FOTOŠKOLA: Šumí jak umí (a jak mu dovolíme)

15. listopadu 2005 • 0:00

Od vzniku digitální fotografie je jejím problémem šum, který je obsažen v každém snímku. Konstruktéři a my uživatelé se snažíme, aby ho bylo co nejméně. Digitální šum, pokud je markantní, se projevuje na fotografii v podobě barevných teček, skvrn a degradace ostrosti. Proč šum vzniká a jak jej omezit, o tom je následující článek.

Proč vzniká šum

Jedna z nejdůležitějších součástí Vašeho digitálního fotoaparátu je snímač. Funkcí snímače je měnit fotony dopadajícího světla na elektrony a tím získávat elektrický náboj jako hlavní stavební kámen budoucí fotografie (odkaz na můj článek „Jak vznikají fotografie v digitálu?“).Čím více světla (fotonů), tím větší náboj (elektronů). Tento převod „mají na starost“ sloučeniny křemíku obsažené ve snímacím prvku. Tyto sloučeniny se však vyznačují nestálostí elektrických parametrů. Dochází k uvolňování a přeskakování elektronů na snímači fotoaparátu, které nevygeneruje světlo odražené od fotografované scény, ale jiné elektromagnetické vlny (např. rozhlasoý a televizní signál, mobilní telefony aj.), ale i teplo. Čím delší je doba expozice, okolní teplota a vnější elektomagnetické rušení, tím více se může vygenerovat nebo přeskočit elektronů, které nenesou informaci o snímaném obrazu. Těmto elektronům se říká šum.
Hodnoty elektrického náboje vygenerované jednotlivými prvky snímače jsou analogovým modelem obrazu, který je dále na cestě k A/D převodníku náchylný na chyby. Teprve na výstupu A/D převodníku je analogový signál digitalizován a je odolný proti poruchám.

V A/D převodníku se přiřazují hodnotám elektrického náboje hodnoty jasu ve škále 0 až 255, tedy pro každý barevný kanál 256 úrovní jasu (RGB v osmibitovém režimu). Nula (teoreticky) je zcela tmavá a 255 úplně světlá. Té odpovídá max zisk např. 2 mV. Takzvané zvýšení citlivosti např. ze ISO 100 na ISO 200 probíhá tak, že AD převodník přiřadí polovičnímu náboji tj. 1mV (a vyšší) hodnotu jasu 255 a stejně postupuje v nižších hodnotách náboje. Tím se snížil maximální zisk z jednotlivých prvků snímače na polovinu a hodnoty šumu zůstaly stejné, neboli odstup od šumu se dramaticky snížil. Šum se už může projevit. Zvláště patrné je to u modrého kanálu, protože ten má nižší citlivost než ostatní kanály, proto musí být zesílen více, tudíž šum je patrnější. Toto „zvyšování citlivosti snímače“ má podstatný vliv na šum výsledné fotografie.

Čas 0,5 sec. ISO 100

Čas 0,5 sec. ISO 400 Šum se podstatně zvýšil. Výřez z části nad nejbližším obloukem.

Měření šumu.

Některé zkušebny měří střední hodnotu šumu daného fotoaparátu a sestavují graf šumu při daném ekvivalentu citlivosti ISO. Tento graf znázorňuje, kolik šumu se nachází v průměrném obraze (všech jasů). Neukazuje šum v konkrétním jasu. V tmavých partiích bývá šum výraznější a rušivější. Modrý kanál (B) vykazuje obvykle vyšší hodnotu šumu než ostatní barevné kanály (RG). Šum je závislý na mnoha faktorech a jde částečně o náhodný parametr. Rozdíly v rámci dvou po sobě jdoucích identických měření jedné laboratoře jsou do 5 %. Mír;u šumu nelze brát jako absolutní hodnotu. Je možné srovnávat jednotlivé fotoaparáty v rámci jedné metodiky (zkušebny). Vypovídací schopnost má i sledování průběhu šumu daného přístroje. V grafech je na horizontální ose ekvivalent citlivosti ISO a na vertikální ose stupnice šumu dané zkušebny (standardní odchylka signálu). Prostě číslo 4 znamená dvojnásobný šum než číslo 2 při dané metodice. Vytváří se graf jasové složky šumu a tři grafy jednotlivých RGB barevných kanálů.

Grafy D-SLR zrcadlovky s větším (APS-C) snímačem.
Kultivovaný průběh grafu s pozvolným nárůstem šumu.
I při ISO 1600 fotografie použitelné.

