Сравнение шума датчиков. Сравнение шумов фотоаппаратов


Сравнение фотоаппаратов: Оценка DxOMark

Общая оценка.

Французская фирма DxO, вы­пус­кающая извест­ный графи­чес­кий редактор DxO OpticsPro, с 2002 года предоставляет на своём сайте dxomark.com ана­лиз качества изображения мно­гих (но, к сожа­лению, не всех) цифровых фотоаппаратов. Фир­ма анализирует прежде всего глубину цвета полученных из тестируемой фотокамеры сним­ков, их динамический диапазон, а также возмо­жности фотоап­парата при плохом освещении. Оценка качества изображения от DxOMark, построенная на основе замеров на професси­ональной аппаратуре, стала стандартом для мно­гих фото­гра­фов и помощью всем, вы­би­рающим новый фотоаппарат. В общей оценке DxOMark суммируются резуль­таты всех замеров тестируемой камеры и выста­вляется общий балл, на основе которого можно судить о том, насколько данный фотоап­парат хорош, как камера „на все случаи жизни“. DxOMark не классифицирует камеры на „хо­ро­шие“ и „плохие“ на основе своей оценки, но при­бли­зи­тель­но можно сказать, что балл больше 85 — это очень хорошая оценка, между 75 и 85 — хо­ро­шая оценка, где-то между 65 и 75 — средняя оценка, а вот балл ниже 65 на сегодняшний день уже можно считать недостаточ­ным.

Глубина цвета.

О глубине цвета, заложенной в 12 или 14-битных RAW файлах, уже довольно много говорилось в разделе «Формат файлов». В оценке DxOMark речь, однако, не идёт о глубине цвета каждого из цветовых каналов RGB по отдельности, а о максимальной цветовой чувствительности всех трёх цветовых каналов в сумме, т. е. о том общем количестве цветов, которое матрица каме­ры в состоянии воспроизвести. Чем выше замеренное значение глубины цвета, тем лучше качество цветопередачи данно­го фотоаппарата. Цветовая чувствительность в 22 бит — уже отличный пока­затель. Это зна­чит, что матрица каме­ры спо­собна отличить друг от друга 4 миллиона 194 тысячи 304 раз­личных цветов и оттенков. Сегодня на ры­нке существует много фотоаппаратов с глуби­ной цвета в 24 и более бит, которые способны раз­личить более 16 миллионов цветовых оттенков.

Динамический диапазон.

Динамический диапазон каме­ры — очень важный параметр для пейзажной съёмки. Чем шире дина­мический диапазон фотоаппарата, тем лучше он способен одновременно переда­вать и яркие и тёмные участки одной сцены. В пейзажной фото­графии много высококон­трастных сцен, когда хочется отобразить как тени на пе­реднем плане, так и яркий зад­ний план с максимальным коли­чеством деталей. Типичная си­ту­ация: тёмная ли­ства на фоне яркого неба. Фотоаппараты с недо­статочно широким динами­ческим диапазоном не в сос­тоянии передать все детали такой сцены одинаково хоро­шо — либо листва получается чёр­ной, либо небо белым.

При этом на неправильно экспонированных участ­ках фо­то­графии теряются ценные детали (на не­бе, к примеру, теряются облака), которые да­леко не всегда можно вернуть при последующей ком­пьютер­ной обработке. В идеале дина­мический диапазон камеры дол­жен быть больше, чем динами­ческий диапазон сцены.

В оценке DxOMark показан максимальный дина­мический диапазон камеры в экспози­ционных числах (EV, по-англий­ски: Exposure Value). Зна­чения динамического диапазона боль­ше 12 EV считаются хорошими, а разница между двумя зна­че­ниями, которая меньше чем 0,5 EV, пра­ктически не заметна.

Low-Light ISO.

В особенности спортивные фотожурналисты и „репортаж­ники“ часто сталкиваются с про­блемой недостатка света при съёмке быстродвижущихся объ­ектов. Основной задачей таких фотографов является замора­жи­вание движения, для чего необходимо выставлять корот­кое время экспо­зиции. Чтобы при этом компенсировать нехва­тку света, фотографу прихо­дится увеличивать значе­ние ISO, что, как Вы знаете, повы­шает уровень шумов. В добавок к этому, с увеличением зна­че­ния ISO ухудшаются динами­чес­кий диапазон и глубина цвета.

Высокий уровень шумов на фотографии. Снимок сделан „мыльницей“ с матрицей очень небольшого размера.

