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
  фрагментфрагментфрагментфрагментфрагмент
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 фрагментфрагмент
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 фрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение 11/1,21 13,4/1,16 14,7/1,19 12/1,14
фрагмент фрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение 69/2,11 93/2,11 90/2 92/2,27
фрагмент фрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / стандартное отклонение 123/1,32 150/1,19 142/1,48 142/2,09
фрагмент фрагментфрагментфрагментфрагмент
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
  фрагментфрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / станд. откл. 12,3/1,19 15,45/1,4 22,5/1,72 13,7/1,29 15/1,47
  фрагментфрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / станд. откл. 99/2 99/1,86 138/1,79 100/1,86 116/2,07
  фрагментфрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / станд. откл. 172/1,59 167/1,62 209/1,28 152/1,93 173/2,42
  фрагментфрагментфрагментфрагментфрагмент
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
  фрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / станд. откл. 6,38/2 14,2/4,63 17,5/5,8 15/6,24
  фрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / станд. откл. 50,3/3 85/8,9 107/5,6 104/6,31
  фрагментфрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / станд. откл. 103/4,22 154/4,24 181/2,61 187/2,72
  фрагментфрагментфрагментфрагмент
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
  фрагментфрагментфрагмент
средняя яркость / станд. откл. 50,3/3 101/3,62 107/5,6
  фрагментфрагментфрагмент
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
  фрагментфрагментфрагмент
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 фрагментфрагментфрагментфрагментфрагмент
яркость / стандартное отклонение 127/4,76 121/4,12 102/8,01
дневной свет/ ISO 500*/ 0,063 с фрагментфрагментфрагментфрагментфрагмент
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.




11 марта 2002 Г.