Vliv citlivosti snímače na digitální šum - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

Šum citlivost snímače

Šum citlivost snímače

3. března 2004, 00.00 | Fotografování za zhoršených světelných podmínek přinášelo již v klasické fotografii problém se zrnitostí výsledného obrazu při užití filmu s vyšší citlivostí. V digitální fotografii je situace podobná - při nastavení vyšší citlivosti ztrácíme prokreslenost detailů vlivem digitálního šumu. Pokud se s tímto problémem chceme co nejlépe vypořádat, musíme porozumět jeho příčině.

Jas každého snímků je závislý na třech faktorech:
- na době, během které vystavujeme záznamový prvek (v digitální fotografii snímač) přicházejícímu světlu , tj. na době expozice nebo prostě na čase
- na množství dopadajícího světla nesoucího obrazovou informaci - to je ovlivněno clonou
- na citlivosti snímače.
První dva faktory nemůžeme často měnit, protože při užití delších časů by byl fotografovaný objekt rozmazaný a nejmenší hodnota clony je dána světelností objektivu, která přímo souvisí s jeho konstrukcí a je pevně daná. Proto přichází na řadu volba citlivosti snímače. Tu vyjadřuje číslem ve stupnici ISO. V čem vlastně spočívá změna jeho citlivosti?

 
Ukázka systémových menu, ve kterých se nastavuje citlivost snímače

Princip zvyšování citlivosti snímače
Pokud jsme chtěli v klasické fotografii pracovat za snížených světelných podmínek, založili jsme do přístroje film s vyšší citlivostí. V digitální fotografii není možné snímač mechanicky vyměnit ani změnit jeho technologické vlastnosti, z čehož logicky vyplývá, že změna citlivosti souvisí pouze s elektronikou přístroje. Nebo chcete-li s matematikou. Snímač v digitálním fotoaparátu má totiž stále stejnou - základní citlivost. Pro tu je schopen vyjádřit množství dopadajícího světla v rozsahu stupnice o určitém konečném počtu úrovní - pro jednoduchost řekněme např. 255. Každému odstínu (předpokládejme, že pracujeme zatím pouze v černobílé oblasti) odpovídá jedna hodnota. Absolutní tmě odpovídá číslo 0, naprosto bílému bodu 255. Středně šedá bude v polovině tohoto rozsahu. Co se nyní stane, budeme-li exponovat stejným časem a clonou snímek při slabším osvětlení? Na výsledném obrazu nebude existovat žádný bod, který by měl převedenou hodnotu dopadajícího světla vyšší než např. 100. Zbývající rozsah stupnice od 101 do 255 je nevyužitý, snímek působí tmavým dojmem, nejsou na něm dobře vidět jednotlivé detaily. Proto zdvojnásobíme citlivost snímače, což není v principu nic jiného, než pronásobení získaných hodnot ze snímače dvěmi. Tak získáme v našem příkladu obraz, jehož rozsah jasů jednotlivých bodů bude nabývat hodnot od 0 do 200. To je již poměrně dobře expozičně vyvážený snímek. Možná vás teď napadá myšlenka, zda se dá takto násobit do nekonečna. Pochopitelně že ne, to by potom focení za šera nebyl žádný problém. Původce tohoto problému hledejme v pojmu digitální šum.

Porovnání šumu na digitálních snímcích od ISO 100 do ISO 800

Co je a proč vzniká digitální šum?
Snímač digitálního fotoaparátu není nic jiného, než součástka vyrobená z polovodiče, sloučeniny křemíku a dalších chemických prvků. Obecnou vlastností těchto součástek je jejich větší či menší nestálost elektrických parametrů. Ta se v praxi projeví mírným odchýlením výsledných hodnot získaných ze snímače oproti hodnotám odpovídajícím skutečnému množství dopadajícího světla. Úroveň těchto chyb - šumu, se pohybuje v řádu procent výsledné hodnoty při základní citlivosti snímače a je tudíž víceméně zanedbatelná. Pokud však takto zašuměnou informaci vynásobíme, znásobíme pochopitelně i nežádoucí chyby. V minulém odstavci jsme napsali, že k násobení dochází v okamžiku, kdy je výsledná hodnota snímačem zachyceného světla příliš malá. V tomto okamžiku však již odstup užitečných obrazových informací není od náhodně vzniklého šumu tak velký. Výsledný snímek začíná být znatelně narušován. Čím větší citlivost nastavíme, tím více se digitální šum viditelně projeví.
Lze nějak tento neduh snímače ovlivnit? Pokud si koupíme digitální fotoaparát, získáme tak určitý snímací prvek, jehož vlastnosti nemůžeme již dále výrazně ovlivnit (úroveň šumu se sice zvyšuje s rostoucí teplotou snímače, ale to není až tak zásadní rozdíl). Proto pokud chceme často fotit za tmy, musíme zvolit takový přístroj, jehož snímací prvek je kvalitnější. Obecně platí zásada, že čím je plocha každé světlocitlivé buňky snímače větší, tím je její vyprodukovaný šum menší. Samozřejmě však záleží na technologii a kvalitě výroby snímače. Velikost buňky snímacího čipu je závislá na jeho rozměru a rozlišení. Obě informace se uvádí ve specifikaci přístroje. Např. text "CCD snímač 1 / 2,5" s efektivním rozlišením 3,3 Mpixelů" znamená, že snímač je složen ze 3,3 miliónů bodů vytvářejících obrazovou informaci a jeho velikost je 1/ 2,5 palce (to není přesná velikost úhlopříčky, ale tím se teď nemusíme zabývat). Čím větší číslo za lomítkem, tím menší úhlopříčka a tudíž i rozměr snímače.

