Фотоконкурс “Мы учим и учимся информатике”

А.И. Сенокосов,
г. Екатеринбург

Если вы снимали обычной фотокамерой, то, возможно, помните, как мучились при покупке пленки вечным вопросом: какую чувствительность выбрать для предстоящей съемки? Обычно это 100 (или в крайнем случае 200) единиц для съемок при достаточном освещении и 400 для сложных погодных условий (вечерняя съемка, внутри помещения и так далее).

Вообще чувствительность фотоматериала — это степень его восприимчивости к падающему свету. Чем более чувствителен к свету материал, тем меньшая экспозиция (общее количество света, определяемое сочетанием времени выдержки и числа диафрагмы) требуется для получения качественного изображения.

Для фотоматериалов повышенной чувствительности характерно снижение разрешающей способности за счет повышения зернистости химического слоя фотопленок и фотопластинок.

В настоящее время чувствительность фотоматериала указывают в линейных единицах ISO (ранее эта система называлась ASA).

Когда речь идет о матрицах цифровых фотоаппаратов, то аналогом чувствительности фотоматериала является коэффициент усиления электрического изображения, что не совсем одно и то же. Поэтому в цифровой фотографии говорят: эквивалентная чувствительность, или ISO-рейтинг.

В цифровых камерах в отличие от обычных мы можем самостоятельно или в автоматическом режиме увеличивать этот самый коэффициент, что аналогично съемке на фотопленку разной чувствительности. То есть если предыдущий кадр вы снимали с эквивалентной чувствительностью 100, то следующий уже можете снимать с чувствительностью 400, 800 или даже 3200 (у некоторых моделей камер). Понятно, что это — большой плюс цифровой фотографии.

Но, как говорится, “бесплатный сыр бывает только в мышеловке” — ничего не дается просто так, и за увеличение чувствительности приходится платить.

В “пленочном мире” с ростом чувствительности пленки увеличивается зернистость, что приводит к более низкому качеству снимка, в цифровой фотографии повышение чувствительности приводит к цифровому шуму. Чем чувствительней пленка — больше ISO, тем больше ее зернистость. Чем больше ISO — требуемая эквивалентная чувствительность матрицы, вычисленная процессором для данного изображения или поставленная вручную, тем выше коэффициенты усиления в цветовых каналах электрического изображения и, соответственно, выше уровень шумов матрицы.

В художественной фотографии “зерно” иногда является дополнительным выразительным средством, и фотографы, бывает, специально добиваются повышенной “зернистости” изображения.

В цифровом мире увеличение чувствительности ведет к возрастанию уровня шума. Безусловно, шум можно подавить и прямо в камере, выбрав соответствующую опцию, и при последующей обработке, но, во-первых, не полностью, и, во-вторых, это всегда сопровождается потерей мелких деталей изображения, что делает проблематичным увеличение снимка. Давайте рассмотрим следующую фотографию.

Рис. 1. Вечерние полеты

С одной стороны, ISO-рейтинг в 1250 единиц позволил снимать достаточно быстрое движение в вечерних сумерках с выдержкой 1/500 секунды, что обеспечило четкость каждой капельке воды, с другой — мы получили полный аналог высокозернистой фотопленки (см. рис. 2). Кстати, напомним, что снимать со вспышкой при такой выдержке в большинстве цифровых фотокамер нельзя.

Рис. 2. Увеличенный фрагмент изображения

Но если при относительно хорошем освещении получилась просто зернистая фотография, то в случае критической нехватки света зернистость наслаивается еще и на цветовой шум, что делает качество снимка несколько сомнительным.

В качестве примера приведем фрагмент одной конкурсной фотографии (см. рис. 3).

Рис. 3. Фрагмент фотографии

Мало того, что из-за недостаточного освещения фото получилось довольно зернистым, так еще и занимающие чуть ли не четверть лица выделенные части, на которые указывают стрелочки, окрашены в темно-зеленый цвет, что вряд ли естественно для подавляющего большинства школьников.

Итак, цифровой шум проявляется в виде случайным образом расположенных элементов растра (точек), имеющих размеры близкие к размеру пикселя.

Цифровой шум отличается от изображения более светлым или темным оттенком (яркостный шум — англ. luminance noise) и/или по цвету (хроматический шум — англ. chrominance noise).

Цифровой шум придает фотографии неестественный вид — создается ощущение, что на изображение наложена маска из точек различной яркости и цвета. В особенности цифровой шум портит восприятие однотонно окрашенных частей изображения (например, голубого неба) и объемное восприятие объектов заднего плана, находящихся не в фокусе.

Сама по себе величина шума — характеристика понятийная и малоинформативная. Как принято в электронике, говорить надо об отношении сигнал–шум. На отношение сигнал–шум влияют шумы аналоговой электроники цифрового фотоаппарата, но основным источником цифрового шума является матрица. Цифровой шум в ней возникает по следующим причинам.

1. Дефекты (примеси и др.) потенциального барьера вызывают утечку заряда, сгенерированного за время экспозиции, — так называемый “черный дефект”. Такие дефекты видны на светлом фоне в виде темных точек.

