Ekspozicija i šum

šumu, njegovim karakteristikama te o tome kako nam može degradirati fotografiju već smo ponešto rekli na našem portalu. Ovim tekstom pojasnit ćemo kako ga kontrolirati već pri eksponiranju.

Šum na digitalnoj fotografiji obično se pripisuje karakteristikama osjetnika slike digitalnog fotoaparata (eng. image sensor), no jeste li znali da će pogrešno podešavanje ekspozicijskih parametara i premala količina svjetla koju fotografski sustav bilježi uvelike odrediti hoće li šum na krajnjem rezultatu biti naglašen ili kontrolirano prigušen? U ovom tekstu objasnit ćemo što je potrebno učiniti kako se šum ne bi previše istaknuo zbog pogrešnog eksponiranja.

Šum

Sl. 1: Lijeva slika primjer je tzv. kontinuiranog tonskog prijelaza od crne prema bijeloj boji. Desna je pak slika isto to s dodatnim šumom. I jedno i drugo ima neke prednosti i neke mane, no izvjesno je da desni prizor daje potpuno drukčiji dojam od lijevog. Za fotografiju je bitno da što vjernije reproducira zbilju. U zbilji je vedro nebo sličnije kontinuiranom tonskom prijelazu negoli prizoru koji izgleda kao da ga je tko posuo pijeskom. Stoga fotografi, kao i inženjeri koji razvijaju nove fotografske sustave, nastoje proizvesti fotografije sa što manje šuma.


Sl. 2: Ako ga i ima, na ovakvom motivu teško da će šum smetati (izuzev plavetnila neba i oblaka). Razina detalja tako je visoka da svaki piksel na slici može predstavljati neki list. U takvim slučajevima, šum se može i namjerno dodati u naknadnoj obradi fotografija, kao što je dodavanje filmske granulacije na digitalne fotografije, što smo predstavili na ovoj stranici.

Uzrok šuma

Uzroci su šuma brojni, a za razumijevanje prirode šuma, trebat ćemo pojasniti neke pojmove. Pa krenimo redom:

Šum koji nastaje samim snimanjem (odnos signala i šuma)

Promatrajući svijet oko nas, čini nam se da je jednoliko osvijetljen kontinuiranim svjetlom. Čak i kad promatramo prizor osvijetljen treperavim fluorescentnim ili LED-svjetlom, mi ne razaznajemo stroboskopsku prirodu tih izvora svjetla (takvi izvori svjetla manje ili više titraju, primjerice, frekvencijom od 50 bljeskova u sekundi). Kaže se da, kad idemo u kino, platimo 50% slika i 50% mraka koji se naizmjence redaju pred našim očima. Unatoč tom treperenju, mi ipak mislimo da gledamo prizore koji se kontinuirano odvijaju pred našim očima. Tako doživljavamo svijet zbog tromosti vidnog sustava i njegove nesposobnosti da reagira na tako brze promjene. Sva sreća da je tome tako jer nam to omogućuje ekonomičnu proizvodnju filmova (posebice animiranih za koje je kod nekih tehnika animacije potrebno izraditi i do 24 crteža za jednu sekundu filma).

Osjetnici slike i film ponašaju se drukčije. Oni su u stanju u jednoj tisućinki sekunde zabilježiti takva mala odstupanja u svjetlini.

Svjetlo oko nas čine fotoni koji u malenim paketićima mjestimično podražuju naše vidne organe. Tako će i do našeg osjetnika slike ili filma u fotoaparatima doći različiti intenziteti svjetla već na razini piksela.


Sl. 3: Kako bismo predočili što se događa s pikselima i svjetlom, poslužit ćemo se analogijom s nekoliko epruveta koje izlažemo na kiši. Kišu čine, kao što znamo, kapi kišnice koje nasumično padaju (kao što paketi fotona nasumično bombardiraju osjetnik slike ili površinu filma u fotoaparatu). Epruvete su poklopljene poklopcem. Maknut ćemo nakratko poklopac s epruveta (kraće izlaganje kapima, tj. ekspozicija) kako bi u njih mogle padati kapljice kišnice (A). Po završetku eksponiranja, u prvu epruvetu nije pala nijedna kap, u drugu su pale dvije kapi, a u treću i u četvrtu jedna kap. Zatim izložimo epruvete kiši u duljem vremenskom razmaku (B). Ponovnom analizom možemo utvrditi da je u prvoj 400 kapi, u drugoj 420, u trećoj 400, a u četvrtoj 380 kapi. U ovom primjeru važno je ustvrditi da pojedine epruvete u prvom i u drugom izlaganju kiši imaju određene razlike u razinama kišnice. Mala odstupanja u razinama, koja nastaju zbog nasumičnog padanja kapljica kišnice, zovemo šum. Nadalje, važno je ustvrditi da su veće razlike u šumu kod epruveta koje su bile duže eksponirane (+/-20) od razlika u razinama kod epruveta koje su bile kraće eksponirane (+/-1). No iako su razlike kod duže ekspozicije veće, u obzir se uzima odnos tih razlika i ukupne količine kišnice u epruveti, tj. signala. U ovom je primjeru kod duže ekspozicije odnos signal/šum +/-5% dok je kod kraće ekspozicije odnos signal/šum +/- 100%. Da zaključimo: signal koji smo zabilježili kod kraće ekspozicije bio je slab u odnosu na šum koji smo pritom dobili pa možemo reći da je odnos signal/šum u tom slučaju loš. Mnogo je bolji odnos signal/šum kod duže ekspozicije pa će nam to biti od veće praktične koristi kod krajnjeg rezultata.


