ABC fotografii cyfrowej cz. 10 - Szumy

W dziesiątej części naszego ABC zajmujemy się wyjaśnieniem źródeł jednego z największych problemów fotografii cyfrowej, zwłaszcza jeśli chodzi o aparaty kompaktowe, czyli szumami. Opisujemy zjawiska wywołujące te niepożądane wady obrazu zarówno w cyfrówkach z matrycami CCD, jak i CMOS. Zapraszamy!
Szumy to wszelkie pasożytnicze sygnały elektryczne zakłócające zdjęcie. (Zdajemy sobie sprawę, że to dość luźna definicja, ale precyzyjne zdefiniowanie szumów jest poza możliwościami tak krótkiego artykułu). Najprostszy przykład - fotografujemy gładką, zieloną powierzchnię, a na zdjęciu otrzymujemy powierzchnię pokrytą punkcikami różniącymi się kolorem i jasnością. Źródła szumów i efekty ich występowania to szerokie zagadnienie omawiane w wielu artykułach naukowych. Amatorowi fotografii tak zaawansowana wiedza o szumach nie jest potrzebna. Niemniej jednak podstawowe informacje o źródłach szumów w aparacie cyfrowym pozwolą na takie korzystanie z cyfrówki, żeby jak najbardziej zminimalizować niekorzystny wpływ szumów na zdjęcia.

Pierwszym źródłem szumów, czyli zakłóceń fotografowanego obrazu, jest matryca. Niezależnie od typu i rodzaju wszystkie sensory wnoszą pewne szumy. Występują trzy podstawowe źródła szumów w matrycy, niezależnie czy mamy do czynienia z matrycą typu CCD, czy CMOS.

1. SZUMY MATRYCY

Różnica czułości pomiędzy pikselami

Najmniejsze z produkowanych obecnie matryc do aparatów cyfrowych mają przynajmniej 5 milionów pikseli, czyli 5 milionów fotodiod generujących elektrony pod wpływem padającego na nie światła. Ograniczenia technologiczne sprawiają, że nie da się wyprodukować takiej liczby fotodiod o idealnie równej wydajności kwantowej. A więc liczba elektronów generowana w poszczególnych fotodiodach przez światło o tym samym natężeniu jest nieco różna, co daje w efekcie nierównomierną jasność zdjęcia powierzchni o równej jasności. Szumy, czyli zniekształcenia zdjęcia powstałe z tego powodu, są najlepiej widoczne na zdjęciach dużych, jednokolorowych powierzchni.

Prąd ciemny pikseli
Fotodiody tworzące matrycę generują elektrony nawet w zupełnej ciemności. Zjawisko to nazywa się "prądem ciemnym piksela". Te generowane samoistnie elektrony dodają się do elektronów generowanych w trakcie naświetlania zdjęcia. Prąd ciemny jest nieco różny dla poszczególnych pikseli, co daje dodatkowe zróżnicowanie jasności poszczególnych punktów zdjęcia.

Gorące piksele
Gorącymi pikselami nazywamy piksele o wyjątkowo dużym prądzie ciemnym, dające na zdjęciu punkty o jasności zdecydowanie większej od sąsiednich punktów widocznych na zdjęciu. Ich jasność zależy od temperatury - im cieplej, tym jaśniejszy będzie punkt pochodzący z gorącego piksela. Jeżeli nasz aparat ma możliwość ręcznego ustawiania ekspozycji, bardzo łatwo zlokalizować gorące piksele jego matrycy. Ustawiamy najdłuższy czas naświetlania, zakrywamy dokładnie obiektyw i naciskamy spust migawki. Wyraźnie jaśniejsze punkty na zdjęciu otrzymanym w tych warunkach to obraz gorących pikseli naszej matrycy.

Szumy spowodowane opisanymi powyżej zjawiskami zwiększają się wraz ze wzrostem temperatury i wydłużaniem czasu ekspozycji. Ich źródłem jest matryca i nie mamy raczej wpływu na ich intensywność. Trudno bowiem skracać czas naświetlania poniżej wymaganego warunkami czy wkładać aparat do lodówki przed zrobieniem zdjęcia w gorący dzień.