2. Темный ток (Dark current, в русскоязычной литературе устоялось название “темновой ток”, но поскольку соответствующего слова в языке нет, мы не станем придерживаться этой терминологии) — является вредным следствием термоэлектронной эмиссии и “туннельного” эффекта и возникает в сенсоре при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма. “Темным” данный ток называется потому, что складывается из электронов, попавших в яму при отсутствии светового потока. Такие дефекты видны на темном фоне в виде светлых точек, так называемый “белый дефект”. Белые дефекты особенно проявляются при больших экспозициях. Основная причина возникновения темного тока — это примеси в кремниевой пластине или повреждение кристаллической решетки кремния. Чем чище кремний, тем меньше темный ток. На темный ток оказывают влияние температура элементов камеры, электромагнитные наводки, как внешние, так и внутренние, от самой камеры. Как уже говорилось в предыдущей статье, при увеличении температуры на 6–8 градусов значение темного тока удваивается.

3. Из-за шума, возникающего вследствие стохастической природы взаимодействия фотонов света с атомами материала фотодиодов сенсора. При движении фотона внутри кристаллической решетки кремния вероятно, что фотон, “попав” в атом кремния, выбьет из него электрон, родив пару “электрон–дырка”, но сказать точно, сколько фотонов родит пары, а сколько пропадет с какими-то другими эффектами, нельзя. Электрический сигнал, снимаемый с сенсора, будет соответствовать количеству рожденных пар. Снимаемый сигнал с сенсора при заданных выдержке и диафрагме (интенсивности света) будет определять квантовая эффективность — среднее число рождаемых пар “электрон–дырка”.

4. Из-за наличия дефектных (неработающих) пикселей, которые возникают при производстве фотосенсоров (несовершенство технологии) и всегда находятся в одном и том же месте. Для устранения их негативного влияния используются математические методы интерполяции, когда вместо дефектного “подставляется” либо просто соседний элемент, либо среднее по прилегающим элементам, либо значение, вычисленное более сложным способом. Естественно, что вычисленное значение отличается от фактического и ухудшает резкость конечного изображения. Этот же дефект вносит интерполяция, корректирующая конечное изображение при использовании встроенного в большинство фотокамер фильтра шумоподавления.

5. Из-за гамма-коррекции. Гамма-коррекция может осуществляться в электронном тракте или в процессоре. Наш глаз имеет логарифмическую чувствительность к свету, а фотосенсоры — линейную, поэтому слабые сигналы усиливаются больше, чем сильные, чтобы изображение имело привычный для человека вид. Часто для этого (и для некоторых других целей) используют таблицы перекодировки, определяющие соответствие входного и выходного сигналов.

Существуют всевозможные способы подавления цифрового шума на уровне сенсора, трактов цифрового фотоаппарата и на конечном цифровом изображении.

Алгоритмы выявления уровня цифрового шума основаны на отклонении шума от фона. Темновой ток нескольких миллионов фотодиодов сенсора корректируется методом привязки к “уровню черного” от группы пикселей, находящихся в полной темноте. Вычисляется систематическая поправка — “уровень черного” темнового тока (среднее значение), которая вычитается из тока каждого фотодиода для данного фотоизображения.

Подавление цифрового стохастического (греч. stochastikos — случайный, вероятностный) шума проводится усреднением (интегрированием по множеству или апертуре) (лат. apertura — отверстие) для каждого пикселя.

При подавлении шума усреднением несколько ухудшается резкость на конечном цифровом изображении. Обычно это не так заметно, если подавляется шум на изображении неба, а это как раз то место снимка, где он особенно заметен. Именно поэтому во многих книгах по цифровой фотографии настоятельно рекомендуют обрабатывать небо и землю отдельно друг от друга после соответствующего выделения области.

Увлечение противошумовым фильтром, увеличением резкости поля и границ кадра приводит к тому, что изображение приобретает характерные для цифровых фильтров искажения — теряются оттенки на переходах яркости и цвета, снижается насыщенность тона, становится видна структура растра и пр.

Итак, подводим итоги вышесказанному.

1. Надо стремиться делать цифровые фотографии в условиях, обеспечивающих минимум шумов. Эти условия соблюдаются при хорошем освещении всех сюжетов кадра, которое обеспечивает съемку с наименьшей (в зависимости от ситуации съемки) возможной чувствительностью. А добавить “зерно” при обработке фотографии, если вы захотите использовать этот художественный прием, — не проблема (как, впрочем, и размыть резкие детали). Тем более, что при этом вы сможете полностью управлять количеством и качеством “зерна”.

2. Высокие значения ISO, указываемые производителями фотокамер, зачастую не более, чем ненужная чисто рекламная опция: шумы сенсора настолько сильны, что о качественном фото не может быть и речи. Поэтому при выборе камеры не поленитесь сделать пару-другую снимков при значениях ISO 400, 800, 1200 и выше и убедитесь, насколько велик уровень шумов.

3. Определите, каковы предельные значения ISO-рейтинга в вашем цифровом фотоаппарате, и никогда не выходите за их пределы (если, разумеется, речь не идет о сверхважной информации, где художественные качества снимка не имеют никакого значения). Очень может быть, что при заявленном ISO-рейтинге в 800 единиц ваша камера нормально снимает лишь максимум при 200 единицах.