Есть ли польза от тысяч ISO?

Сергей Асмаков

Что за шум?

Лечение симптомов

Заключение

 

В 2005 году в продаже появились первые модели компактных цифровых фотоаппаратов, которые позволяли вести съемку с высокими значениями светочувствительности — 800 и 1600 единиц ISO и даже более. К настоящему времени подобная возможность реализована во многих компактных моделях. Однако возникает закономерный вопрос: действительно ли разработчикам на этот раз удалось воплотить техническое чудо или же доверчивых покупателей опять водят за нос?

Приходилось ли вам оказываться в ситуации, когда использование высоких значений чувствительности является не прихотью фотографа, а насущной необходимостью? Скорее всего, многие ответят на этот вопрос утвердительно. Пожалуй, наиболее распространенный случай — съемка в условиях недостаточной освещенности, когда использование вспышки не позволит получить должный эффект (например, если вы собираетесь запечатлеть пейзаж или городскую панораму в сумерках) или оно просто нежелательно (съемка портрета с близкого расстояния). Стоит отметить, что порог недостаточной освещенности может варьироваться в зависимости не только от конструктивных особенностей фотоаппарата, но и от его текущих настроек (в частности, от величины диафрагмы и положения трансфокатора). Альтернативой повышению чувствительности в подобных ситуациях является съемка со штатива или включение системы оптической стабилизации (если, конечно, таковая имеется в используемой камере).

Еще один типичный случай — съемка движущихся объектов или людей. Чтобы получить эффект «заморозки» движущегося объекта, необходимо устанавливать очень короткую выдержку (1/500 с и менее), вследствие чего нередко даже при полностью открытой диафрагме света для нормального экспонирования кадра оказывается недостаточно. И, в отличие от съемки статичных сцен, в данном случае ни штатив, ни оптический стабилизатор уже не поможет.

Наверное, многие фотолюбители смогут добавить в этот список еще несколько ситуаций, когда возможность повысить чувствительность сенсора оказалась бы как нельзя кстати. Получается, что данная функция действительно востребована, а в отдельных случаях — и вовсе незаменима. Однако сразу же возникает другой вопрос: насколько хорошим окажется результат?

Еще три года тому назад максимальная величина чувствительности в настройках компактных цифровых фотоаппаратов не превышала 400 единиц ISO. Но и тогда мало-мальски опытные фотолюбители старались избегать использования режимов чувствительности 200 ISO и более: изображения получались слишком зашумленными и по этой причине годились разве что для экранного просмотра в уменьшенном виде. Неужели разработчикам компактных цифровых камер удалось создать некое чудодейственное средство?

Увы, ответ будет отрицательным. А чтобы разобраться в том, почему решить эту задачу невозможно в принципе (во всяком случае, на данном этапе), выясним, откуда берется шум и почему по мере увеличения чувствительности его становится все больше.

Что за шум?

В цифровой камере объектив проецирует изображение на поверхность светочувствительного сенсора — полупроводникового прибора, ячейки которого преобразуют падающий на них свет в электрический сигнал. Чем больше света падает на ячейку сенсора, тем выше уровень сигнала на выходе. Как и все реальные устройства, светочувствительные сенсоры цифровых фотокамер неидеальны: к полезному сигналу, который переводится в цифровой вид и подвергается дальнейшей обработке, примешивается так называемый шум — случайные (то есть не зависящие от количества поглощенного ячейкой света) отклонения уровня электрического сигнала. Из-за влияния шума цветовые координаты пикселов однородно закрашенных областей фотографируемой сцены немного различаются, и на снимке можно заметить нечто похожее на гранулярную фактуру (при низком уровне шумов) или разноцветные хаотически расположенные точки (при более высокой зашумленности) — рис. 1. При прочих равных условиях на уровень шума влияют выбранные настройки и параметры окружающей среды. Так, по мере увеличения времени экспонирования кадра и температуры сенсора абсолютный уровень шума увеличивается.

