Зависимость шума от температуры камеры


Среди множества препятствий к получению хорошего снимка «шум» занимает не последнее место. Некоторый аналог зернистости в обычной серебренной фотографии, шум особенно мешает при воспроизведении детализированного изображения, хотя, конечно, портит и портрет крупным планом.

Шумы для одного сюжета с ISO100 и ISO800

iso 100
фото
iso 800
iso100
iso800
iso 100
iso 800

Шум в цифровой камере обусловлен несколькими причинами. Регулярный шум возникает из-за неоднородности по характеристикам (вплоть до полной неработоспособности) отдельных чувствительных элементов ПЗС или КМОП матрицы. С ним «легко бороться» и это делают, «снимая» матрицу при нулевой экспозиции и вычитая полученную картинку из следующего нормального снимка. Чувствительный элемент фиксирует попадающий свет, накапливая образующиеся в результате действия потока фотонов электроны, что пропорционально попавшему на элемент свету. Вместе с полезным сигналом ячейка накапливает и «тепловые» электроны, случайно «отрывающиеся от атомов» материалов тракта фиксации и передачи сигнала. Вероятность их появления и значит общее количество в многоатомной схеме пропорционально температуре (тепловой шум). Если выдержка невелика, а полезный сигнал силен, то шум почти незаметен — его вклад мал. Но по мере увеличения выдержки при низкой экспозиции количество полезных электронов становится сравнимым с количеством вредных. Поскольку процесс этот вероятностный, электронов при малой экспозиции мало, а чувствительные элементы матрицы отличаются друг от друга по характеристикам, то у соседних ячеек соотношение сигнал/шум разное — вот и видимый шум. Если снимать при нормальной экспозиции (короче 1/30), то шумы не сильно заметны. При длинных выдержках шумы растут. Также они растут и при «перепроявке» — повышении чувствительности электронной «пленки».

Повышение чувствительности в Photoshop с помощью кривых и уровней

iso 400
картинка с ISO400

iso 100 iso 100 с коррекцией
ISO100, слева как есть — недодержка 2 ступени, справа с коррекцией кривых и уровней

В этом случае темная часть характеристической кривой «вытягивается» вверх до среднесерого, а с ней пропорционально усиливаются и шумы («вытягивание» происходит с той частью, в которой количество полезных электронов «сравнимо» с количеством тепловых — в глубоких тенях). Хотелось бы проверить зависимость уровня шума от выдержки, температуры, а также от того, как влияет JPEG сжатие и уменьшение размера картинки в пикселах при смене форматов. Мерой шумности для цифровой фотографии можно считать стандартное отклонение — среднеквадратичное отклонение от среднего, которое выводит Photoshop для всей картинки или выделенной ее области в меню «Гистограмма» (можно смотреть значение среднего и отклонения для яркости L или любого из цветов выбранного цветового пространства RGB, HSB, LAB и т.д, мы будем говорить только о L, хотя и в цветах есть интересные моменты). Для правильной оценки собственной шумности нужно чтобы разница сигнала в пределах кадра была меньше шума (добиться этого и проверить с доступным источником сигнала сложно) или брать достаточно малую область подсчета шумов (при таком способе замера можно сильно ошибиться если координаты области будут смещаться). Поэтому в любом случае лучше брать как можно большую область — тогда случайная ошибка будет меньше. Кроме того, шум может быть меньше неравномерности по полю сигнала снимаемого с матрицы (как например при виньетировании в обычной фотографии). Поэтому первым делом нужно проверить зависимость шума от размера области, по которой производится замер. Если шум не будет расти сильно для «абсолютно однородного поля», то в дальнейших измерениях можно не обращать внимание на положение области замера и замерять по всему кадру. Что же замерять «абсолютно однородное»? Был выбран просто закрытый крышкой объектив.

Итак первая серия — зависимость стандартного отклонения от размера пробной области. Шум практически не растет. В следующих сериях в качестве пробной области выбирался полный кадр.

