Выше ISO, больше шум? А вот и нет! Или поговорим немного о шумах...

Режим невидимки ДимДимыч Мыльница PRO ДимДимыч (DimDimich) 28 нояб. 2019 г., 17:22:58

Рейтинг сообщения: 6

Сразу отмечу, что информация ниже имеет отношение ТОЛЬКО к съемке в RAW! Поэтому если вы снимаете в JPEG, то можете прочитать это для повышения эрудиции и возможно в итоге вы перейдете таки к съемке в RAW, а если для вас RAW все равно кажется чем-то недостижимым, то можете пропустить (а зря..) :)
Ну а если вы уже снимаете в RAW, то есть вероятность, что некоторые вещи для вас откроются совсем с другой стороны.

Информация эта - не мои личные изыскания, а мой КРАТКИЙ пересказ полученных знаний, существующих фактов и мифов. Более подробную информацию вы сможете прочитать по ссылкам в конце, если захотите углубиться.

Выше ISO, больше шум - это неправда!

И вот почему. Упрощенно ISO это коэффициент усиления АНАЛОГОВОГО усилителя сигнала, полученного с матрицы камеры. (сразу оговорюсь, что понятия Extended ISO, Low ISO и пр. я отбрасываю, т.к. они не имеют отношения к аналоговому усилению, а имеют прямое отношение к цифровому усилению, т.е. обычному умножению на конечном этапе оцифровки изображения, аналогичному поднятию яркости в RAW конвертерах).

Как вообще формируется RAW файл (набор данных о величине засветки каждого пикселя)? Свет (фотоны), отражаясь от различных поверхностей (того, что вы фотографируете) попадает в объектив и фокусируется на матрице. Разные материалы по-разному отражают свет и поэтому отраженный поток фотонов имеет некую хаотичность, каждый цвет идет несколько по-своему. Это образует шум на который мы никак не можем повлиять, потому что это природа и ее законы. Назовем его "шумом сцены", он всегда был, есть и всегда будет, и он никак не зависит от наших с вами камер. Далее свет попадает на матрицу и начинается процесс фотоэмиссии - пиксели матрицы, поглощая фотоны, начинают формировать поток электронов, а следовательно появляется ток и напряжение. Ее (матрицы) температура, механизмы по "обнулению" значений пикселей перед следующим кадром и пр. электроника также формируют заметный шум. Назовем этот шум "транспортным", который понятное дело зависит уже от нашей камеры. Это самое напряжение с матрицы приходит на аналоговый усилитель (шум которого не столь заметен на фоне остальных шумов). И именно его коэффициент усиления мы изменяем, когда меняем параметр ISO в камере. Через усилитель проходит полезный сигнал (то, что мы фотографируем), шум сцены и транспортный шум. А вот после усилителя у нас стоит АЦП (аналого-цифровой преобразователь), устройство, которое формирует цифровой сигнал, единицы и нули, которые и попадают в конечном итоге в RAW файл в виде значений степени насыщения каждого пикселя. Так вот после этапа аналогового усиления у нас тоже формируется шум - из-за АЦП преобразования и наличия другой электроники - этот шум назовём "шумом АЦП", который также зависит от модели камеры.

Итого имеем три основных шума - "шум сцены", "шум транспортный", "шум АЦП". Если на первый шум мы никак и никогда не повлияем, то второй и третий зависят от конкретной реализации камеры, и хоть природа этих двух шумов похожа - принципиальная разница в том, что возникают они на разных этапах съемки. "Транспортный шум" - до и во время аналогового усиления, "шум АЦП" - после, на этапе оцифровки. При этом оба эти шума вместе можно назвать "шумом считывания". Чем меньше шум считывания, тем менее он заметен в тенях, тем больше динамический диапазон камеры нам доступен.

Понимая это, теперь и легко понять, почему же увеличение ISO никак или почти никак не оказывает влияние на шум в RAW файле. Более того, повышение ISO даже наоборот может замедлять рост шума (правда ценой снижения динамического диапазона, яркие области могут уйти в насыщение).