Cztery poniższe ilustracje przedstawiają fragmenty zdjęć wykonanych aparatem Canon PowerShot S2 IS - matryca CCD (5,76x4,29 mm), 5 Mp, rozdzielczość 2592x1944, ISO 400, czas naświetlania 15 s, obiektyw zakryty. Otrzymaliśmy odwzorowanie gorących pikseli.

Fragment o rozmiarach 523x195. Powiększenie 2x. Widać dwa gorące piksele. Niebieski w lewym górnym rogu, czerwony w prawym dolnym.


Gorący piksel w punkcie zdjęcia o współrzędnych 1360, 652. Powiększenie 40x.


Gorący piksel w punkcie zdjęcia o współrzędnych 817, 1131. Powiększenie 40x.


Gorący piksel w punkcie zdjęcia o współrzędnych 2564, 1173. Powiększenie 40x.


2. SZUMY ODCZYTU

Ładunek elektryczny zgromadzony w pikselu pod wpływem światła musi zostać przetworzony na napięcie, a następnie w liczbę reprezentującą jasność punktu, w którym znajduje się ów piksel. Proces ten nazywamy odczytem i w jego trakcie wnoszone są dodatkowe zakłócenia, czyli szumy.

Odczyt matrycy typu CCD
Matryca CCD ma jeden układ elektroniczny konwersji ładunków na napięcia oraz jeden przetwornik analogowo cyfrowy, który to napięcie zamienia na liczbę. Tak więc szumy wnoszone w procesie odczytu są w przybliżeniu tej samej wielkości dla wszystkich pikseli. W przybliżeniu, ponieważ każdy układ elektroniczny wnosi zakłócenia zmieniające się nieco w czasie, a ładunki z matrycy typu CCD są odczytywane po kolei, czyli w różnym czasie. Ładunki z pikseli są transportowane do odczytującego je układu elektronicznego i po drodze część elektronów może zostać "zgubiona", ale też mogą do nich dołączyć elektrony wygenerowane na poszczególnych etapach tej drogi do odczytu jako prąd ciemny.

Odczyt matrycy typu CMOS
W matrycy CMOS każdy piksel ma zintegrowany z układ odczytu ładunku. Unikamy więc szumów wnoszonych przez transport ładunków do jednego układu poza matrycą, ale pojawia się problem podobny do zróżnicowania czułości poszczególnych pikseli. Nie ma możliwości technologicznych wytworzenia kilku milionów (tyle co pikseli w matrycy) układów elektronicznych konwersji ładunku na napięcie i przetworników analogowo cyfrowych o idealnie równych parametrach. Matryca CMOS wnosi pewien rozrzut jasności punktów spowodowany odczytem każdego piksela przez inny układ elektroniczny.

3. SZUMY ZALEŻNE OD CZUŁOŚCI USTAWIONEJ W APARACIE

Aparat cyfrowy daje możliwość ustawienia kilku czułości wyrażonych w jednostkach ISO. Na czym polega zmiana czułości? Pomiędzy przetwornikiem ładunku elektrycznego na napięcie a przetwornikiem analogowo cyfrowym znajduje się wzmacniacz sygnału. Coś analogicznego do wzmacniacza dźwięku w radiu czy odtwarzaczu płyt. Każdy wzmacniacz sygnałów elektrycznych wnosi szumy. Najniższej czułości ISO naszego aparatu odpowiada na ogół brak wzmacniania sygnału - -napięcie z przetwornika ładunku podawane jest bezpośrednio na przetwornik analogowo cyfrowy.

Wyższą czułość ISO uzyskuje się poprzez ustawienie większego wzmocnienia sygnału podawanego na przetwornik analogowo cyfrowy. Im większe wzmocnienie, tym większe będą szumy na zdjęciu. Dokładnie tak samo, jak ze wzmacnianiem muzyki. Im głośniej nastawimy wzmacniacz, tym wyraźniej słychać zakłócenia - szumy akustyczne.

Olympus E-400, ISO 100


Olympus E-400, ISO 1600. Dwa fragmenty zdjęć tablicy Gretaga wykonanych aparatem Olympus E-400. Matryca CCD (18x13,5 mm), 10 Mp. Widać większe szumy przy wyższej czułości.