Sl. 4:
Upravo tako, kao što je predočeno kišnim kapima, ponašaju se i fotoni – čestice svjetla pa će šum uzrokovan eksponiranjem pri snimanju utjecati na kvalitetu vaših fotografija. Tamnije ekspozicije daju nam manje mogućnosti da ulovimo fotone pa će šum biti vidljiviji. To se odnosi i na situacije kod prosječnih ekspozicija kad fotografija ima tamne zone (1) i svijetle zone (2). Na tamnim zonama šum je mnogo jače vidljiv nego što je to na svjetlijim zonama.


Sl. 5: Kad eksponiramo “prema desnoj strani histograma” (1) kako bismo spriječili nestanak detalja u svjetlijim dijelovima fotografije i zatim tu fotografiju posvijetlimo u naknadnoj obradi, šum postaje jače vidljiv (2). Kod današnjih osjetnika slike moguće je “pomaknuti” ekspoziciju i do -6 EV pa kasnije izvlačiti detalje iz sjene, ali samo ako je u pitanju datoteka pohranjena u formatu RAW. Pri takvim radnjama, potrebno je pažljivo podešavati ekspozicijske parametre kod snimanja jer svaka podekspozicija smanjuje odnos signal/šum pa će i razina detalja pasti.

Veličina osjetnika slike i šuma

Osjetnici slike digitalnog fotoaparata razlikuju se prema veličini, broju piksela i tehnologiji izrade.

Sl. 6: Fotografiramo li nekim objektivom pri istom otvoru zaslona na fotoaparatima s različitim dimenzijama osjetnika slike, osjetnik slike tzv. “punog formata” (24 mm x 36 mm – 1) dobit će gotovo dvostruko više svjetla na ukupnoj površini od APS-C osjetnika slike (2 – ti su osjetnici različitih dimenzija, a kao polazište uzet ćemo dimenziju 12 mm x 18 mm, što je polovina površine osjetnika slike “punog formata”). Što je osjetnik slike manjih dimenzija (kao na primjer 1/2.5″ – 3), to će se manje svjetla zabilježiti, a rezultat će biti više šuma. Svjetlo koje objektiv projicira izvan osjetnika slike izgubljeno je, tj. neće se zabilježiti. To je i jedan od razloga što postoje posebni objektivi za osjetnike slike manjih dimenzija. Više usporednih testova različitih veličina osjetnika slike možete vidjeti ovdje.

Kontrola odnosa signal/šum u praksi

Pravilno tretiranje odnosa signal/šum ima široku uporabu u praksi jer šum se pravilnim pristupom može držati na najnižoj razini za pojedini fotografski sustav, a pogrešnim postupcima u naknadnoj obradi pojačati. U naknadnu obradu možemo uključiti povećavanje ISO-osjetljivosti, generiranje i pretvorbu datoteka u samom fotoaparatu (RAW u JPG), kao i različite korekcije ekspozicije ili, primjerice, generiranje datoteka HDR iz većeg broja snimki.

ISO i šum


Sl. 7. Promjenom ISO-osjetljivosti s ISO 100 na ISO 3200, pojačao se šum. Zamjetno jest to da je šum manje vidljiv na svjetlu (1), a naglašeniji u sjeni (2).
Napomena: kliknite na ilustraciju kako bi se povećala na punu veličinu.

ISO-osjetljivost u digitalnim fotoaparatima omogućuje sustav koji pojačava signal, a koji je proizveo osjetnik slike. ISO-osjetljivost povećavamo samo ako je to nužno. Nije dobra praksa fotografirati s povećanom ISO-osjetljivošću ako su svjetlosni uvjeti zadovoljavajući. Povećamo li  ISO-osjetljivost, pojačavaju se i neželjene pojave kao što je šum, no moramo istaknuti da u današnje vrijeme na tržištu postoje digitalni fotoaparati koji jako dobro kontroliraju šum pa je kod njih i u uvjetima jako slabog svjetla bolje snimiti fotografiju s niskom ISO-postavom te kasnije, u procesu obrade, posvijetliti sliku. To može ići i do, prije nezamislivih, 6 EV. Više o tom postupku možete saznati ovdje. Taj postupak ne može se provesti u obrnutom smjeru, tj. ako je fotografija previše eksponirana. Nadekspozicijom dolazi do prezasićenja pa će se umjesto motiva s detaljima, nakon obrade u fotoaparatu, pohraniti samo zapis o bijeloj ispranoj plohi iz koje se nikakvim kasnijim postupcima ne mogu izvući detalji.

