Визуальный шум цифровых камер. Часть 2

Понимание характеристик шума цифровой камеры поможет вам разобраться с тем, как шум влияет на ваши фотографии. Данная статья рассматривает тональные вариации шума, «хроматический» и яркостный шум, а также частоту и амплитуду визуального шума. Также приведены примеры вариаций шума в зависимости от ISO и канала цветности для трёх различных цифровых камер.

Характеристики

Шум изменяется не только в зависимости от выдержки и модели камеры, он может варьироваться и в пределах одного изображения. В цифровых камерах тёмные части изображения содержат больше шума, чем яркие; для плёнки характерно обратное.

Обратите внимание, как шум теряет свою выраженность по мере нарастания яркости. Яркие области отражают более сильный сигнал, то есть количество света, что означает более высокое соотношение сигнал-шум (Signal to Noise Ratio — SNR). Это означает, что недодержанные изображения будут содержать больше видимого шума — даже если вы их осветлите впоследствии. С другой стороны, передержанные изображения будут содержать меньше шума и могут оказаться предпочтительными, подразумевая, что вы можете затемнить их впоследствии, и ни одна из областей, содержащих текстуру, не оказалась засвечена до абсолютно белого (см. «Гистограммы, часть 1»).

Шум состоит из двух частей: вариаций цвета и яркости. Шум цветности, или «хроматический», обычно выглядит неестественно и может сделать изображение непригодным, если выйдет из-под контроля. Пример внизу демонстрирует шум на исходно нейтральном сером образце, с отдельно показанными эффектами хроматического и яркостного шума.

Относительное количество хроматического и яркостного шума может значительно варьироваться в зависимости от модели камеры. Для избирательного снижения как хроматического, так и яркостного шума могут быть использованы программы шумоподавления, однако полностью исключив яркостный шум, можно сделать изображение неестественным или «пластиковым».

Флюктуации шума могут также варьироваться как по амплитуде, так и по пространственной частоте, хотя пространственная частота зачастую не имеет особого значения. Для плёнки часто использовали термин «мелкозернистая» для описания шума, флюктуации которого появляются на малых расстояниях, что аналогично высокой пространственной частоте. Пример внизу демонстрирует, как пространственная частота меняет вид шума.

Если сравнивать два вышеприведенных образца исключительно по амплитуде их флюктуаций (как это делают в большинстве обзоров камер), тогда правый образец шумит больше. Однако визуально правый образец в действительности выглядит значительно менее шумным, чем левый. Причиной этого является исключительно пространственная частота шума.

Даже если пространственная частота шума оказывает решающее влияние, его амплитуда по-прежнему имеет весьма большое значение. Следующий пример показывает два образца с различным СКО шума при одинаковой пространственной частоте.

Заметьте, как образец слева кажется намного более гладким, чем правый. Широкая амплитуда шума может перекрыть такие мягкие текстуры как ткань или листва, так что может оказаться более сложным удалить его, не размыв изображение. Амплитуда шума обычно описывается статистическим термином, называемым «средне-квадратическое отклонение» (СКО), которое отражает типичное отклонение значения пикселя от «истинного». Эту концепцию можно также осознать, взглянув на гистограмму для каждого из образцов:

Если бы в каждом из приведенных образцов шума не было, все пиксели были бы отражены на одной линии (медиане). По мере нарастания шума увеличивается ширина гистограммы. Мы показываем это на примере гистограммы RGB, хотя аналогичное сравнение можно было бы сделать и на гистограммах яркости или цвета. За подробной информацией о типах гистограмм обратитесь к статье «Гистограммы: яркость и цвет».

Примеры

Полезно поэкспериментировать со своей камерой,чтобы вы представляли, какое количество шума появляется для выбранного числа ISO. Ниже приведены примеры характеристик шума трёх различных камер на нейтрально сером образце.

Обратите внимания на различия, вызванные моделью камеры, каналом цветности и числом ISO. Наведите курсор на подписи, чтобы увидеть, насколько разное количество шума несут различные каналы. В цифровых камерах с матрицей Байера (см. «Сенсоры цифровых камер») синий и зелёный обычно шумят больше и меньше всего, соответственно. Обратите также внимание на то, что образцы с камеры Epson содержат цветные пятна, которые раздражают намного больше, чем колебания яркости.

Вы можете заметить также, что увеличение числа ISO всегда увеличивает шум для любой камеры, хотя различия в шуме между камерами могут быть более комплексными. Чем больше размер пикселя в сенсоре камеры, тем большей светособирающей способностью он обладает, а следовательно, создаёт более сильный сигнал. В результате камеры, у которых размер пикселя физически больше, обычно окажутся менее шумными, поскольку сигнал в них больше относительно шума. Вот почему камеры с большим числом мегапикселей при одинаковом размере сенсора необязательно создадут изображение, которое лучше выглядит. С другой стороны, более сильный сигнал необязательно означает меньший шум, поскольку степень шумности определяют не абсолютные уровни сигнала и шума, а их соотношение. Несмотря на то, что у камеры Epson PhotoPC 800 размер пикселя заметно больше, чем у Canon PowerShot A80, заметного шума у неё тоже больше, особенно при ISO 400. Вызвано это тем, что камера Epson выпущена намного раньше и имеет значительно более высокие уровни собственного шума, вызванного менее развитой электроникой.

Часть 1 читайте в статье «Визуальный шум: концепция и типы»