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.
| Casio | RGB | RGB после автобаланса с «точкой серого» | R | G | B |
| свет ламп накал./ ISO 500*/ 0,125 с | |  |  |  |  |
| яркость / стандартное отклонение | 127/4,76 | 121/4,12 | 102/8,01 | ||
| дневной свет/ ISO 500*/ 0,063 с | |  |  |  |  |
| 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 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.