Kod starijih je pak fotoaparata bolje povećanjem ISO-vrijednosti kompenzirati nedostatak svjetla. Pritom će doći do povećanja šuma, kao i do preeksponiranih dijelova (rasvjeta, svjetleće reklame i sl.).

Odnos signal/šum kod elektroničkih uređaja

Šumu koji nastaje samim snimanjem pribraja se i šum koji nastaje u daljnjoj obradi radom elektroničkih komponenti u digitalnom fotoaparatu.

Prije nego što se neki signal zabilježi kao informacija u nekoj datoteci, on mora proći mnogo faza obrade: od onih unutar sustava osjetnika slike do onih u računalu u fotoaparatu. Kako to može izgledati, prikazano je shematskim prikazom na sljedećoj ilustraciji:

Sl. 8: U digitalnom fotoaparatu, digitalna fotografija nastaje digitalizacijom slike koju objektiv (1) projicira na osjetnik slike (eng. image sensor – 2). Osjetnik slike sastavljen je od velikog broja (više milijuna) elektroničkih detektora osjetljivih na svjetlo (fotodioda). Fotodiode su raspoređene u pravokutnoj mreži na jednoj plohi (poput šahovskog polja).
Kad fotoni (nositelji energije svjetla) padnu na površinu osjetnika slike (2), fotodiode proizvedu elektrone (električni naboj). To je podudarni (analogni) proces jer što više fotona padne na fotodiodu, jači će biti proizveden naboj. Kada je jednom električni naboj proizveden, osjetnik slike (2) mora očitati vrijednost naboja svake fotodiode. Kod CCD-osjetnika slike, električni naboji svake fotodiode u pojedinom nizu redom se prenose do krajnje točke u nizu, a nakon toga prenose se u pojačivač naboja koji pretvara naboj u električni napon i mjeri ga (3). Njime se može povećati i ISO-osjetljivost, primjerice, kad fotografiramo pri slabom svjetlu.
Izmjereni napon svake pojedine fotodiode pretvara se u analogno/digitalnom (A/D) pretvaraču (4) u binarni broj. Taj broj nosi podatak o svjetlini svakog pojedinog piksela. Sada još slijedi proračunavanje boje i formiranje svih potrebnih podataka o svakom pikselu. Ove radnje obavlja računalo fotoaparata (5). Nakon računalne obrade, novonastala digitalna fotografija privremeno se smješta u međuspremnik (6). Snimljena fotografija može se sada i vidjeti na zaslonu fotoaparata. Pohranjena je u međuspremniku tako dugo dok se ne pohrani na vanjsku memorijsku jedinicu u fotoaparatu, tzv. memorijsku karticu (7) u nekom od standardnih formata zapisa (JPEG, RAW, TIFF).
Memorijska se kartica nakon pohranjivanja fotografije može izvaditi iz fotoaparata, a pohranjene digitalne fotografije mogu se kopirati na druge memorijske sustave, dalje naknadno obrađivati specijaliziranim softverom, ispisati pisačem, gledati na televizoru itd.

Svaka od spomenutih komponenti može “doprinijeti” povećanju šuma. Ovisno o vrsti digitalnog fotoaparata, to može biti vrlo različito. Današnje tržište obiluje različitim izvedbama pa je kod nabave opreme dobro proučiti različite pokazatelje kvalitete. Ključno je da se tehnologija brzo razvija i da su novi proizvodi sve brže raspoloživi za nabavu. To će u budućnosti još više zakomplicirati izbor, no jedno je izvjesno: što je fotoaparat stariji, cijena mu je drastično niža nego što je bila kad je bio nov. Uzmite u obzir i to da će svaki fotoaparat snimiti dobru fotografiju ako se znalački uporabi i ako fotograf ima što poručiti svojom fotografijom jer, kao što smo već mnogo puta spomenuli, fotografija može biti mnogo više od proizvoda suvremene tehnologije.

***

Zaključak: Šum kod snimanja ne može se u potpunosti izbjeći jer nastaje zbog same prirode svjetla. Pravilnim eksponiranjem, tj. dovođenjem dovoljne količine svjetla na osjetnik slike ili film, možemo dobiti povoljniji odnos signal/šum pa će to biti faktor kvalitetnije zabilježbe, neovisno o tehnologiji kojom fotoaparat raspolaže. Što je veći osjetnik slike digitalnog fotoaparata, manje je šuma koji nastaje pri samom snimanju. Isto će tako i manji ISO pridonijeti manjem šumu. U daljnjim procesima obrade podataka, šum se može još više pojačati, a kod ovih procesa bitno je kakva je razina kvalitete elektroničkih komponenata, kao i postupaka obrade. Suvremeni digitalni fotoaparati sve bolje kontroliraju šum.

o

Izvor: dpreview.com