 

Рис. 1. Проявление шума на изображении хорошо заметно на фрагменте кадра,
размещенном справа

В эпоху пленочных фотоаппаратов для съемки в условиях слабой освещенности необходимо было приобретать высокочувствительную пленку. Казалось бы, теперь подобной проблемы нет: в меню камеры можно выбрать желаемое значение чувствительности. Однако далеко не все знают, что светочувствительный сенсор цифрового аппарата тоже обладает фиксированной характеристикой чувствительности, которая, как правило, равна минимальной величине, доступной в соответствующем разделе настроек камеры. Для краткости в дальнейшем мы будем называть эту величину базовой чувствительностью сенсора. Например, если в настройках камеры доступны настройки 50, 100, 200 и 400 единиц ISO, то это, скорее всего, означает, что базовая чувствительность сенсора равна 50 единиц ISO.

Ячейки любого сенсора имеют порог насыщения, то есть количество света, при поглощении которого сигнал на выходе достигает максимально возможного уровня. Дальнейшее увеличение величины экспозиции уже не приведет к увеличению уровня выходного сигнала: проявляется эффект ограничения (клиппинга) и снимок получается переэкспонированным. Оптимальные условия для получения изображения с минимальным уровнем шумов обеспечиваются в том случае, когда уровень сигнала на выходе ячеек, соответствующих наиболее ярким областям изображения, близок к порогу насыщения. Почему это так? Давайте разберемся.

При прочих равных условиях (температуре, времени экспонирования и т.д.) абсолютный уровень шума остается более или менее постоянным. Соответственно при максимальном уровне полезного сигнала соотношение «сигнал/шум» (то есть уровень шума, измеренный относительно уровня полезного сигнала) будет незначительным, и это не сильно отразится на качестве получаемого изображения. Кстати, именно поэтому шум наиболее заметен на темных участках изображения — ведь даже при выборе оптимальной величины экспозиции на соответствующие ячейки попадает значительно меньше света, а следовательно, и уровень полезного сигнала на выходе оказывается значительно ниже, чем на светлых участках.

Важно понимать, что при выборе настройки чувствительности, отличающейся от базового значения, характеристики ячеек сенсора не меняются. Просто в этом случае поступающий с ячеек сигнал подвергается дополнительному усилению для того, чтобы привести его к номинальному уровню. Однако вместе с полезным сигналом усиливается и шум. Здесь можно провести аналогию с радиоприемником. Сигнал станции со слабым сигналом можно усилить, однако по мере увеличения громкости все более заметными будут становиться и эфирные помехи. Если принимаемый сигнал слишком слабый, то разобрать слова диктора даже на большой громкости будет весьма затруднительно.

Схожая картина наблюдается и при усилении сигнала, поступающего с сенсора цифрового фотоаппарата. Если уровень сигнала усилить вдвое (что происходит при изменении настройки чувствительности с 50 на 100 единиц ISO), то относительный уровень шума удвоится — таким образом, соотношение «сигнал/шум» станет уже в два раза меньше (рис. 2). А при установке чувствительности 400 единиц ISO на аппарате с базовым значением чувствительности 50 ISO сигнал, поступающий с сенсора (и соответственно шум), усиливается в 8 (!) раз. Таким образом, если при съемке с базовой чувствительностью на однородно-серой области кадра разброс значений яркости соседних пикселов цифрового изображения не превышал одного разряда (что еще вполне приемлемо), то теперь он составит уже как минимум 4 разряда (а это, согласитесь, уже многовато).

 

Рис. 2. При использовании дополнительного усиления (справа) относительный
уровень шума увеличивается

Всё это усугубляется еще и тем, что каждый из пикселов сенсоров, используемых в подавляющем большинстве современных цифровых фотоаппаратов, воспринимает свет только одного из трех базовых цветов аддитивной модели (красного, синего или зеленого). Две недостающие цветовые координаты рассчитываются процессором камеры по довольно сложному алгоритму на основе значений соседних пикселов. Это позволяет получать вполне приемлемый результат при низком уровне шума, однако если ошибка достигает 4 разрядов или даже более, то точность расчетов существенно снижается и в итоге изображение покрывается разноцветной «сыпью» (рис. 3).

