Nic nezkazí záběr tak jako hluk. Vědět, co to způsobuje a jak to rozpoznat, vám může ušetřit spoustu frustrace – a pár zbytečných záběrů.
Je jen málo věcí, které jsou tak frustrující, jako když si všimnete šumu na snímku při fotografování, ale nejste schopni identifikovat příčinu problému. V tomto článku se podrobně podíváme na hluk tím, že nejprve zkontrolujeme některé základní vědy o senzorech, než prozkoumáme hluk v jeho různých formách. Kde tedy začít?
Zobrazování.
Základy zobrazování
Hluk pochází z několika zdrojů. Odražené světlo proudí do objektivu a dopadá na snímač, který je pokryt miliony fotostránek – neboli pixelů – které převádějí proměnlivé úrovně světelných vln na digitální signály. Tyto malé odchylky proudu jsou tím, co vytváří obrazy v moderních senzorech.
V dnešním nejběžnějším snímači pro filmovou produkci je CMOS připojený ke každému fotosite zesilovač, který upravuje výstup každého pixelu snížením nebo zvýšením napětí, čímž se obraz ztmaví nebo zesvětlí. Uživatel to může provést úpravou zisku nebo ISO. Data ze senzoru se přečtou a nabití pixelu se resetuje.
Jakmile se informace ze senzoru přečtou, data projdou 12bitovým analogově-digitálním převodníkem (často zkráceným na ADC nebo A/D), kde se odchylka napětí na každém pixelu převede na binární hodnotu. Umístění pixelů a další uživatelsky definovaná nastavení fotoaparátu se navíc ukládají jako metadata do paměťového zařízení fotoaparátu.
Většina šumu pochází ze snímače nebo analogově-digitální konverze.
Co je obrazový šum?
Jednoduše řečeno, obrazový šum je nežádoucí kolísání barvy nebo jasu, které zakrývá detaily v záběru, který jste se snažili zachytit. (Příklady různých druhů hluku můžete vidět na Neat Video.)
Obrazový šum vzniká primárně u podexponovaných záběrů, protože pixely mají malé kolísání světla, které se projeví v zamýšleném snímku, ale jsou přehnaně zesíleny zvýšenými hodnotami ISO. Kromě expozice jsou snímače také citlivé na řadu dalších problémů, které vytvářejí šum ve výsledném snímku. Šum může také způsobit teplo čidla nebo jiné vnější rušení.
Obrazový šum můžeme rozdělit do dvou kategorií:vnitřní a rušení.
Vnitřní hluk
Obrazový šum pocházející z fotoaparátu má několik základních příčin. Tři hlavní příčiny jsou elektřina, teplo a úrovně osvětlení senzorů.
V situacích se slabým osvětlením, kdy je snímač přepětí (tlačítko ISO), má každý pixel velmi malou fluktuaci světelné vlny, kterou je třeba před zesílením hlásit. Když v těchto situacích vidíte šum, ve skutečnosti vidíte, jak dotčené pixely hlásí kolísání napětí zesilovače pixelu na snímači.
Rušený šum
Úrovně šumu ve finálním snímku mohou ovlivnit i faktory mimo fotoaparát. Tento druh šumu je o něco vzácnější než vnitřní šum u mnoha moderních fotoaparátů, ale přesto může ovlivnit výsledný obraz.
Rušivý šum je obvykle poměrně snadno rozpoznatelný, protože vypadá spíše jako překryvný vzorek na obrázku, než jako chvění, které je vlastní elektronickému šumu. Světské faktory, jako je silné rádiové vysílání v oblasti, mohou také způsobit elektronický šum – a je těžké je ovládat jako kosmické záření.
Jaké jsou nejběžnější typy video šumu?
Interní
- Gaussův šum
Gaussův šum je druh šumu snímače. Je to primárně vedlejší účinek senzorového tepla. Teplo je obvykle výsledkem napětí a úrovní osvětlení senzoru.
Gaussův šum je nejvíce patrný jako konstantní, vlající přes podexponovaný, přepjatý (ISO stlačený, aby získal expozici) snímek. U většiny snímačů bude tento šum na podexponovaných snímcích mít tendenci být modrý.
- Hluk s pevným vzorem
Šum s pevným vzorem je obvykle výsledkem nedostatků ve výrobním procesu konkrétního snímače. Vzniká, když různé pixely mají různé úrovně fotosenzitivity.
