Шум — новый враг качества изображений

Шум — горячая тема среди фотографов настолько же, насколько зерно для фотографов, снимающих на пленку. Шум, за редкими исключениями, ухудшает качество изображения, и поскольку мы стремимся к техническому совершенству, в центре дискуссий оказывается вопрос о снижении шумов.

Проблема зерна на пленке относительно легко решается производителями. Поскольку зерно напрямую связано с размером кристаллов галогенидов серебра, то их снижение уменьшает видимое зерно. У цифрового шума иной характер, причины его появления многочисленны.
Рисунок 1. Фотонный шум особенно хорошо виден, когда мы пытаемся осветлить недодержанное изображение с помощью программ обработки изображений.
Прежде чем приступить к рассмотрению причин, вызывающих шум, давайте сначала выясним, что же это такое. Свет формирует на элементарных конденсаторах матрицы сигнал, измерение которого характеризует свет. В идеальных условиях этот сигнал был бы всегда точным, но, к сожалению, так не бывает. Погрешности имеют случайный характер, их мы и называем шумом. Итак, шум — это погрешность системы измерений.

Приведу аналогию. Представьте себе радиоприемник, настроенный на конкретную станцию. Если волны достигают приемника без ошибок, мы слышим чистый сигнал. Временами, однако, возникают помехи, передача искажается шумами и треском и не дает нам слышать чистый звук. Это — радиотехнический эквивалент шумов, проявляющихся в цифровой фотографии. Как ясность слов или музыки повреждается ошибками звукового сигнала, так и визуальные детали скрываются ошибками световых сигналов.

От шумов трудно избавиться, потому что их порождают несколько причин. Некоторые от нас не зависят. Невозможно полностью убрать шумы из изображения, как нельзя изготовить пленку без зерна.
Рисунок 2. Соотношение «сигнал – шум» более содержательно, чем просто шум. Чем оно меньше (как у пикселя В), тем больше вероятность, что шумы будут видны на цифровом изображении. Высокое соотношение «сигнал — шум» (пиксель А) помогает маскировать шумы.
Наиболее важным показателем, относящимся к цифровому шуму, является отношение «сигнал — шум». Оно характеризует количество шумов пикселя по отношению к силе сигнала. Пиксель может иметь большой шум, но до тех пор, пока сигнал значительно превышает шум, ошибок будет мало и потеря в деталях будет незначительной. Например, на диаграмме внизу показано, что пиксель А содержит больше шумов, чем пиксель В. Однако, поскольку сигнал, который содержится в пикселе В, также намного ниже, чем в пикселе А, соотношение «сигнал — шум» для него очень мало. Шум в пикселе В будет проявляться больше, чем в пикселе А, хотя его и меньше.

Это — решающий фактор цифровой фотографии. Он во многом объясняет, почему шум больше виден в тенях, чем в светах изображения.
Рисунок 3. Фотонный шум наиболее четко виден в теневых участках изображения.
На уровень шума также влияют размеры элементов матрицы (компоненты матрицы, принимающие световые сигналы и называемые у изготовителей пикселями). Чем крупнее элемент матрицы, тем больше света он принимает во время экспонирования. Больше света — значит, больше сигнал и, следовательно, больше соотношение «сигнал — шум», которое и определяет, насколько шумы проявятся в изображении.