 

Рис. 3. Сравнение фрагментов снимков одной и той же сцены, сделанных одной и той же компактной
цифровой камерой с различными настройками чувствительности

 

Здесь даже не очень эрудированный читатель может возразить, что режимы высокой чувствительности на протяжении уже многих лет используются в цифровых зеркальных камерах и при этом их владельцы редко жалуются на чрезмерный уровень шума и низкое качество фотографий. Даже при съемке с чувствительностью 1600 ISO самые доступные модели цифровых «зеркалок» позволяют получать вполне удовлетворительные результаты. Как же так?

Ничего парадоксального в этом нет. Дело в том, что светочувствительные сенсоры современных компактных цифровых фотоаппаратов имеют очень небольшие размеры. Например, физический размер рабочей области сенсоров формфактора 1/2,5 дюйма (ими оснащено большинство современных компактных аппаратов с разрешением 5, 6 и 7 мегапикселов) составляет приблизительно 5,8x4,3 мм. Компактные 8-, 10- и 12-мегапиксельные камеры оснащаются сенсорами формфактора 1/1,8 дюйма с размером рабочей области порядка 7,2x5,3 мм. А в большинстве зеркальных фотоаппаратов устанавливаются сенсоры формфактора APS-C, размер рабочей области которых составляет порядка 16x24 мм . Визуально оценить отличия можно на рис. 4.

 

Рис. 4. Относительные размеры кадра
35-миллиметровой пленки и рабочей области сенсоров
формфактора APS-C, а также 1/1,8 и 1/2,5 дюйма

Стараниями производителей цифровой фототехники к настоящему времени разрешающая способность сенсоров компактных фотоаппаратов и зеркальных камер нижнего и среднего ценового диапазона уже примерно одинакова — 10-12 мегапикселов. Однако при этом физический размер пиксела у сенсоров компактных фотоаппаратов оказывается намного меньше — ведь необходимо разместить такое же количество ячеек на значительно меньшей площади. Вполне понятно, что при одинаковой освещенности количество света, поглощаемого ячейкой маленького сенсора за единицу времени, также оказывается значительно меньше. Таким образом, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) компактного фотоаппарата вынужден работать с очень слабым электрическим сигналом, что неизбежно порождает ряд проблем. За счет того, что «большие» сенсоры способны при той же освещенности отдавать сигнал значительно более высокого уровня, нежели крохотные сенсоры компактных аппаратов, цифровые зеркальные камеры позволяют с минимальным ущербом для качества получаемого изображения снимать с настройками чувствительности до 800 или даже 1600 ISO (рис. 5). Но даже лучшие модели компактных аппаратов позволяют получать сопоставимые по качеству снимки лишь при использовании настроек чувствительности, не превышающих 100 единиц ISO. При значительном усилении слабого сигнала, поступающего от крошечных ячеек сенсора, получающих буквально считаные фотоны, зашумленность изображения многократно возрастает.

 

Рис. 5. На этом снимке, сделанном цифровой зеркальной камерой с настройкой
чувствительности 800 единиц ISO, даже на темных участках шум практически незаметен

Лечение симптомов

Не в силах искоренить саму причину шумов (то есть увеличить размеры сенсоров или хотя бы притормозить бессмысленную «гонку мегапикселов»), производители компактных цифровых фотоаппаратов пытаются бороться с вызываемыми ими последствиями. Любая современная цифровая камера оснащена системой шумоподавления, основная задача которой заключается в том, чтобы сделать цифровой шум на получаемом изображении менее заметным. Однако сама природа этого шума делает практически неразрешимой задачу его снижения с сохранением всех деталей исходного изображения. Так что на практике имеет смысл говорить скорее о достижении определенного компромисса между уровнем шумов и детальностью обработанного снимка (рис. 6).