Grafy kompaktního přístroje s menším snímačem 1/1,8” rozlišení 8,2 Mpx.
Agresivní nárůst šumu zejména barevného. Od ISO 200 v podstatě nepoužitelné.
Při ISO 300 zapíná redukce šumu, ovšem na úkor jiného parametru obrazu.

Průběh grafu klasického kompaktu 1/2,5”, 5 Mpx.
Nárůst šumu není agresivní.

Pokračování 2 / 2

Jak ovlivníte intenzitu šumu

Jak jsem naznačil v názvu článku, rozdělil jsem příčiny šumu na dvě katergorie.

1. Šumí „jak umí"

Úrověň šumu je závislá na kostrukci snímače. Čím je plocha každého snímacího prvku větší, tím na ní dopadá více světla. Vyprodukovaný náboj je větší a šum relativně menší. Odstup náboje vyprodukovaného světlem odraženým od fotografované scény od náboje jinak vygenerovaného (šumu) je menší. Záleží i na technologii výroby snímače a firmware fotoaparátu. Velikost plochy snímacího prvku je závislá na fyzické velikosti snímače a počtu snímacích prvků v něm. Obecně platí, že méně šumu budou produkovat větší snímače s menším množstvím snímacích prvků. Rozměr snímacího prvku se udává v palcích jeho úhlopříčky. Reálná úhlopříčka je přibižně 2/3 uvedeného rozměru. Důvod je nepochopitelně v historickém označení rozměrů snímacích elektronek v televizních kamerách v padesátých létech. Počet snímacích prvků se uvedádí jako rozlišení fotoaparátu.

2. Šumí, jak mu dovolíme

Tady platí základní pravidlo: čím více světla na scéně, tím menší šum ve snímači. Velký poměr (odstup) užitečného signálu od šumového signálu je zásadní pro kvalitní fotografie.

Z výše uvedeného vyplývá několik zásad, jejichž dodržováním udržíte šum pod kontrolou:

Vyberte si fotoaparát s větším snímacím prvkem a uvažte, zda počet megapixelů (snímacích prvků) využijete. Pokud nehodláte dělat zvětšeniny 18x24 cm a více nebo fotit na titulní stránky časopisů, není nutné vlastnit např. 8 Mpx foťák. Když zarámujete obraz už při focení a nebudete dělat v editoru velký výřez, stačí pro běžné fotky 10x15 cm 3 Mpx. přístroj. Někteří výrobci ve snaze nabídnout zákazníkům co nejvyšší rozlišení, naskládají do stejně velikého snímače více menších prvků. Tato inovace přináší zpravidla zvýšení šumu.
Pokud je to možné, nevolte příliš dlouhou expozici. Prodloužením času expozice se zvyšuje šum. Markantní zvýšení šumu nastává u expozic delších než 1 sec. Rozmýšlet se, zda zvolit 1/60 sec. nebo 1/125 sec., nemá význam.
Nezvyšujte nastavení ekvivalentu citlivosti ISO. Vyšší hodnoty podstatně zvyšují šum.
Disponuje–li váš přístroj redukcí šumu, použijte jí. Tato funkce matematicky eliminuje šum. Může porovnat hodnoty naměřené na sousedních prvcích snímače a pokud některá příliš vybočuje, tak ji upraví. Dalším způsobem je použití dvojí expozice. Jedna se zavřenou závěrkou „vyfotí šum“ a odečte jej od snímku. Existují programy, které odstraní šum v obrázcích (Noise Ninja, Net Image aj). Vytvoříte šumový profil, tím, že označíte oblast s typickým šumem, nebo zadáte typ fotoaparátu (většinu jich program zná). Dále zadáte kompresi a ISO. Na základě šumové analýzy program aplikuje filtr na celý obraz. Bohužel dochází i k lokálnímu rozostření. Matematické metody odstranění šumu nemohou nahradit kvalitní snímek bez šumu.
Vliv tepla na šum příliš neovlivníte. Pouze připomenu, že není dobré nechávat fotoaparát zbytečně zapnutý, pokud jej nepoužíváte. Totéž platí o LCD display. Obojí přispívá k zahřívání snímače a vytváření šumu. Nepoužívejte zvýšené doostření ve fotoaparátu i v editoru. Zvýrazníte tím šum.

Požadavek nezvyšovat ekvivalent citlivosti ISO, neprodlužovat expozici, eventuelně více clonit (lepší kresba objektivu) je trochu jako nakreslit hranaté vejce. Vždy záleží na konkrétní situaci a záměru fotografa. Největší váhu má: zvyšovat ISO jenom v největší nouzi o světlo.