Света много не бывает

[apximhd]

Света много не бывает

(опыт борьбы с шумами цифровой матрицы)

Изучая способы уменьшения шума цифровой матрицы, я натолкнулся на утверждение, что светочувствительность матриц большинства портативных фотоаппаратов на самом деле не изменяется при изменении установки ISO в настройках камеры. Изменяется лишь способ обработки полученного с матрицы изображения. Для прояснения этого вопроса я провёл несколько экспериментов с моей камерой Panasonic LUMIX DMC FZ8.
Сначала я сделал два тестовых снимка в ручном режиме с сохранением результата в формат RAW. Оба снимка сделаны при искусственном освещении с одной и той же экспозицией (F/2.8, 1/20 с), но с разными установками ISO в настройках камеры. В первом случае ISO было установлено согласно рекомендации фотоэкспонометра — 800, второй раз я установил ISO 100.
Затем при конвертации RAW в JPEG я первый снимок конвертировал с установками по умолчанию, а при конвертации второго снимка установил в RAW-конвертере значение экспозиции +3 (3 ступени соответствуют увеличению экспозиции в 8 раз — как раз разница между установленными значениями ISO.
Вот результаты.

Левый снимок — ISO 800, сконвертированный «как есть».
Правый снимок — ISO 100, сконвертированный с коррекцией экспозиции на +3 ступени.
Найдите 10 отличий… Для особо дотошных привожу два 100% кропа этих снимков для оценки уровня шумов.

Получается, что, снимая в RAW, нет никакой разницы, какое значение ISO выставлять на камере. Уровень шумов определяется только и исключительно экспозицией — количеством света, попавшим на матрицу. Реально матрица всегда работает в одном и том же режиме, а ISO действительно получается как результат последующей обработки считанного с матрицы изображения. Причём, в случае моей камеры даже не меняется усиление сигнала с матрицы в электрической цепи, производится только программная обработка!
Раз такое дело, давайте исследуем границы светочувствительности матрицы и посмотрим, что можно выжать из неё при помощи описанной техники обработки. Поскольку в RAW-конвертере можно увеличивать или уменьшать экспозицию не более, чем на 4 ступени (в 16 раз), поступим следующим образом. Допустим, нам нужно получить от нашего «Лумикса» светочувствительность в 3200 единиц. Этого можно добиться, выставив в настройках камеры ISO 800, и установив при конвертации RAW коррекцию экспозиции на +2 ступени.
Экспонометр говорит, что для чувствительности ISO 3200 правильная экспозиция при съёмке составит (F/2.8, 1/80 с). То есть, я устанавливаю на камере чувствительность ISO 800, а экспозицию выставляю такую, как если бы я снимал на матрицу с чувствительностью ISO 3200, и затем в RAW-конвертере выставляю экспозицию в +2 ступени. Вот результат:

Левый снимок — ресайз, правый — 100% кроп.
Сразу возникает вопрос: а до какого уровня освещённости можно ещё что-то вытянуть из лумиксовской матрицы? Следующий снимок сделан с экспозицией (F/2.8, 1/320 с). Другими словами, я установил на камере чувствительность ISO 800, а снимал с такой экспозицией, какая бы понадобилась, если бы чувствительность матрицы составляла ISO 12800. Затем в RAW-конвертере я выставил экспозицию в +4 ступени. Результат, конечно, удручающий, но всё же на нём что-то ещё видно:

Общий вывод такой: по крайней мере, на +2 ступени штатное максимальное значение ISO в установках камеры повысить при конвертации RAW. Для моего Panasonic LUMIX DMC FZ8 это означает, что я могу в исключительных случаях снимать им как имеющим чувствительность в 3200 ISO (максимальное «штатное» ISO, которое позволяет установить мой Лумикс — 1200).
Проведя аналогичные тесты для своих камер (если они позволяют сохранять снимки в RAW), вы узнаете границы их применимости при различных уровнях освещённости.

И тут они сказали: «Ага!»

Раз на уровень шумов влияет исключительно количество света, попадающего на матрицу, то нельзя ли воспользоваться этим фактом и реально уменьшить шумы, когда света достаточно, путём переэкспонирования снимка и последующего уменьшения экспозиции в RAW-конвертере? Оказывается, можно, и шумы при этом реально уменьшаются. Только следует помнить, что RAW-формат хранит 12-разрядное представление яркости, а JPEG— восьмиразрядное. Это значит, что реально без потери качества мы можем двинуться в сторону передержки или в сторону недодержки не более, чем на 2 ступени.
Для иллюстрации способа уменьшения шумов путём переэкспонирования снимка, я сделал два снимка. Первый снимок я сделал с установленной чувствительностью ISO 100 и соответствующей этой чувствительности экспозицией (F/2.8, 1/6 с).
Второй же снимок я сделал следующим образом: установил на камере чувствительность ISO 100, а экспозицию выставил такую, какая бы потребовалась, если бы чувствительность составляла ISO 32 — (F/2.8, 1/2 c), затем в RAW-конвертере я уменьшил экспозицию на 1.6 ступени (в три раза).
Вот результаты:

Слева — снимок, сделанный с корректной для ISO 100 экспозицией (F/2.8, 1/6 с)
Справа — снимок, переэкспонированный на 1.6 ступени снимок (F/2.8, 1/2 с) с последующим уменьшением экспозиции на 1.6 ступени в RAW-конвертере.
Для оценки уровня шумов привожу два соответствующих 100% кропа:

Слева — штатный режим, справа — пересвет с последующей коррекцией в RAW-конвертере.
На кропах видно, что уровень шумов действительно уменьшается при увеличении экспозиции, и при этом он никак не зависит от значения ISO, установленного в настройках камеры.
Другими словами, для каждой конкретной матрицы работает только одно правило: больше света — меньше шума, а всё прочее не имеет никакого значения. Когда света много, можно уменьшить шумы, делая пересвеченный (но не более, чем на 2 ступени!) кадр, и затем корректируя экспозицию в RAW-конвертере. Когда света мало — вас ничего не спасёт от шумов, но если очень нужно снять кадр с более короткой выдержкой, то в принципе, можно пойти на двухкратную недодержку с последующей коррекцией экспозиции в RAW-конвертере.
Ну и разумеется, записывать снимки нужно во всех случаях в RAW-формате.

Comments

[skoblov.livejournal.com]

если отсканируете - будет прекрасно. Его нет в открытом доступе, платить 160 баков чисто за удовлетворение любопытства - смешно, а иногда попадаются ссылки на него.

Спасибо за теор. часть разъяснения о природе "квантового шума, равного корню из сигнала". Этот факт я знал, но причину - нет. Надо куда-нибудь сохранить на память.

Про вики - вроде у них в последнем абзаце написано:

The two noise-based techniques have rarely been used for consumer digital still cameras. These techniques specify the highest EI that can be used while still providing either an “excellent” picture or a “usable” picture depending on the technique chosen.

Суть мне понятна по другим источникам, но вот пример рассчета пригодится.


> Значит, по этому определению максимальная теоретически возможная чувствительность матрицы Canon EOS 5D Mark III составляет 945 ISO.

вот против термина "максимальная реальная (т.е. не софтовые маркетингоужимки) чувствительность" возражений нет.

С этой оценкой глупо спорить. Посмотрите, что я сказал сразу, в первом замечании:

"Ваши выводы верны только для мыльниц с мелкими матрицами. Для цифрозеркалок ISO до 800 - точно "честные", выше - зависит от модели."