Эффективность камеры при раз­личных значе­ниях ISO мож­но хорошо описать отношением сигнала к шуму, которое из­меряется в децибелах (дБ). Сигнал — это та информация с матрицы, которая создаёт кар­тинку, а шум, возникающий при усилении сигнала, — это то, что картинку портит (смотри раздел «Шаг пикселя, размер фотодио­дов и „шумность“ матрицы»). Отношение сигнала к шуму приблизительно в 30 дБ счита­ется идеальным. При этом значении шумы на фотографи­чес­ком изображении практи­чес­ки не­заметны. DxOMark замеря­ет, до какого значения можно поднять ISO на тестируемой камере, чтобы отношение сиг­нала к шуму не превысило 30 дБ, динамический диапазон не опустился бы ниже 9 EV, а глубина цвета была бы не ниже 18 бит. Это, определённое экс­периментальным путём, значе­ние ISO и есть показатель эффе­ктивности камеры при сла­бом освещении (Low-Light ISO). Можно сказать, что Low-Light ISO — это максимально-допустимое значение ISO, при котором ещё не возникают видимые шумы.

Если мы вернёмся к нашему сравнению Nikon D5600 и Nikon D7100, мы увидим, что глубина цвета обеих камер различается лишь на 0,1 бит, динамический диапазон на 0,3 EV, а Low-Light ISO всего на 50 единиц. То есть матрицы этих двух фотоаппаратов хоть и произведены на разных фир­мах, но практически не отли­чаются друг от друга по своим параметрам. Это даёт нам основание предположить, что при прочих равных условиях съёмки, сравниваемые камеры скорее всего дадут нам очень похожий фотографический ре­зуль­тат. Что и подтверждается общей оценкой DxOMark, в которой Nikon D5600 и D7100 отличаются друг от друга всего на один балл.

В конце этого раздела хочется ещё сделать одну важную оговорку. DxOMark всего-лишь измеряет некоторые физичес­кие параметры (матрицы) фо­тоаппарата, которые никак не влияют на наше субъективное восприятие фотографического изо­бражения, полученного с помощью него. Некото­рые лю­бят яркую картинку из фото­аппаратов Olympus, другие же считают её слишком „попсовой“ и нереалистичной. Многие верят в „честную“ картинку Canon, другие считают её слишком „трезвой“ и покупают Nikon. Но, в любом случае, сравнение глубины цвета, динамического диапазона и Low-Light ISO, описанное в этом разделе, помогут Вам отсеять те фото­камеры, которые никак не подойдут к Вашему фото­графическому профилю.

camspex.com

ISO: есть ли уменьшение шума на новых матрицах

Здравствуйте, уважаемые читатели моего блога!

Я уезжал на месяц в Индию, но теперь могу продолжить радовать вас своими статьями. Времени даром я не терял и привез некоторые интересные материалы, которые буду постепенно публиковать.

я в Индии. Местечко Ланавла, высоко в горах, недалеко от г.Пуне

Так, довелось мне немного поснимать на камеру Canon 1D X, нынешняя топовая камера Canon, которую я планирую себе в будущем купить, если не успеет выйти новая модель. Свои впечатления об этой камере я опишу в другой статье дабы быть ближе к теме данной статьи.

Немного технических и теоретических сведений об ISO (чувствительности)

Свет через объектив поступает на сенсор камеры. На сенсоре расположены микролинзы, которые фокусируют свет с бОльшей площади на фотоэлементы. Фотоэлементы конвертируют фотоны в электрический заряд, который накапливается в зависимости от длительности и интенсивности освещения. «Лишний», не помещающийся заряд, отводится с накопителя по специальным дорожкам (дренаж), дабы не создавать дополнительных искажений замера света.

На рисунке схематично представлены микролинзы и фотоэлементы под ними. в данном случае рекламируется уменьшение барьеров между микролинзами в новых камерах, что _должно_ вести к увеличению чувствительности матрицы.

Элементов, считывающих каждый свой цвет (R,G,B) по 3шт на условный пиксель (под одной линзой). В некоторых матрицах больше.

Заряд отдельного элемента усиливаются его индивидуальным предусилителем (матрица CMOS).

Камера делает каждый раз не 1 снимок, а 2 снимка. Один с открытым затвором, чтобы захватить изображение, а другой с закрытым, чтобы снять картину паразитных зарядов на предусилителях, которую камера вычтет из первого снимка и таким образом сильно снизит влияние неоднородности характеристик предусилителей (их столько же, сколько пикселей).

Иначе было на CCD матрицах, где был один предусилитель на всех и схема была весьма негибкая.

Далее данные о заряде фотоэлементов преобразуются в числовые данные посредством АЦП камеры с разрядностью 12 или максимум 14бит.

