Что вижу - о том пою (aragont) wrote,
Что вижу - о том пою
aragont

Categories:

Мифическое ISO

Все кто снимал фотографии хоть на что-нибудь, догадываются, что ярким солнечным днём это "что-нибудь" снимает лучше чем чем в полутёмном помещении. Продвинутые фотографы знают, что в темноте на выбор есть два плохих варианта: либо длинная выдержка и смазанное от дрожания рук изображение, либо повышение чувствительности матрицы - ISO - и безобразное рыхлое и пятнистое изображение. Есть куча руководств "как снимать хорошие фотографии" в которых прямо написано: "Найдите в своей камере ограничение максимума ISO и установите его, чтобы избежать шумов на фотографии".

Недавно прочитал заметку, в которой утверждалось, что всё это бред. Во-первых, говорилось в заметке, ISO не существует, а во-вторых ISO на шум не влияет. Более того, в некоторых моделях фотоаппаратов большее ISO даёт меньшие шумы.

Заметка была написана умным фотографам для умных фотографов и я её не понял. Пришлось немного почитать теорию и разбираться самому.

Вот цифровой фотоаппарат
dfoto
Если кратко, то объектив "О" проецирует изображение на матрицу "М", а аналого-цифровой преобразователь "АЦП" оцифровывает результат.

У ячеек матрицы есть некоторые ограничения. Если света на ячейку попало слишком мало (меньше некоторой квантовой величины), то она ничего не выдаёт (выдаёт 0 Вольт). Если света попало слишком много, то ячейка насыщается и выдаёт некую максимальную величину (предположим 1 Вольт). То есть всё, что темнее минимально тёмного или светлее максимально светлого, сливается в чёрные и белые пятна. В худшем случае в темноте мы получим черный кадр, а на ярком солнце - белый. Чтобы подобрать нужное количество света используют диафрагму "Д" и затвор "З".

Теперь про ISO. Цифровое представления снимка переводит все яркости в цифры. По программистской традиции темнота это 0, а максимально яркий свет - 255. Пока света много, то так и происходит - темнота на матрице - 0, максимально переносимый яркий свет - 255. Когда мы снимаем в полутьме, то яркостей на матрице хватает только на часть числового ряда например от 0 до 100. Снимок выглядит равномерно тёмным и не очень качественным. Чтобы числа не пропадали за зря разработчики фотоаппаратов придумали специальный алгоритм пересчёта, который растягивает шкалу 0-100 в стандартную 0-255, а коэффициент этого пересчёта назвали чувствительность ISO.

Получается, что при любом ISO матрица получает одинаковое количество света, АЦП преобразует сигнал в одинаковые цифры и лишь потом эти цифры чисто математически на что-то умножаются. Т.е. можно снимать на любом ISO, а умножение сделать в графическом редакторе.

Маленькая оговорка. Безболезненно провести такое преобразование смогут владельцы профессиональны и полупрофессиональных камер, которые записывают результат оцифровки в формат RAW. Любительские камеры автоматически делают ещё кучу цифровых преобразований и выдают файл в формате jpeg, в котором много чего уже не пересчитать назад.

Вернёмся к шумам. Основополагающая работа на английском языке описывает математическую модель шума цифровых камер и объясняет, как это шум измерять.

Основные источники шума следующие:


  1. Свет состоит из фотонов и в при идеальном белом фоне в одну ячейку попадёт фотоном больше, а в другую фотоном меньше (фотонный шум);
  2. Матрица и АЦП - это электронные устройства, которые немного шумят сами по себе (шум считывания);
  3. Элементы матрицы немного разные и это даёт разный сигнал при одинаковом свете (тепловой шум/пиксельная неоднородность).

Третий случай в современных камерах проявляется очень слабо и имеет значение при очень длинных выдержках в темноте. В большинстве камер при выдержке больше секунды автоматически делается второй снимок с такой же выдержкой и закрытым затвором (темновой кадр) и вычитается из основного, чтобы убрать сильно шумящие пиксели.

Второй тип шума - почти константа, определяемая конструкцией камеры, а вот первый тип шума, в соответствии с математической теорией, пропорционален корню квадратному от полезного сигнала.

Что получается при съёмке кадра при идеальном освещении (света много, лишнее удаляется затвором и диафрагмой):
В ячейку попадает 100 фотонов, фотонный шум 10, шум считывания - пусть 2. Результат - полезный сигнал 100, шум 12, относительный шум 12%.

При плохом освещении:
В ячейку попадает 49 фотонов, фотонный шум 7, шум считывания по прежнему 2. Результат - полезный сигнал 49, шум 9, относительный шум 18%.

Что делает большое ISO. Оно равномерно умножает и сигнал и шум. В нашем случае ISO умножает всё на 2 и мы видим прежний сигнал и шум, возросший в полтора раза. Понятно, что ISO ни в чём не виновато (освещение изначально было плохое), но при маленьком ISO мы бы увидели тёмную картинку с серым шумом. а сейчас видим нормальную с ярким шумом.

Действительно вредным эффектом повышения ISO является сужение динамического диапазона камеры, т.е. разницы между самым темным и самым светлым участком изображения, которые она может корректно запечатлеть. В полутьме это не важно, поскольку ярких объектов в кадре всё равно нет, а вот при хорошем освещении приходиться искусственно ограничивать поступающий на матрицу свет, чтобы после умножения на коэффициент, самая большая яркость не превысила значение 255.

На основе математической модели можно отдельно измерять разные виды шумов, чем и занимается сайт http://sensorgen.info/. Поскольку фотонные шумы от камеры не зависят, то sensorgen выкладывает данные по шумам считывания. Вот тут то и обнаруживается интересная штука. Оказывается, на профессиональных моделях камер при больших значениях ISO между матрицей и АЦП включают дополнительные малошумящие усилители, за счет этого шум считывания (а значит и общий шум) немного снижается. Для таких камер при съёмках в полутьме большое ISO скорее плюс.

И, напоследок, три простых примера.

Почему при большом ISO снимки ухудшаются даже при ярком свете?
Автоматика камеры понимает, что при пересчёте получаются числа больше 255 и начинает уменьшать выдержку и диафрагму, чтобы избежать пересвета. Получается искусственное затемнение со всеми вытекающими.

Почему зеркалки могут снимать при больших ISO?
ISO, как мы выяснили, не причём. Просто у зеркалки ячейки матрицы крупнее. Если площадь ячейки в четыре раза больше, то в темноте она собирает в четыре раза больше света, а фотонный шум увеличивается всего в два раза. Установка больших ISO в настройках лишь "проявляет" на снимке накопившиеся шумы.

Правда ли, что камеры с большим числом мегапикселей больше шумят?
Нет! Больше фотонного шума выдает каждый отдельный пиксель, но если в графическом редакторе уменьшить разрешение, то объединение соседних пикселей автоматически уменьшит процент этого шума и все будет так же как и в менее мегапиксельной камере.
Tags: физика, фото
Subscribe

  • Село Льва-Толстого

    Википедия может писать, что это "Село Льва Толстого" и даже "Село имени Льва Толстого", но официальная табличка на здании администрации не может…

  • Вокзал города Ирбита

    Осматривая Ирбит, мы решили посмотреть на местный вокзал. Гугловская карта в телефоне показала, что ближе всего к нашей гостинице находится станция…

  • Про ирбитскую ярмарку

    Две недели назад (как быстро летит время) в Ирбите прошла 18 традиционная ярмарка. Вообще говоря, с исторической ярмаркой это мероприятие ничего…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 2 comments