Шумы мы видим тогда, когда имеет место МАЛОЕ ВРЕМЯ ЭКСПОЗИЦИИ. Именно малое время экспозиции не позволяет накопить достаточно полезного сигнала, поэтому шумы становятся заметнее. Проведите простой эксперимент. Установите ISO скажем 1600 и сделайте кадр по экспонометру камеры (без коррекции). А теперь сделайте тот же самый кадр, но при ISO 200, при этом в RAW конвертере сделайте экспокоррекцию +3 EV (приводим уровень яркости к одному значению, предположим, что это случай, когда у вас случилась недодержка кадра и вы пытаетесь ее исправить). Вы получите совершенно одинаковые изображения с одинаковым уровнем шумов, и вероятно даже, что шумов при ISO 1600 будет меньше, чем в случае ISO 200. Дело в том, что в первом случае у вас первые два типа шумов прошли через аналоговое усиление, а шум АЦП это усиление не проходит, поэтому он оказывает малый вклад и почти незаметен. А во втором случае при (ISO 200) - первые два типа шумов также прошли через усиление, но уже меньшее, но потом ВСЕ ТРИ шума дополнительно усиливаются из-за того, что вы вручную делаете цифровое усиление (обычное умножение) на 3 стопа, что в итоге может дать результат даже чуть хуже, чем при ISO 1600 (из-за дополнительного усиления шума АЦП в конвертере). Поэтому нет особо большой разницы (с точки зрения шумов) при каком ISO был сделан снимок, все будет определяться временем экспозиции.

Т.е. в большинстве своем все шумы определяются только шумами сцены и электроники камеры (шумом считывания), а никак не ISO. Поэтому принципиально важно смотреть не на ISO, а на корректность и правильность ЭКСПОЗИЦИИ. Нужно стараться максимально использовать доступный динамический диапазон камеры экспонируя так, чтобы гистограмма RAW (не JPEG! это принципиально) была сдвинута как можно ближе в сторону светов (но без насыщения, клиппинга или хотя бы с сохранением требуемых элементов сцены). Повышение ISO (за счет увеличения усиления) может отрицательно повлиять в основном на урезание динамического диапазона сверху (в светах), но может позволить получить меньший уровень шума (по сравнению с повышением яркости на этапе постобработки). Поэтому сначала стараемся выставить максимально возможное время экспозиции (так, чтобы света или важные элементы не выбивались) при минимальном ISO (так мы имеем максимальный дин. диапазон) и требуемой диафрагме, и если все-таки не получается добиться нужной экспозиции, тогда прибегаем к увеличению ISO (ценой уменьшения динамического диапазона, естественно имеется ввиду, что время экспозиции при этом осталось тем же).

Еще раз. С точки зрения уровня шумов ВСЕ ОПРЕДЕЛЯЕТ ЭКСПОЗИЦИЯ, А ИМЕННО ВРЕМЯ ЭКСПОЗИЦИИ при заданной диафрагме. Если вам кто-то скажет, что ISO является частью экспозиции, ее элементом, то можете разочаровать его в незнании сути экспозиции и происходящих процессов. Повышение ISO может только косвенно на нее повлиять, сократив в _автоматическом режиме съемки_ время экспозиции для возможности получения требуемой яркости (по факту ISO определяется через экспозицию исходя из текущего экспозамера). Только из-за укорачивания экспозиции вы увидите шумы - просто потому, что они становятся нагляднее на фоне слабого, недодержанного сигнала. Точно также ISO не имеет никакого отношения к чувствительности матрицы, это все неверное понимание сути процесса получения изображения в цифровой камере.

Очень полезная и подробная информация тут:

https://photographylife.com/iso-invariance-explained (Инвариантность ISO у современных камер)
https://www.dpreview.com/reviews/image-comparison/fullscreen?widget=332 (наглядная демонстрация инвариантности, не увеличения, а зачастую снижения шума при большем ISO по сравнению со снимком при меньшем ISO и экспокоррекции при постобработке)
https://www.rawdigger.ru/howtouse/mystic-exposure-triangle (Миф про "треугольник экспозиции")
https://www.fastrawviewer.com/blog/how-to-use-the-full-dynamic-range-of-your-camera (Как использовать динамический диапазон камеры по-максимуму)
https://www.rawdigger.com/howtouse/exposure-for-raw-or-for-jpegs (про важность гистограммы RAW, а не JPEG и не той, что показывает камера)
https://www.fastrawviewer.com/blog/most-obvious-reasons-to-look-at-RAW (про важность гистограммы RAW, а не JPEG и не той, что показывает камера)
https://www.fastrawviewer.com/raw-histogram-for-culling (про важность гистограммы RAW, а не JPEG и не той, что показывает камера)