Porovnání šumu na snímku BEZ a S interní redukcí šumu

Jak se šumu bránit?
Otázka poměrně jednoduchá, odpověď již méně. Jak jsme si již vysvětlili, s tím, kolik šumu generuje snímač prakticky nemůžeme nic udělat. Pouze se musíme snažit mít zpracování dat pod kontrolou a všemožně se bránit tomu, aby se šum citelně projevil. To znamená pokud možno fotit s co nejnižší citlivostí. Bohužel automatika některých přístrojů ráda volí vyšší citlivost i v případech, kdy to není nezbytně nutné. Pokud tedy daný přístroj umožňuje ruční nastavení citlivosti snímače, užijme ho. Čím nastavíme nižší číselnou hodnotu ISO, tím menší bude hladina šumu. Ale i citlivost, a proto budeme muset prodloužit dobu expozice či odclonit. Proto si sebou na noční focení noste alespoň malý kapesní stativ, na který fotoaparát připevníte.
Ve spoustě případů samozřejmě nezbude nic jiného, než nastavit vyšší citlivost. Nyní přijde na řadu elektronika fotoaparátu, která u novějších lepších přístrojů nabízí tzv. redukci šumu. Ta funguje na různých principech, někdy lépe, jindy méně, ale vždy je založena na stejné myšlence. Matematicky eliminovat náhodný rušivý signál z jednotlivých buněk snímače, který se projevuje jako náhodně rovnoměrně rozmístěné barevné body (nejvíce červené, modré, zelené a fialové). Jedním ze způsobů, jak je odstranit, je prosté porovnání hodnot naměřených na sousedních buňkách snímače. Pokud některá hodnota příliš vybočuje, upraví se na průměrnou hodnotu sousedních členů. Dalším způsobem potlačení šumu je dvojitá expozice, kdy se v první polovině exponuje s otevřenou závěrkou (zaznamenává se obraz) a v druhé se zavřenou, kdy se jen načítá úroveň šumu vygenerovaná na snímači. Ten se posléze odečte od obrazových dat získaných v první polovině. Tato metoda se užívá především u expozic trvajících déle jak 1 s a je možné ji kombinovat s první metodou. Třetím způsobem je snížení maximálního výstupního rozlišení snímače, přičemž hodnota každého výsledného bodu obrazu se spočítá jako průměr hodnot naměřených na sousedních, logicky seskupených buňkách. Tím se vlastně zvětší velikost buňky a chyba pocházející z jedné z nich se rozpočítá na celou skupinu těchto buněk.

Porovnání šumu na snímku PŘED a PO softwarové redukci šumu na PC

Závěr
Přes veškerou snahu omezit vznik digitálního šumu se někdy stane, že je díky němu výsledná fotografie silně narušená. Přesto nezoufejte, existuje ještě další možnost, jak snímek zlepšit. Tou je užití speciálního softwaru, který dokáže poměrně dobře šum z digitální fotografie odstranit. Takovým programem je například NeatImage, jehož výsledek zobrazuje následující obrázek.
Práce s takovýmto programem je poměrně jednoduchá, nicméně časově náročná. Proto si již při výběru digitálního fotoaparátu rozmyslete, jak často byste jeho práci potřebovali a zda se vám radši nevyplatí připlatit si za dražší přístroj s kvalitnějším snímačem. Vodítkem vám může být i jaký rozsah citlivostí lze na přístroji nastavit. Dnes je již standardem rozsah citlivostí od 100 do 400 ISO. Pokud tedy nalezneme i ISO 50, 800 či 1600, svědčí to o lepším odstupu obrazové informace od šumu (případně o neserióznosti výrobce málo známé značky, který je ochoten produkovat svým přístrojem i naprosto nepoužitelné snímky). Na druhou stranu však neutrácejte pod vlivem prodejců zbytečně mnoho za drahé CMOS snímače digitálních zrcadlovek, pokud byste výslednou obrazovou kvalitu řádně nedocenili. Raději si rozmyslete, zda vám ten Mpix navíc při stejném rozměru čipu nepřinese řadu nepříjemností způsobených právě šumem miniaturních buněk snímače.