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.

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.