Типы цифровых шумов
Имеется два основных типа шумов, которые появляются в цифровой фотографии. Первый называется яркостный шум. Второй известен как цветовой шум. Шум проявляет себя в виде пятнышек. Когда меняется только тон пикселей (они того же цвета, как и окружающие их пиксели, но темнее или светлее), говорят о шумах яркости. Когда пятнышки разного цвета, их называют цветовым шумом.
Рисунок 4. Яркостный шум часто виден на однотонных участках, таких как, например, ясное голубое небо.
Как я уже упоминал, причины, вызывающие шумы, изменчивы и многочисленны, но их можно разделить на четыре вида. Первый из них называется фотонным (или пуассоновским) шумом. Он является прямым следствием неотъемлемого свойства света и существует независимо от характеристик камеры или ее матрицы. Даже при постоянном источнике света, который обеспечивает постоянную освещенность по всему массиву элементов матрицы, количество фотонов, подсчитываемых отдельными пикселями, флюктуирует, порождая фотонный шум.
Именно фотонный шум часто хорошо виден в теневых участках или на недодержанных снимках. Это происходит потому, что фотонный шум усиливается при возрастании уровня сигнала. Однако степень этого возрастания не пропорциональна сигналу. Она снижается при увеличении сигнала, что повышает соотношение «сигнал — шум» на светлых участках изображения и уменьшает его в темных местах. Как показано на диаграмме напротив, чем меньше соотношение «сигнал — шум», тем более вероятно, что шумы на изображении будут видны.
Рисунок 5. Шум темнового тока вызывается нагревом матрицы и появляется при длительной выдержке.
Шум возрастает с увеличением установленного значения светочувствительности. При повышенной чувствительности правильная экспозиция получается при меньшем количестве света. Соотношение «сигнал — шум» прямо пропорционально количеству света, получаемому пикселем. Кроме того, процесс усиления влияет не только на правильный пиксель изображения, но и на зашумленный. Это усугубляет проблему, так как шумы усиливаются при считывании (процесс измерения зарядов каждого элемента матрицы и преобразование результата в цифровую форму).
Другой важный фактор, влияющий на появление видимых шумов, — выдержка. Во время экспонирования матрица активна и нагревается. Тепло передается электронам, которые освобождаются от своих молекул. Эти свободные электроны присоединяются к электронам, освобожденным фотонами, что приводит к появлению шумов темнового тока в форме видимых шумов. При коротких выдержках (как правило, меньше одной секунды) уровень темнового шума минимален, шум незаметен. Однако, когда матрица активна дольше, проявление темнового шума вполне вероятно.
Это может вызвать проблемы, например, для фотографов, работающих ночью с длительными выдержками. В фотографии, используемой в условиях, когда качество изображения особенно важно (например, для военных и полиции), матрицы в камерах охлаждаются специальными хладагентами, такими как жидкий азот.
Рисунок 6. Шумы считывания возникают при установке высоких значений светочувствительности.
Последний вид шумов связан с типом матрицы, используемой в камере. Вообще говоря, в цифровой фотографии применяется всего два типа матриц: КМО- и ПЗС-датчики. Третий вид матриц, JFET LBCAST, на полевых транзисторах разработан компанией Nikon и используется в некоторых профессиональных DSLR-камерах.
В каждом пикселе КМОП-матрицы имеются отдельные усилители, дающие случайный разброс коэффициентов усиления, что вызывает шум с фиксированным рисунком.
ПЗС-матрицы имеют общий усилитель, влияние которого на весь массив пикселей в целом отличается единым коэффициентом усиления. В таком случае шум с фиксированным рисунком отсутствует.
В целом шум с фиксированным рисунком и фотонный шум неподвластны фотографу, и мало что можно поправить в камере, чтобы избежать их, хотя увеличение экспозиции позволяет снизить влияние фотонных шумов. Шум, вызванный усилением, и темновой шум можно, однако, снизить благодаря разумному управлению светочувствительностью и выдержкой. Детали снижения шумов с помощью настроек камеры будем обсуждать немного позже.
Рисунок 7. ПЗС-матрица (справа) создает меньше шумов с фиксированным рисунком, чем КМОП-матрица (вверху справа), так как в ней используется один усилитель для всех элементов матрицы. КМОП-усилители для каждого фотодиода (пикселя) имеют разброс усиления по массиву элементов матрицы, приводя к появлению шума.
Термин «максимизация экспозиции» означает использование всего диапазона тонов цифровой матрицы, что увеличивает качество изображения и снижает вредное влияние цифровых шумов. Проще говоря, максимизация экспозиции обеспечивает условия, при которых по крайней мере некоторые пиксели будут экспонированы до своего предела, т.е. это означает экспонирование по светам.