Разрядность АЦП обеспечивает нам точность измерения аналогового сигнала и преобразования его в числовое значение. Причем для измерений существует некое пороговое значение напряжения, относительно которого измеряется заряд. Если оно маленькое, то это с одной стороны позволяет измерять заряд очень точно при высоких ISO, но с другой стороны тут уже вся схема должна обеспечивать такие измерения, иначе вы рискуем получить уровень шума выше уровня измерений (плохой SNR).Если же пороговое напряжение высокое, то мы не можем работать на высоких ISO (при низком сигнале) тк мы просто не сможем измерить его относительно порогового. Точность будет недостаточной.

Если напряжение некое среднее, то мы можем охватить достаточный динамический диапазон, а средние значения, на которые не хватает разрядности АЦП просто рассчитать.Эти значения (честные ISO) вобщем-то для некоторых камер уже измерены и известны.

«Нечестные» значения ISO могут получаться как предусилителем сигнала, так и простой цифровой интерполяцией.Соотношение влияния предусилителя и цифровой обработки мне неизвестно и имеет скорее научное значение, в отличие от известных «честных» ISO.

Насколько я замечаю, Nikon (или правильнее говорить про производителя сенсоров Sony) уже стал активно пользоваться адаптивной регулировкой предусилителей, так как у него при повышении ISO обрезание светов заметно уменьшилось и выгодно смотрится при сравнении снимков с камер Canon и Nikon «в лоб». Что же... Ответ от Canon, я думаю, не за горами.

Какие важные параметры влияют на наше восприятие шума на фотографии?

1. Количество шума по сравнению с полезным чистым сигналом (SNR — signal to noise ratio).2. Характер шума. Шум бывает разной формы и цвета. Рисунок шума и его цвет воспринимаются нашими глазами/мозгом по-разному.

От чего зависят эти два предыдущих пункта?

1. Количество шума зависит от:— достаточности/недостаточности освещения сцены. меньше света — больше шума в ТЁМНЫХ областях. Рекомендую обратить внимание, что в светлых областях может быть очень мало или вообще не быть шума на высоких ISO и ,наоборот, на ISO 100 в тёмных областях шума довольно много.— Плохой АЦП. Некорректная обработка сигнала с фотоэлементов, паразитные заряды и тд. С этим производителя борются, но не слишком активно так как данный вид улучшений может сильно повлять на цену камер (сравните цену бытового усилителя и высококачественного, с очень низким SNR).— Низкая чувствительность матрицы (в свою очередь зависит от чувствительности фотоэлементов, их расположения, микролинз и барьеров между фотоэлементами). Затрудняюсь сказать, что препятствует большим улучшениям по данному пункту, но факт в том, что чувствительность матриц повышается крайне медленно.— Нагрев матрицы при длительной работе. С переходом на CMOS-технологию матриц вопрос стал менее острым, но все равно актуален для астрономов и съемок на больших выдержках.

2. Характер шума зависит от:— Устройства АЦП— Структуры матрицы и расположения фотоэлементов на ней— Фильтра, расположенного перед матрицей

Я решил написать этот абзац потому как и среди русскоговорящих тестеров, которые писали статьи на эту тему «разброд и шатание» в понимании как работает алгоритм повышения чувствительности на современных цифровых зеркальных камерах. Я не претендую на абсолютное знание алгоритма (можете смело и аргументированно меня поправлять и уточнять), но тем не менее я приведу факты, которые свободно доступны от производителей камер и не только.

По своему тесту я буду делать выводы визуально. Частично по общему количеству шума, а частично по детализации снимка на которую этот шум непосредственно влияет. Второй критерий гораздо более точно описывает происходящее при усилении шума.

Выражаю огромную благодарность Станиставу Л., предоставившему для тестов свою камеру (но само собой не только за камеру, а много за что).

камера Canon 1D X

Вообще принцип камер 1D мне знаком по камере Canon 1D mark II N, которая честно служила мне долгие годы. Принцип заключается в бескомпромиссном качестве для проф.камер, которыми являются только камеры серии 1D у Canon. Именно по этой причине и интересно сравнить шумы на камере 1D X с шумами на камере Canon 5D mark II, которая уже является заслуженным «старичком» и принадлежит к любительскому сегменту камер. В том, что Canon 5D mark II является любительской камерой нет ничего плохого. Наоборот, она весьма хороша как любительская и потому многие пользуются ей профессионально, для коммерческой съемки. В том числе так делаю и я.

Ранее я уже публиковал статью Цифровой шум (сравнение Canon 1d Mark II N, Canon 20D, Canon 5D, Canon 5D mark II где видно, что большого преимущества в предыдущих поколениях не было, вопреки заявлениям маркетологов.

Посмотрим, есть ли улучшения в современной топовой камере.

Камера на штативе, объектив Carl Zeiss Makro- Planar 50/2 ZE, диафрагма везде F8.

