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
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
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
фрагмент
фрагмент
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
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение
11/1,21
13,4/1,16
14,7/1,19
12/1,14
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение
69/2,11
93/2,11
90/2
92/2,27
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение
123/1,32
150/1,19
142/1,48
142/2,09
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
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
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / станд. откл.
12,3/1,19
15,45/1,4
22,5/1,72
13,7/1,29
15/1,47
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / станд. откл.
99/2
99/1,86
138/1,79
100/1,86
116/2,07
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / станд. откл.
172/1,59
167/1,62
209/1,28
152/1,93
173/2,42
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
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
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / станд. откл.
6,38/2
14,2/4,63
17,5/5,8
15/6,24
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / станд. откл.
50,3/3
85/8,9
107/5,6
104/6,31
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / станд. откл.
103/4,22
154/4,24
181/2,61
187/2,72
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
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
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
средняя яркость / станд. откл.
50,3/3
101/3,62
107/5,6
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
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
 
фрагмент
фрагмент
фрагмент
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.

Casio
RGB
RGB после автобаланса с «точкой серого»
R
G
B
свет ламп накал./ ISO 500*/ 0,125 с
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
яркость / стандартное отклонение
127/4,76
121/4,12
102/8,01
дневной свет/ ISO 500*/ 0,063 с
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
фрагмент
яркость/ стандартное отклонение
101/13,44
85/7,94
101/10,24

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
фрагмент оригинала
результат вытягивания в Photoshop
фрагмент
Casio, дневной свет, ISO64*, 0,125c, яркость L = 4
фрагмент
фрагмент
Casio, дневной свет, ISO64*, 0,125c, яркость L = 22
фрагмент

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.






Дополнительно

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.