 

Рис. 6. Использование системы шумоподавления не панацея, а лишь возможность достичь
компромисса между уровнем шумов и детальностью снимка. Сверху представлен увеличенный
фрагмент исходного снимка, снизу — вариант, обработанный шумоподавителем

Наряду с шумоподавлением в камерах ряда производителей применяется алгоритм «укрупнения пикселов» (pixel binning), автоматически включающийся при выборе высоких значений чувствительности. Если не вдаваться в технические детали, то суть данной технологии заключается в суммировании сигналов, получаемых от группы четырех или более смежных пикселов, которые объединяются в один «суперпиксел». Таким образом, жертвуя разрешением, можно получить выигрыш в чувствительности: вместо 8-мегапиксельного кадра с приводящими в ужас шумами сделать 2-мегапиксельный удовлетворительного качества, на который можно будет смотреть без внутреннего содрогания.

Увлечение многомегапиксельными сенсорами, охватившее в последние годы всех без исключения крупнейших производителей цифровой фототехники, лишь усугубляет проблему. Во многих современных моделях компактных камер система шумоподавления функционирует даже при съемке с базовой чувствительностью, что приводит к ухудшению детальности получаемых снимков (это хорошо заметно по проработке волос на портретах или листвы на пейзажах). Разрушительное действие встроенного (и часто неотключаемого) шумоподавителя проявляется все сильнее по мере того, как увеличивается значение чувствительности.

Разумеется, характеристики сенсоров и электронных компонентов, используемых в разных моделях компактных камер, различаются. Еще больше различий можно обнаружить в работе систем шумоподавления, причем это относится как к эффективности подавления шума как такового, так и к его влиянию на конечное изображение. Но, как бы ни было велико желание производителей доказать обратное, качество снимков любой компактной цифровой фотокамеры начинает ухудшаться, как только используется настройка чувствительности, превышающая минимальное значение. Начиная с ISO 400 (и выше) шум и артефакты шумоподавления начинают, образно говоря, разъедать исходное изображение. Что касается съемки с чувствительностью 800, 1600 и более единиц ISO, то это возможность сделать снимок в сложных условиях ценой потери разрешения или детальности, а чаще всего и того и другого одновременно.

Если называть вещи своими именами, то многие производители попросту вводят в заблуждение покупателей своей продукции относительно реальных возможностей компактных цифровых камер при съемке в условиях недостаточной освещенности. А когда отрицать очевидное становится невозможно, маркетологи прибегают к различным уловкам. Например, убеждают потенциальных покупателей в том, что компактные фотоаппараты нельзя рассматривать как серьезный инструмент и что для среднестатистического потребителя из многочисленной фокус-группы, кратко описываемой как «навел и щелкнул», потери деталей и разрешения являются не столь важными, как сама возможность сделать снимок здесь и сейчас. Однако, как показывает практика, снимки, сделанные компактными камерами в режиме максимальной чувствительности, нередко уступают по качеству изображениям, сделанным при помощи встроенной камеры мобильных телефонов. Такие кадры пригодны лишь для того, чтобы переслать их уменьшенные копии по электронной почте или напечатать на фотокарточке размером с пачку сигарет.

Заключение

Итак, режим съемки с высокой чувствительностью получает все большее распространение в компактных цифровых фотоаппаратах. Однако необходимо помнить о том, что наличие такого режима само по себе не является гарантией получения результата приемлемого качества. В настоящее время существует множество вариантов реализации режима съемки с высокой чувствительностью в компактных цифровых фотоаппаратах, однако получаемый результат в большинстве случаев вряд ли можно признать удовлетворительным. Типичные недостатки таких снимков — высокий уровень шумов и потеря деталей. Как уже было упомянуто, системы шумоподавления устраняют не причину появления шумов, а лишь минимизируют последствия их негативного влияния на изображение.

Разумеется, при оценке качества снимка необходимо учитывать, что планируется делать с ним в дальнейшем. Если из него предполагается сделать небольшое изображение для пересылки по электронной почте или использовать его для просмотра на экране телевизора, то даже из зашумленного кадра можно получить вполне удовлетворительный результат. Кроме того, бывают ситуации, когда ценность снимка определяется сюжетом или запечатленным моментом, а техническое качество имеет лишь второстепенную роль. Но, тем не менее, рассматривать возможность съемки с высокой чувствительностью в компактных цифровых фотоаппаратах как полноценную альтернативу штативу или дополнительному освещению пока преждевременно.

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 9'2007

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует