kvalitnějších, novějších a dražších snímačů je jev méně výrazný, u starších, levnějších či nekvalitních snímačů je tento problém extrémně velký.

Druhým významným činitelem je kvalita a přesnost analog-digitálního převodníku zpracovávajícího výstup ze samotného snímače. Každý elektrotechnik ví, že při digitalizaci analogového signálu vzniká určitá hladina šumu a zkreslení. To jak vysoká je, závisí na kvalitě převodníku a také na jeho nastavení. Právě nastavení AD prvku se využívá v digitální fotografii jako nástroj pro takzvanou změnu citlivosti snímače. Takže čím vyšší je nastavena citlivost snímače (ISO) a čím horší je AD převodník, tím více šumu ve fotografii vzniká.

Posledním zdrojem "šumu" v digitálních fotografiích bývá samotné zpracování fotografie uvnitř fotoaparátu ještě před uložením do paměti. Nejde o šum v tom původním signálovém slova smyslu, nicméně o zkreslení vyvolávající podobný optický efekt. Dochází k němu buď při doostřování fotografií či při příliš vysoké komprimaci formátem JPEG. Obecně tedy platí, že čím více se fotografie přímo ve fotoaparátu upravuje, tím větší je riziko vzniku pseudošumu, či chcete-li deformace obrazu.

Prevence proti vzniku šumu
Z uvedených příčin se dá vyvodit několik preventivních opatření, kterými se dá výrazně snížit hladina šumu v obrazu. Probereme je opět v pořadí odpovídajícím příčinám.

Vzniku šumu přímo na snímači lze v praxi bránit jen velmi těžko. Jedinými efektivními cestami je buď snímač dobře odstínit a výrazně podchladit či zkrátit expoziční čas na opravdu nezbytné minimum. První cestu v amatérských podmínkách nelze realizovat. Alobal toho moc nezachrání a podchlazovat celý digitální fotoaparát nelze kvůli ostatním součástem. Prakticky se tento postup používá třeba v astrofotografii u speciálně upravených profesionálních fotoaparátů.
Takže nám pro běžnou praxi zbývá jediné, tedy zkrátit expoziční čas. Ten můžeme zkrátit buď volbou menší clony či zlepšením světelných podmínek scény. Nejčastěji tedy pomůže použití záblesků či světel, pokud to podmínky umožňují. Pokud fotografujeme v podmínkách, kdy tato varianta není možná, musíme se smířit s určitou hladinou šumu, které se nevyhneme.

A jsme u AD převodníku či chcete-li u nastavení citlivosti snímače. Změna citlivosti je velmi módní záležitostí, kterou nabízejí prakticky všechny digitální fotoaparáty od nižší střední třídy výš. Logika této funkce říká, že pokud fotografuji z ruky nebo rychle se pohybující objekty, potřebuji dosáhnout krátkého expozičního času pro zajištění ostrosti snímků. S clonou jít dolů do nekonečna nejde, takže jedinou cestou je buď blesk nebo posun citlivosti. Kvalitní blesky jsou velmi drahé a vestavěné mají omezené možnosti nasazení. Proto výrobci nabízejí možnost zvýšení citlivosti snímače i za cenu razantního nárůstu šumu. Tento nárůst je většinou o řád větší, než původní hladina šumu ze snímače, a proto je toto místo fatálním pro zajištění dobrého výsledku. Pravidlo je velmi jednoduché, pokud mohu a chci málo šumu, nastavím co nejnižší citlivost, kterou fotoaparát umí. Místo zvýšení citlivosti buď použiji blesk nebo stativ. Samozřejmě ne vždy jde takto postupovat, ale většinou se lze vyhnout nastavení hodnot jako je 400 či 800ISO. Jak demonstruje náš ukázkový snímek, rozdíl je opravdu dramatický.

Srovnání režimu ISO 100 a ISO 400 u Fuji FinePixu 6900Z.

Poslední příčinou vzniku šumu může být deformace obrazu při jeho následném zpracování. Zde je pomoc velmi snadná. Doostření fotografií přímo ve fotoaparátu vynechte, lze jej provést kdykoli později a volte buď rozumnou kompresi JPEGu či nekomprimovaný formát. Většina výrobců nabízí u JPEGu tři kompresní poměry, které se často liší model od modelu, ale většinou jsou minimálně první dva rozumně neagresivní. Volte tedy s rozvahou a vždy porovnávejte zlepšení versus nárůst velikosti fotografie. Zcela upřímně, zkreslení vznikající touto cestou nebývá tak významné jako v prvních dvou případech.

Techniky odstraňování šumu
Existují i techniky, které vznikající šum potlačují a to buď přímo ve fotoaparátu nebo následně při zpracování fotografií v počítači. V obou případech je však potřeba počítat s tím, že "odstranění šumu" příliš nezlepší kresbu fotografie a rozhodně nepřidá obrazové informace. Jak to tedy funguje?

První možností je, že přímo fotoaparát je vybaven takzvanou redukcí šumu. Ta probíhá přímo na snímači a dokáže do značné míry eliminovat náhodný šum vznikající přeskakováním elektronů a nepřesností snímače. Tato funkce se buď aktivuje přímo v menu fotoaparátu či automaticky při překročení nějakého definovaného času expozice. Projděte si proto důsledně návod k vašemu fotoaparátu a pokud tuto funkci najdete, rozhodně vám pomůže zejména u nočních snímků.

Druhý postup se týká opět přímo snímače a jmenuje se pixel mapping. Tato technika je velmi mladá a jejím cílem je eliminovat nepřesnost snímače způsobenou jeho chybovostí či takzvaným slepnutím. Neodstraňuje tedy náhodný šum, nýbrž šum vznikající nepřesnou funkcí jednotlivých buněk. V praxi jsme bohužel zatím neměli možnost vyzkoušet efekt této techniky, ale teoretické zlepšení by mělo nastat.

Třetí cestou je odstranění šumu v grafickém editoru. Funkci redukce šumu nabízí opět celá řada programů a většinou je založena na lokálním rozostření fotografie či na snižování kontrastu osamělých bodů. Oba postupy vedou k snížení optické ostrosti snímků a někdy i ke zhoršení kresby.

Závěr
Šum je odedávným problémem digitálních fotoaparátů. Konstruktéři se jej již roky snaží eliminovat a jejich úsilí se projevuje ve zvyšující se kvalitě použitých komponent, snižování minimální citlivosti snímače a implementaci nových funkcí pro potlačení šumu. Čím novější a dražší fotoaparát si koupíte, tím méně šumu vám bude při správném používání vytvářet. Přesto jistou hladinu šumu najdeme i u profesionálních modelů a v amatérské třídě si na přítomnost šumu musíme prostě zvyknout. Vše je otázka míry a pokud se budete řídit našimi radami, tak jistě dosáhnete zlepšení i se starším fotoaparátem.