Nikon D40, ISO 1600. Fragment zdjęcia tablicy Gretaga wykonanego aparatem Nikon D40. Matryca CCD (23,7x15,5 mm), 6 Mp, ISO 1600. Widać wyraźnie lepszą jakość w porównaniu z analogicznym zdjęciem wykonanym Olympusem E-400. Powierzchnia matrycy Nikona D40 jest około 1,5x większa niż w Olympusie E-400, a liczba pikseli mniejsza, czyli pojedynczy piksel ma powierzchnię około 2,5x większą, co tłumaczy mniejsze szumy.


4. INNE ŹRÓDŁA SZUMÓW

Istnieje jeszcze kilka innych źródeł szumów objawiających się na zdjęciach z aparatu cyfrowego takich jak szumy statystyczne wynikające z fluktuacji strumienia fotonów wpadających do aparatu czy tzw. pseudo szumy będące odwzorowaniem pyłków kurzu osiadłych na matrycy aparatu z wymiennymi obiektywami. Szumy wnosi też promieniowanie kosmiczne, ale stają się one zauważalne jedynie przy bardzo długich czasach naświetlania stosowanych np. w zdjęciach nieba nocą.

5. KTÓRA MATRYCA LEPSZA - CCD czy CMOS?

To standardowe pytanie większości fotoamatorów, na które nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Matryce typu CCD produkowane obecnie maja większą czułość w przeliczeniu na powierzchnię pojedynczego piksela i wnoszą mniejsze szumy niż matryce typu CMOS, ale w aparatach wysokiej klasy stosuje się matryce (CCD lub CMOS) o dużej powierzchni pikseli i do tego specjalnie wyselekcjonowane.

Przy produkcji masowej nie można przewidzieć, ile matryca będzie miała gorących pikseli, czy jaki będzie rozrzut parametrów układów odczytujących ładunek w matrycach CMOS. Wyprodukowane matryce poddaje się testom i te o najlepszych parametrach przeznacza się do montowania w aparatach najwyższej klasy. W najdroższych aparatach cyfrowych wykorzystuje się matryce typu CMOS, a wysoka cena wynika w dużej mierze z wysokiej ceny matrycy, która musiała zostać wyselekcjonowana z ogromnej liczby przetworników otrzymanych w standardowym procesie produkcji masowej.

Fragment zdjęcia tablicy Gretaga wykonanego aparatem Canon EOS 5D. Matryca CMOS (24x36 mm) 12,8 Mp, ISO 1600.


Istnieje wiele technik i metod obliczeniowych pozwalających minimalizować wpływ niektórych rodzajów szumów na jakość zdjęć. Jest to jednak zagadnienie zupełnie oddzielne - opiszemy je w późniejszych artykułach.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu.
 
Komentarze
Polecane artykuły
Polacy wśród finalistów Urban Photo Awards 2018. Zobaczcie nagrodzone zdjęcia
20 Wrz 2018
Międzynarodowy konkurs fotografii miejskiej Urban 2018 wchodzi w fazę finałową. Poznaliśmy nagrodzone cykle i nazwiska finalistów sekcji pojedynczej. Wśród nich znalazło się aż 5 Polaków.
0
Leica Oskar Barnack Award 2018 - oto zwycięskie prace
18 Wrz 2018
Poznaliśmy wyniki jednego z najbardziej prestiżowych konkursów poświęconych fotografii dokumentalnej. Tegoroczną nagrodę główną Leica Oskar Barnack Award otrzymał belgijski fotograf Max Pinckers. Natomiast wyróżnienie dla wschodzącego talentu powędrowało w ręce pochodzącej z Rosji Mary Gelman. Niestety w tym roku na podium zabrakło Polaków.
1
Fotografia przyrodnicza na luzie. Oto najlepsze zdjęcia z konkursu Comedy Wildlife Photography Awards 2018
17 Wrz 2018
Naturze nie brakuje poczucia humoru! Jeśli nie wierzycie, zobaczcie zdjęcia finalistów konkursu Comedy Wildlife Photography Awards, który od 4 lat nagradza najzabawniejsze zdjęcia przyrodnicze.
1
Eduardo Asenjo Matus: “Na zdjęciach staram się pokazać swoją rzeczywistość”
12 Wrz 2018
Przed wejściem do świata fotografii Chilijczyk Eduardo Asenjo Matus zajmował się malarstwem, ale wkrótce w jego domu zaczęło brakować już ścian do powieszenia obrazów. Dziś jako fotograf mierzy się ze swoją chorobą, starając się opowiedzieć o niej za pomocą zdjęć.
0