Сначала я попробовал добавить к правильной экспозиции Canon 1D X 2 ступени, чтобы высветлить темные области и сделать видимыми шумы, а потом поставить те же настройки в Adobe Camera RAW для Canon 5D mark II. Но посмотрите результат.

Canon 1D X, F8, 1/30 +2EV, iso 100

Canon 5D mark II, F8, 1/30, +2EV, iso 100

Баланс белого одинаковый, шумодав отключен в камере и конвертере.

По картинкам явно видно, что ISO100 понимается камерами по-разному. Картинка я Canon 1D X явно темнее из-за чего пересвеченное фото с Canon 5D mark II смотрится совсем нехорошо, с большими пересветами.

Вобщем-то это меня и не удивляет. Я давно это чувствовал. Да и не я один. Тот же DxO публикует соотношение заявленных производителем камеры ISO и реально измеренных. На их тесты я ссылать не буду тк это «кот в мешке», они публикуют только результаты, а сделаю свои, прозрачные/понятные для читателя замеры.

Пришлось для правильного теста настраивать одинаковую яркость фото по цифрам черного, белого и серого для каждого фото, чтобы в одинаковых местах они максимально совпадали по яркости.Про черный и белый не нужно понимать буквально тк это цвета условные, а мне было нужно лишь привести снимки к одинаковой яркости. Сами же черный и белый зависели полностью от настроек в конвертере.Снимки я недоэкспонировал и позже вытянул в среднесерые тона, чтобы получить побольше шумов, которые и будем анализировать.

Я и раньше замечал, что ISO разные производители понимают по-разному, но чтобы у одного производителя они отличались — увидел впервые.

Оказалось, снимок с Canon 1D X темнее снимка с Canon 5D mark II примерно на 0.55 EV. Плюс при одинаковом балансе белого снимки отличаются по цветовой гамме. Снимок с Canon 5D mark II имеет больше красных оттенков, а снимок с Canon 1D X более достоверен (напоминаю — одинаковый баланс белого! 4450К, +49).

ISO 100

Чтобы было хорошо видно, привожу осветленные кропы.

Здесь видно, что характер шума не изменился (рисунок), интенсивность тоже. Зато изменился цветовой баланс шума (стало меньше красного, а больше зеленого) и контраст шума стал меньше.В целом это нам обещает прогресс в плане шумов. Да даже по контуру горы видно, что шум стал меньше влиять на резкость фото, контур горы более четкий на 1D X.

ISO 200

Canon 5D mark II, iso 200

Canon 1D X, iso 200

После подстройки по цифрам получилось +3EV для Canon 1D X и +2.65EV для Canon 5D mark II.

Гора стала «читаться» похуже. Шума стало больше. Фрагмент с Canon 1D X выглядит гораздо менее шумным, чем с Canon 5D mark II благодаря тому, что шум здесь менее контрастный и меньше мешает видеть сам объект съемки.

ISO 400

Для выравнивания яркости снимков коррекция составила опять +0.55 EV для снимка с Canon 1D X.В целом снимки осветлены так:

Canon 5D mark II: +2 EVCanon 1D X: +2.55 EV

Canon 5D mark II, iso 400, +2.00 EV

Canon 1D X, iso 400, +2.55 EV

Обратите внимание на «читабельность» линии горы. На Canon 5D mark II шум уже почти убил детали в тенях, а на Canon 1D X детали в тенях еще сохраняются.

Данные о шуме без коррекции яркости снимов в конвертере:Canon 5D mark II, SNR=21.78/1.45=15.02Canon 1D X, SNR=20.76/1.07=19.40

Измерения проведены по большому однородному участку неба.В данном случае на 1D X шумов гораздо меньше.

ISO 800

Canon 5D mark II, iso 800

Canon 1D X, iso 800

Дальше я запорол тест тем, что поменял значения выдержки.Выдержку менять в таких тестах ни в коем случае нельзя, так как если попадает на сенсор больше фотонов, то и соотношение сигнал/шум сильно улучшается.

Так что далее можно сравнивать только некоторые снимки и не между камерами, а для каждой камеры отдельно.

Но вобщем тестировать далее ISO 800 может и интересно, но практического смысла несет мало. ISO 800 на всех этих камерах предельное для съемок в сумерках по моему мнению. Крайнее значение 1000. Но я стараюсь далее 800 не уходить, чтобы шумы еще были полностью устранимыми почти без потерь детализации картинки.

Canon 5D mark II

Вот, к примеру, кропы 100% снимков с Canon 5D mark II на ISO 3200 и ISO 4000 с одной выдержкой 1/2s, диафрагма как и выше F8.

Для выравнивания яркости я поднял в конвертере значение экспозиции:

для ISO 3200 на +1.45 EVдля ISO 4000 на +1.00 EV

ISO 3200 +1.45 EV

ISO 4000 +1.00 EV

Контур горы, который тут есть, уже так плохо «читается», что сложно сказать какой фрагмент шумнее. На глаз я уже не решусь вынести вердикт.

Но в Adobe Photoshop есть такой параметр как Std Dev, который описывает разброс яркостей во фрагменте.

Описание методики в следующей статье С какого ISO старые и новые камеры начинают «шуметь» на светлых участках снимка

Вставляем кадры в один PSD файл, выравниванием (без масштабирования), выделяем одинаковый равномерный участок, без деталей и смотрим по Std Dev разброс яркостей, отключая верхний слой и включая его. Также смотрим уровень сигнала — Mean.После считаем по формуле SNR = Mean / Std.Dev

Итак, для фрагмента на ISO 3200 я получил SNR=50.37/5.03=10.01, а для ISO 4000 SNR=51.36/4.69=10.95

Получается кадр, снятый на ISO 3200 и подтянутый в конвертере шумнее, чем кадр снятый на ISO 4000, но меньше подтянутый в конвертере.

Это интересный момент. Беру еще два кадра. ISO 400 и ISO 800. Сняты с одинаковой выдержкой и диафрагмой. И прочим.Кадр на ISO 800 будет без подтягивания экспозции в конвертере, а ISO 400 с подтягиванием на 1 стоп, чтобы идеально сравняться с ISO 800.

для ISO 400 на +1.00 EV: SNR=30.89/2.29=13.48для ISO 800 на +0.00 EV: SNR=30.68/1.94=15.81

Однако!Получается повышать ISO выгоднее в плане шума, нежели тянуть из конвертера недоэкспонированные снимки. Прямо противоположный результат предыдущим испытателям.

Дабы не быть голословным прилагаю два RAW файла соответственно. Курочьте их как хотите — убеждайтесь или опровергайте, если сможете.

  _MG_6536.CR2

  _MG_6537.CR2

Также не забудьте отключить шумодав в конвертере и усиление резкости.

  _MG_6536.xmp

  _MG_6537.xmp

Ну что же... Хороший повод проверить нашу находку и на другой камере.

Имеются два кадра. Оба сняты на F8, ½сек. Только один кадр на ISO 3200, а другой на ISO 6400.Объектив все тот же: Carl Zeiss Makro-Planar 50/2 ZE.

Коррекцию экспозиции ставим такую (чтобы было хорошо видно шум и чтобы по яркости снимки совпадали):

ISO 3200: +4.00 EVISO 6400: +3.00 EV

Выделил фрагменты 600×388 пикс. Поднял одинаково контраст по цифрам.

На глаз победителя выбрать сложно, так что будем судить как в прошлый раз по разбросу яркостей.

ISO 3200 + 4 EV : SNR=59.23/12.43=4.76ISO 6400 + 3 EV : SNR=59.72/11.65=5.12

Отсюда вывод — выгоднее поднимать ISO в камере, нежели потом надеяться на конвертер.

Но в целом не стоит полагаться на высокие ISO. Старайтесь хорошо экспонировать снимок, применять мультиэкспозицию, брекетинг и т.д. Крайне рекомендую штатив при слабом освещении везде, где это возможно (например, в репортажном фото совет не годится).

Камера Canon 1D X имеет менее шумную матрицу, чем Canon 5D mark II. Но это преимущество не такое значительное, как хотелось бы владельцу такой дорогой камеры.

К логичному совету правильной экспозиции снимка добавлю теперь рекомендацию не надеяться на RAW конвертер и повышать ISO по необходимости, если нет возможности снимать на более открытой диафрагме или с более длинной выдержкой.

В ближайшее время надеюсь дополнить эту статью второй частью, где проанализирую ISO для обеих камер Canon 1D X и Canon 5D mark II до максимума их возможностей.

Canon 5D mark II до ISO 25600, а Canon 1D X до ISO 204800.

Вопрос будет стоять так: при каком значении ISO начинаются шумы на светлых областях кадра (для темных понятно более менее, но когда предусилители сигнала начинают вредить по-настоящему?). Какое максимальное ISO считать рабочим для репортажной съемки в этом плане?

Ну и постепенно буду радовать читателей снимками из последней своей поездки.

Индия, местечко Ланавла

Я не стал убирать мусор из кадра, так как он дополняет впечатление об Индии. Пусть всё будет правдоподобно — красивая природа и местный мусор, оставленный не иностранными туристами, а местными.

evtifeev.com

Сравнение шума датчиков - Photar.ru

Обычно очень просто сравнить характеристики двух камер, но мы не можем судить об уровне шума без тестовых снимков. Фотограф Брендан Дэви взял на себя обязанность, создать ресурс Sensor Noise DB. Как фотограф, который снимает много ночных и сцен, Дэви знает какие камеры имеют минимальный уровень шума при съемке с длительной выдержкой при высоких ISO. Для поиска базовых характеристик камер Дэви снимает длинные выдержки с закрытой крышкой корпуса, прикрепленной вместо объектива.

Для каждой камеры он делает 3 различных снимка с длительностью экспозиции 1 секунда, 30 секунд и 300 секунд (5 минут). Другие факторы остаются неизменными: свет не попадает в видоискатель, съёмка ведётся при комнатной температуре, ISO установлена на уровне 3200, NR (подавление шума) выключен, RAW максимального качества.

Для того, чтобы сравнить результаты двух камер, просто выберите их из выпадающего меню на сайте Дэйви. Вот Canon 1D X по сравнению с Nikon D4:

 

Дэви говорит, что его тесты позволили сделать некоторые интересные наблюдения. Одно из них, что камеры часто работают хорошо на 1 секунде и 30-секундных экспозициях, но очень плохо в течение 5 минут.

Например, Nikon D7100 очень плох при съемке с длительной выдержкой при высоких ISO:

 

«Я уверен, что астрофотография не является приоритетом для 1DX», говорит Дэви. «В конце концов, свадебный фотограф или фотограф спорта не будет нуждаться в таких длительных выдержках»

Дэви также обнаружил, что некоторые камеры по всей видимости, выполняют дополнительное снижение уровня шума на фотографиях, независимо от настроек камеры.

«Хорошим примером этого является Fuji X-Pro2,» говорит Дэви. «Похоже, что датчик на самом деле работает лучше с более длительными экспозициями.»

 

База данных также показывает, что более дорогие камеры не всегда обеспечивают лучшее качество изображения. Поскольку некоторые модели камер оборудованы одинаковыми или аналогичными датчиками разница в качестве снимка будет незначительной или вовсе будет отсутствовать, несмотря на разницу в ценниках.

Примером этого является Canon 7D за $999 и Canon 700D $600:

 

comments powered by HyperComments

photar.ru

Про шум, или Очередная попытка выработать критерий оценки шумности цифровых камер

В прошлой статье «Зависимость шума от температуры камеры» было показано, что:

  • 1) шум цифровой камеры сильно зависит от ее температуры,
  • 2) даже охлажденная до — ХХ градусов камера через несколько минут сама себя прогревает до очень шумного состояния (поэтому начальная температура ХХ не имеет значения), а для уменьшения «цифровой зернистости» следовало бы выполнять съемку в режиме: «все настроил, выключил, камера остыла, включил и быстро снял» (но не все камеры сохраняют настройки после выключения),
  • 3) сжатие по размеру кадра и JPEG практически не влияет на шумность картинки в представлении шума, как стандартного отклонения от сигнала (не визуально).

Все измерения проводились для закрытого крышкой объектива, то есть при «нулевой» яркости, а критерием шума было стандартное отклонение (среднеквадратичное отклонение от среднего в гистограмме распределения яркостей) и само среднее значение яркости.

Субъективное восприятие шумов на снимке во всем диапазоне воспроизводимых яркостей при разной освещенности снимаемых объектов и его корреляция с «объективной оценкой» — стандартным отклонением — предмет этой статьи.

В тесте использовались две камеры Casio QV3000 и Minolta S304.

Для тестов был распечатан тестовый объект — разделенный на четыре равные части с различной оптической плотностью лист формата А3, запечатанный черными чернилами. При автоматической отработке экспозиции камерами, использовавшимися для тестов, яркость, определяемая с помощью опции Photoshop «гистограммы» в пространстве Lab — L (в диапазоне 0-255) для каждого из участков тестового снимка составляла приблизительно 10-20 (черный), 100 (темно-серый), 150-170 (светло-серый), 200-240 (белый). Объект освещался дневным светом или светом ламп накаливания. Камера фокусировалась на бесконечность, находясь в метре от снимаемого объекта. Для оценки из конечного кадра вырезался квадрат площадью 100×100 пикселов. Все это (расфокусировка и вырезание фрагмента) делалось для того, чтобы избежать влияния на результат неравномерности освещения и неоднородности самого тестового объекта. Глаз этих неравномерностей не замечает, а вот «гистограммы» способны отличить сфокусированный кадр от несфокусированного и прямое освещение от бокового. С другой стороны, 100×100 позволяет визуально оценить изображение и уменьшить случайную ошибку, которая при 10×10 сильно зависит от того, попали ли мы в скопление «горячих пикселов» или нет. По поводу последних — не стоит их принимать за некоторое постоянное и неизменное состояние чувствительной матрицы камеры и считать чем-то особенным среди «всего шумящего». Разброс в характеристиках составляющих ячеек матрицы особенно сильно проявляется при «переэкспонировании» — повышении ISO и длительных выдержках — и приводит к видимому глазом шуму на изображении. На этот разброс накладывается постоянный фон теплового шума, и в результате мы видим «цифровое зерно».