Размер кадра в пикселах Шум
100 3,08
1600 3,92
10000 4,79
90000 4,66
1000000 4,60
3145728 (2048×1536) 4,68

В каждом эксперименте есть цель, результат и история. Иногда цель в ходе работы меняется или результат становится вовсе не тем, который ожидался — а если бы все было так, как ожидалось, то и делать ничего не надо. Так случилось и в этом тесте. Хотелось просто получить зависимость шума от температуры камеры, от записываемого размеры кадра, от степени сжатия JPEG, от эквив. ISO. Совместим историю с результатом.

Камера помещалась в влагонепроницаемый бокс, включалась и помещалась в холодильник с температурой –10 град. Через каждые 5 минут производилась съемка кадра JPEG с минимальным возможным сжатием и максимальным размером кадра. ISO800, диафрагма минимальна (полностью открыта), выдержка 1 сек. Шум уменьшался не сильно в течение часа измерений.

После этого были проведены серии для разных размеров кадра и разного сжатия. Камера включалась и производилась съемка для iso800 полного кадра, меньшего и до самого маленького, потом для максимального размера минимального сжатия, среднего и максимального. Результат имел постоянную тенденцию роста шума. Ясно, что наша съемочная последовательность имела мало шансов совпасть с естественной зависимостью шума камеры от съемочных параметров. Еще больше уверенности в этом появилось после того, как в последовательности обратной предыдущей опять был обнаружен рост, а не падение шума. В чем причина — в том, что главный источник шума и нагрева — собственный нагрев матрицы и всей электронной начинки в ходе съемки. Оказалось, что после короткой однокадровой съемки следующий кадр с теми же шумовыми характеристиками получается через 2 минуты (при комнатной температуре). Поэтому в любой серии между кадрами должен быть как минимум 2-3 минутный промежуток. Понятной становится и зависимость шумов от времени в вышеприведенной таблицы для охлаждения. Шум теплой камеры велик, сначала камера охлаждается быстрее собственного нагрева — шум падает (до 10 минуты), а затем собственный нагрев компенсирует теплоотвод и шум подрастает — процесс стабилизируется. Поскольку оказалось, что собственный нагрев значителен — нужно проверить зависимости шума от времени при постоянно включенной камере при комнатной температуре для ISO800, t = 8 сек, для кадра максимального сжатия через каждые 0,5 минуты. И через 20 минут постоянной работы при комнатной температуре нагрев продолжается.

Следующая серия — зависимость шума от времени при нагревании (охлажденной до –10), а не охлаждении камеры в режиме быстрое нажатие на спуск (при вдержке 8 сек), выключение и через 1,5 минуты следующий кадр. Когда камера на ощупь стала теплой, промежуток увеличился до 3 минут (с 24 минуты), а затем с 39 минуты камера была постоянно включена. Что видно — охлажденная камера шумит почти так же (1,9 против 2,27), как просто только включенная прогретая до комнатной температуры (20 град). Значит, она почти мгновенно прогревается (за 8 сек) до съемочной температуры (рабочей). При увеличении интервала между кадрами до 3 минут шум слегка падает, а при постоянно включенной камере — сравнительно сильно растет.

В последних двух сериях проверялась зависимость шума от сжатия и размера кадра при гарантированном промежутке 10 минут (iso 800, 8 сек). От сжатия и размера кадра шум в нашей поставновке (высокая чувствительность, длинная выдержка) почти не зависит.

tiff 2048×1536 2,68
fine 2048×1536 2,68
normal 2048×1536 2,68
basic 2048×1536 2,51
1600×1200 fine 2,35
1280×960 fine 2,33
1024×768 fine 2,74
640×480 fine 1,64

Вывод — почаще выключайте фотоаппарат и пользуйтесь короткими выдержками.

Все проведенные измерения выполнялись для "нештатного" режима — ISO и выдержка максимальны. Камера — Nikon 995, матрица, вероятно, — Sony ICX252. Для нормальных значений этих величин следовало бы провести измерения по некоторой светлой однородной мишени и очень хорошей матрице (однородной) на малогреющемся аппарате.






Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

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.