Ve videu je tento šum relativně snadno rozpoznatelný kvůli malému kolísání výstupních úrovní dotčených pixelů. FPN se nepohybuje ani neklepe jako jiné formy elektronického šumu. Místo toho se zobrazí jako překrytí pixelů, které jsou jasnější než skutečné zaznamenávané informace. Nejjednodušší je ho zpozorovat při slabém osvětlení, ale další faktory ho mohou také zhoršit.
- Hluk soli a pepře
Technicky označovaný jako „Fat-tail Distributed“ nebo „Impulsive“ šum, šum soli a pepře se projevuje jako pixely, které chybně hlásí jasné hodnoty v tmavých částech snímku nebo tmavé hodnoty ve světlých částech. Vypadá to podobně jako mrtvé pixely, až na to, že šum soli a pepře způsobí tento efekt náhodně. Tento druh šumu obvykle způsobuje analogově-digitální konverze nebo jiné chyby v interpretaci pixelů.
- Výstřel
Shot Noise je hlavním typem šumu v tmavších částech obrazu. Technicky nazývaný „šum fotonového výstřelu“, tento typ šumu je důsledkem přirozených, inherentních změn v počtu fotonů dopadajících na každý pixel v libovolném okamžiku na základě úrovně expozice. Technickěji to způsobují „statistické kvantové fluktuace“, ale chápete to.
Šum výstřelu je největší příčinou „blokovitosti“ ve stínech podexponovaného nebo přepáleného záběru. Při extrémních úrovních se zvuk výstřelu změní na zvuk soli a pepře.
- Kvantizace
Kvantování je termín nespecifický pro obrazový šum. Kvantování v podstatě redukuje velkou množinu (obvykle) kontinuálně se měnících hodnot za účelem získání použitelné celkové hodnoty součtu nebo menší reprezentativní množiny výstupních dat. Kvantizéry mají nastavený počet možných výstupních hodnot a jak jsou data zpracovávána, jsou efektivně zaokrouhlena na jednu z těchto hodnot.
Kvantování je ve video aplikacích docela jednoduché na pochopení – jednotlivé odečty milionů pixelů jsou kvantovány do menší reprezentativní sady. V kruzích s videem se tomu běžně říká „slučování pixelů“.
Ve videu je kvantizační šum obvykle nezjistitelný, protože všechny pixely budou více či méně ovlivněny stejně. K chybám může dojít, když se obraz ořízne daleko za extrémními konci kvantizačních hodnot A/D převodníku. Výrazně jej může zhoršit i silný šum jiných typů v obraze.
- Anizotropní
Anizotropní (An-Izotropní) šum vzniká, když je odečet senzoru vzorkován nebo kvantován. Tento typ šumu snižuje vnímané rozlišení obrazu v ovlivněných záběrech tím, že smíchá jemné detaily dohromady, vytváří vzory, které tam ve skutečnosti nejsou, nebo interpretuje rovné čáry jako zubaté.
Každý, kdo je obeznámen s videem, by si to měl rychle pořídit – jen si vzpomeňte na hrozné aliasingy a moaré prvních několika generací DSLR.
Tento typ šumu ve videokamerách se obvykle projevuje, když je nativní rozlišení snímače mnohem vyšší, než je nahrávané. Mnoho starších fotoaparátů se rozhodlo vzorkovat vyšší rozlišení až po zaznamenané rozlišení, spíše než jednoduše upravovat výstup tak, aby se vešel, což způsobilo mnoho hrozného aliasingu a moaré raných velkoformátových video senzorů.
Rušení
- Pravidelně
Periodický šum je rušivý šum. Dochází k němu, když jakýkoliv počet přirozených nebo umělých signálů interferuje se zaznamenaným signálem. Obvykle se zobrazuje jako překryvný pevný vzor nad požadovaným obrázkem.
Při práci s videem je nezbytné naučit se rozpoznat druh šumu, který při natáčení ovlivňuje váš obraz. U mnoha typů obrazového šumu existují poměrně jednoduché způsoby, jak snížit nebo negovat negativní dopady na záznam, pokud víte, jak při fotografování rozpoznat správný typ. Pokud na svém snímku vidíte šum, nezapomeňte ustoupit od kamery, poznamenejte si své prostředí a poté si v hlavě projděte seznam každého typu hluku, abyste vytvořili strategii, jak snížit bolest hlavy v příspěvku. Technické prostředky vám dobře poslouží, ale nikdy neslevujte z trochy kreativního důvtipu.