Содержание: (спрятать)
Шум в цифровой фотографии — искажение изображения, связанное с отклонением яркости и/или цвета пикселов изображения от ожидаемого. Другими словами, отдельные точки картинки несколько ярче или темнее, чем нужно, или имеют некоторый цветовой оттенок. Визуально шум воспринимается как «песок» (яркостный шум) или «грязь» (цветовой шум) на фотографии. В большинстве случаев шум ухудшает восприятие изображения и нежелателен, иногда он не важен, в редких случаях несет художественную нагрузку, хотя к цифровому шуму (в отличие от классического зерна) это относится в минимальной степени.
Цель исследования
Шум имеет разное физическое происхождение, и потому его уровень зависит от многих факторов. Знать степень их влияния, допустимые границы и способы мимнимизации воздействия еще на этапе съемки очень важно. Эта статья — первая на тему проблемы шума. Здесь рассматривается первый и самый простой случай: зависимость шума от размера конечного изображения.
Большинство цифровых фотоаппаратов могут формировать конечное изображение нескольких размеров: например, максимального, определяемого размером матрицы, среднего и маленького. Считается, что уменьшенные — средние и маленькие — изображения страдают от шума меньше. В задачу эксперимента входило проверить это утверждение. Если оно верно, то все фотографии, предназаначенные только для Сети, нужно просто делать в уменьшенном разрешении!
Итак, задача — сделать снимки в максимальном, среднем и минимальном разрешении на доступном оборудовании, определить шум и оценить связь разрешения и шума.
Метод дарков
Обычно шум оценивается просто визуально по мелкодетальной фотографии, и это правильно. Но мне захотелось разработать универсальный способ определения уровня шума числом: просто чтобы можно было сравнивать разные методы и рисовать красивые графики. Я воспользовался методом дарков (это не опечатка, не «дураков», а «дарков», darks), приемом астрофотографов, которые пользуются им для коррекции астрономических снимков. (Конечно, они пользуются форматом RAW, но для оценки шума нам пойдут jpg-ги.)
Дарк — это кадр, сделаный с закрытой крышкой объектива. Теоретически он абсолютно черный, какждый его пиксел — (0,0,0) в пространстве RGB. Фактически это не так: дарк зашумлен. Некоторые его пикселы отклоняются от нуля, «светятся»; это так называемые «горячие» пикселы. Поскольку они «выскакивают» из нулевой точки, мы можем оценить среднее отклонение пикселов от теоретического нуля. К радости эксперементатора, прибор для определения этой величины уже включен в инструментарий Фотошопа, это палитра Гистограмма. Поле Среднее под картинкой — это то, что нам нужно.
Конечно, это не шум как таковой, но некоторая его объективная числовая оценка.
UPD: Дальнейшие исследования показали, что корректно использовать величину StdDev. В этом обзоре это не важно, но точности ради упоминаю об этом.
UPD2: Необходимо проводить пересчет гистограммы (кнопка со стрелками вверху палитры). Об этом говорит параметр Cache Level: число уровней кеша должно быть равно 1. Пересчет уровней может существенно повлиять на конкретные цифры. В статье это, к сожалению, не учитывалось, однако общие выводы остаются в силе.
Карта шума фрагмента матрицы с поднятой ярксотью и насыщенностью, увеличение x5
Использовались аппараты Canon EOS 7D и 450D. Их разрешения следующие
| High | Middle | Low | |
|---|---|---|---|
| 7D | 5184x3456 (17.9 Мп) | 3456x2304 (8.0 Мп) | 2592x1728 (4.5 Мп) |
| 450D | 4272x2848 (12.2 Мп) | 3088x2056 (6.3 Мп) | 2256x1504 (3.4 Мп) |
Всё программное шумоподавление было отключено. Все фотографии делались в .jpg, что не совсем правильно, но для оценки приемлемо.
Исключение помех
Для начала нужно исключить все факторы, которые могут повлиять на объективность эксперимента.
Во-первых, для каждого разрешения была сделана серия из десяти фотографий. В каждой серии было посчитана среднее значение, которое и использовалось в дальнейшем для анализа.