Для того, чтобы правдоподобно представить изображение читателю и в то же время посильнее сжать его в JPEG, использовалась операция Photoshop «сохранить для WEB». Правомочность этого рассмотрим на примере фрагмента, изначально снятого в режиме записи в формате TIFF камерой Minolta, при условиях ISO 800; t = 1/15 с; f: 3.7; поле L — 100 (напомним еще раз, для диапазона 0-255 — далее везде подразумевается этот диапазон). Для сравнения приводятся фрагменты кадров, снятых с записью в JPEG fine (наилучшее качество) и normal (нормальное качество) со сжатием 1:14 и 1:22, и обычное сохранение в JPEG Photoshop с различной степенью качества.

сжатие кадр JPEG качество 12 кадр JPEG качество 6 кадр JPEG качество 1 кадр JPEG для WEB сжатие 14 кадр JPEG для WEB сжатие 22
 
размер Кб 16 4 6 3 2
станд. откл. 5,72 5,27 3,34 5,3 5,15
Сжатие JPEG в камере, сохранено после «вырезания» в Photoshop, качество 12
Качество сжатия в камере, стандартное отклонение до сохранения в Photoshop «наилучшее качество»5,5 «нормальное качество»5,34

Итак, далее иллюстрации можно без потери качества (визуально) сохранять в «для WEB» со сжатием около 40% , что для нашего фрагмента примерно равно 1:14. О влиянии сжатия Photoshop на шум судите по картинкам. Сжатие 14 для «наилучшее качество» Minolta означает только то, что конкретный файл-снимок (не фрагмент) камере удалось так сжать. Для «стандартного» сюжета сжатие в режиме «наилучшее качество» обычно составляет 4-10. Размер файла сильно зависит от сюжета, а визуальное качество конечного снимка цифрового фотоаппарата (цфк) в JPEG «наилучшее качество» более чем достаточно (при правильном выборе и реализации алгоритма сжатия фирмой-производителем — в последнее время все с этим справляются).

Съемка тестового объекта производилась двумя камерами Minolta S304 и Casio QV3000 одновременно. Камеры включались и настраивались для каждого снимка более минуты, так что температурный режим съемки можно считать стандартным и «рабочим» (камера прогрета).

Далее представлены результаты испытаний для света лампы накаливания. Баланс белого камер устанавливался вручную. Интенсивность освещения объекта менялась удалением источника света. Экспозиция отрабатывалась автоматически и с экспокоррекцией для получения сходных результатов (так, чтобы яркость второго по плотности серого поля на снимках была около 100) камерами с различной базовой чувствительностью (у Casio есть нормальная чувствительность и несколько ступеней повышенной, стандартную можно условно принять за 64*, а повышенную за 500*, Minolta 100 и 800 соответственно) и диафрагмой Casio 4, Minolta 3,7.

Casio QV3000, f:4, свет ламп накаливания
ISO/выдержка, с 64*/ 0,125 64*/ 0,05 iso 64*/ 0,031 64*/ 0,019
фрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение 11/1,21 13,4/1,16 14,7/1,19 12/1,14
фрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение 69/2,11 93/2,11 90/2 92/2,27
фрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение 123/1,32 150/1,19 142/1,48 142/2,09
фрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение 154/1,1 191/1,02 174/1,39 191/1,17
Minolta S304, f:3.7, свет ламп накаливания
ISO/выдержка c 100/ 0,5 100/ 0,125 100/ 0,044 100/ 0,017 100/ 0,011
 
средняя яркость / станд. откл. 12,3/1,19 15,45/1,4 22,5/1,72 13,7/1,29 15/1,47
 
средняя яркость / станд. откл. 99/2 99/1,86 138/1,79 100/1,86 116/2,07
 
средняя яркость / станд. откл. 172/1,59 167/1,62 209/1,28 152/1,93 173/2,42
 
средняя яркость / станд. откл. 218/0,98 206/1,25 240/0,87 202/1,63 217/1,39

Как видно, обе камеры дают близкие результаты. В темно-серой области (L100) при любых выдержках и базовой чувствительности хорошо заметен шум. Такой шум, например, скорее всего будет у фона при съемке со встроенной вспышкой портрета, если фон удален на 1-2 метра от снимаемого. При близком значении яркостей фрагментов визуально шумы оцениваются почти одинаково для разных камер, ISO и выдержек. В диапазоне выдержек 1/2 — 1/100 с сильного изменения (падения или роста) шумов не происходит. Результаты для дневного света аналогичны. По снимкам хорошо видно, что у Minolta S304 более высокий контраст при воспроизведении снимка. Также было замечено, что при последовательной съемке одного и того же сюжета (с одной освещенностью) камера отрабатывала различные «соседние» выдержки, тогда как Casio в этом замечена не была.