Во-вторых. Известно, что шум зависит от температуры матрицы, а фотоаппарат греется в процессе съемки. Таким образом, вероятно, шум будет расти в течение серии. Нужно оценить вносимую ошибку. Для минимизации её между сериями делались перерывы в несколько минут, когда аппарат выключался и отдыхал остывал.
В-третьих. Предположительно, шум разных каналов Red, Green и Blue разный. Неизвестно, как это влияет на итоговый шум, а потому интересно проверить составляющие по всем трем каналам. Палитра Гистограмма позволяет это сделать.
Были произведены контрольные 10 замеров, чтобы исследовать эти помехи.
| RGB | 1,67 | 1,64 | 1,67 | 1,68 | 1,65 | 1,66 | 1,64 | 1,65 | 1,67 | 1,67 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Red | 1,9 | 1,76 | 1,93 | 1,83 | 1,78 | 1,95 | 1,77 | 1,87 | 1,96 | 1,92 |
| Green | 1,54 | 1,62 | 1,58 | 1,64 | 1,68 | 1,48 | 1,62 | 1,56 | 1,54 | 1,57 |
| Blue | 1,56 | 1,54 | 1,5 | 1,56 | 1,49 | 1,55 | 1,53 | 1,51 | 1,52 | 1,52 |
Шум по каналом в тестовой серии
Мы видим:
Во-первых, разброс внутри серий минимален.
Во-вторых, кривые не имеют выраженного тренда к повышению, а значит, температура в течение серии изменяется не на столько, чтобы повлиять на шум.
В-третьих, незаметно никаких канальных особенностей, которые бы стоило учитывать, а потому в дальнейшем достаточно ограничиться суммарным шумом RGB. (Некоторые особенности по каналом я надеюсь обсудить в отдельной заметке.)
Результаты измерений
Использовались аппараты Canon EOS 450D и Canon EOS 7D, оба с кропнутой матрицей 1.6. Поскольку шум растет с выдержкой и ISO, эти параметры намеренны выставлены большими и установлены одинаковыми: 1 сек и ISO 1600 соотвественно.
| 7D | 450D | |
|---|---|---|
| High | 1,28 | 1,66 |
| Middle | 1,50 | 1,71 |
| Low | 1,19 | 1,70 |
Зависимость шума от разрешения для аппаратов Canon EOS 450D и 7D
Выводы
Первое. Величина шума не зависит от разрешения конечного изображения.
Это несколько странно, но использование режимов разрешения High, Middle и Low не дает заначимых изменений шума.
Второе. Шум на аппаратах разного класса (одного кроп-фактора и одного производителя) сопоставим.
Известно из теории и практики, что шум зависит от физического размера единичного пиксела. Тем не менее, аппарат Canon EOS 7D c разрешением примерно на 30% выше, чем 450D и, соответственно, меньшим размером единичного пиксела шумит даже чуть меньше, чем его младший собрат.
Вероятно, в настоящее время у производителях фотоаппаратуры есть прогресс в уменьшении шумов, но они предпочитают удерживать шум на постоянном приемлемом уровне, увеличивая разрешение матриц. Мне представляется это сомнительным решением, поскольку разрешения аппаратов, представленых в исследовании, допускают печать A3+, и увеличичивать разрешение и дальше на непрофессиональной технике кажется явно избыточным. Где его использовать-то?
Константин, спасибо.
Шум в различных каналах я исследовал вот здесь: Холодно, теплее, горячо!. Сухой остаток: равенство шума в каналах красного и синего достигается примерно при температуре 4200 градусов, а при отклонении возникают перекосы.
По поводу отклонения StdDev ты в общем прав. Пришлось бы проводить исследование несколько другим способом: не на «дарках», а на «флетах» (плоский серый фон). Дело в том, что у меня предметная область - астрофотография, так что интересно было посмотреть именно, что в темноте происходит. В принципе, общие выводы должны быть одинаковыми.
UPD: Дальнейшие исследования показали, действительно, корректно ориентироваться на величину StdDev. В этом обзоре это не важно, но в дальнейшем я пользуюсь им.
Физический размер матриц - кроп-фактор 1.6, 22.2 х 14.8 мм. Очень интересно было бы сравнить разные матрицы по шуму - разные и по размеру и по производителю.