Сравним шумы для максимальной чувствительности камер для света ламп накаливания и дневного света.

Casio f: 4 Minolta f:3.7
освещение/ISO/ выдержка, с. свет ламп накаливания/ 500*/ 0,125 дневной свет/ 500*/ 0,063 свет ламп накаливания/ 800/ 0,067 дневной свет/ 800/ 0,033
 
средняя яркость / станд. откл. 6,38/2 14,2/4,63 17,5/5,8 15/6,24
 
средняя яркость / станд. откл. 50,3/3 85/8,9 107/5,6 104/6,31
 
средняя яркость / станд. откл. 103/4,22 154/4,24 181/2,61 187/2,72
 
средняя яркость / станд. откл. 142/2,78 195/3,24 225/1,26 229/1,21

Более контрастный и светлый снимок Minolta выглядит менее шумным. Однако если сравнивать не тестовые исходные поля, а поля снимка, приведенного к одной яркости, то результат опять же близок. Повышение яркости с помощью опции «уровни» Photoshop позволяет скорректировать изображения Casio, чтобы они стали близки изображениям Minolta по параметру L и визуально.

Casio f:4 Minolta f:3.7
освещение/ ISO/ выдержка, с. свет ламп накаливания/ 500*/ 0,125 Применение Photoshop, «Уровни» к левому фрагменту свет ламп накаливания/ 800/ 0,067
 
средняя яркость / станд. откл. 50,3/3 101/3,62 107/5,6
 
средняя яркость / станд. откл. 142/2,78 223/1,05 225/1,26
Casio f:4 Minolta f:3.7
освещение/ ISO/выдержка, с. дневной свет/ 500*/ 0,063 Применение Photoshop, «Уровни» к левому фрагмент дневной свет/ 800/ 0,033 c
 
средняя яркость / станд. откл. 85/8,9 106/8,93 104/6,31

То, что разные цветовые каналы шумят по-разному, известно. Это проявляется при изменении баланса белого.

Как видно, при свете ламп накаливания основной шум вносится каналом синего, а при дневном свете каналы шумят «почти одинаково». Если снимаемый объект имеет цветовой тон, совпадающий с наиболее шумным каналом, то, скорее всего, визуально шум заметен не будет. Однако, для тестового фрагмента, приводимого к «серому», отношение стандартного отклонения к среднему значению для сигнала в каждом из каналов может быть неплохим объективным показателем шумности.

Как сильно можно вытягивать картинку «Уровнями» Photoshop для «повышения чувствительности»? Ниже приведен результат коррекции уровней для самого темного поля и второго по плотности для кадра, снятого с недодержкой, до яркости второго поля по плотности для кадра с нормальной экспозицией и ISO 500*. Вытянуть «крайние» тени почти невозможно, а вот если фрагмент не лежит на краю характеристической кривой по яркости, то сделать это можно.

 

Casio, дневной свет, ISO500*, 0,063c, яркость L = 85

фрагмент оригинала

результат вытягивания в Photoshop

Casio, дневной свет, ISO64*, 0,125c, яркость L = 4
Casio, дневной свет, ISO64*, 0,125c, яркость L = 22

Электронная и интеллектуальная начинка камеры хорошо справляется с повышением чувствительности, но при этом неизбежна потеря качества снимка, как и в обычной фотографии. Коррекция в графическом редакторе, которая дает фактически почти тот же результат, требует от фотографа определенного умения, поскольку автоматическая коррекция не всегда приемлема.

Заключение

Обе статьи про шум писались и для того, чтобы выработать некий объективный критерий оценки шумности цифровых камер. Отношение стандартного отклонения к среднему значению сигнала вполне подходит для этого, однако его использование требует соблюдения ряда правил (в основном, равномерность освещения и однородность окраски снимаемого тестового объекта). Кроме того, этот критерий можно использовать только оговорив, какой яркости объекта он соответствует. Так, при L 10-50 даже большое значение этого отношения не соответствует субъективно воспринимаемому шуму (шум кажется меньше), если сравнивать его с более яркими L 100-150 участками изображения с гораздо меньшим отношением шум/сигнал. Субъективная оценка фрагментов более показательна и фрагмент оптического клина при разных ISO и выдержках может служить критерием для сравнения камер.

www.ixbt.com


Смотрите также