Что такое шум на фотографии и как с ним бороться

Что такое цифровой шум?

Цифровой шум проявляется в виде случайным образом расположенных элементов растра (точек), имеющих размеры близкие к размеру пикселя. Проще говоря, цифровой шум, это повышенная «зернистость» в темных участках фотографии возникающая, как правило, при съемке в условиях недостаточного освещения. Кроме того, цифровой шум часто проявляется, даже при хорошем освещении, при съемке фотоаппаратами с маленьким размером матрицы.

Различают два основных вида цифрового шума:

• Яркостной шум (англ. luminance noise) — зернистость изображения образуется за счет искажения яркости пикселей в темных областях снимка.

• Хроматический шум (англ. chrominance noise) — зернистость изображения образуется за счет цветовых отклонений соседних пикселей в темных областях снимка.

Хроматический шум (chrominance noise)

Яркостной шум (luminance noise)

Основная неприятность цифрового шума в том, что он придаёт фотографии неестественный вид — создаётся ощущение, что на изображение наложена маска из точек различной яркости и цвета. Сильнее всего, цифровой шум мешает восприятию однотонно-окрашенных участков фотографии (например голубого неба) и объёмному восприятию объектов заднего плана, находящихся не в фокусе.

Причины возникновения цифрового шума

Перечислим основные факторы, влияющие на уровень цифрового шума вашего фотоаппарата:

• Размер сенсора и его разрешение
  Размер фотодиода на микросхеме зависит от технологии по которой изготавливалась матрица вашего фотоаппарата. По технологии CCD элементов «обвязки» у пикселя меньше, чем по технологии CMOS, следовательно линзе фотодиода достается больше площади сенсора. Особенно сильно это сказывается на матрицах маленького размера, как правило устанавливаемых в цифрокомпактах. Поэтому для цифровых фотоаппаратов, кроме зеркалок, сенсоры, изготовленные по технологии CMOS, практически не применяют. При одинаковых физических размерах сенсора, у сенсора, имеющего большее разрешение, активная площадь каждого фотодиода меньше. Как следствие уровень цифрового шума у такого сенсора будет выше. Это следует помнить при покупке цифрового фотоаппарата, когда консультант магазина будет убеждать вас выбрать модель с большим количеством мегапикселей. Больше, совсем не всегда значит лучше. Но данное утверждение справедливо только при неизменной технологии изготовления матрицы. Прогресс не стоит на месте, и новые матрицы могут содержать менее шумные элементы и соответственно увеличивать можно или разрешение с сохранением уровня шума или сохранить разрешение, но уменьшить шум.

• Выбранный производителем диапазон эквивалентной чувствительности сенсора (ISO)
  Эквивалентная чувствительность сенсора определяет коэффициенты усиления сигналов в цифровом фотоаппарате и отношение сигнал-шум. Чем более высокие значения чувствительности сенсора установлены при съемке кадра, тем сильнее искажения, возникающие при усилении сигнала до необходимого уровня.

• Время экспонирования
  Темновой ток фотодиода при длительных выдержках сильно ухудшает отношение сигнал-шум. Чем больше время экспонирования, тем больше тепловой шум транзисторов электроники и выше уровень шума на итоговом изображении.
  Интересный компромисс найден в фотоаппаратах с поворотными дисплеями. Это решение очень удобно для фотографа и самое главное — от сенсора отдаляется источник тепла и шума, что снижает темновой ток и помехи на сенсор.

Как бороться с цифровым шумом.

Борьбу с цифровым шумом можно условно разделить на два уровня: борьба с шумом на уровне возникновения и подавление шума на готовом фотоснимке — программное шумоподавление. Очевидно, что в первом случае эффективность будет выше, т.к. мы не устраняем уже имеющийся шум, а устраняем причины его появления, что позволяет сохранить большее количество деталей, которые неизбежно теряются при подавлении шума с уже отснятой фотографии. Итак, бороться с шумом на этапе его возникновения:

• Больше мегапикселей — больше уровень шума
  При покупке нового цифрового фотоаппарата определите для себя какое разрешение снимка вам действительно необходимо. Понятно, что приятно похвастаться перед друзьями камерой с матрицей 15 мегапикселей, но нужны ли вам в действительности эти 15 мегапикселей? Для печати снимков размером 30х45 с разрешением печати 200dpi (в таком разрешении печатает крупнейший сервис печати фотографий в Москве — netPrint) достаточно всего 4 (!) мегапикселей. Старайтесь покупать фотоаппарат с достаточным для вас разрешением, но при этом по возможности большим размером матрицы, естественно обращая внимание на тип установленного сенсора.
  

  Кол-во мегапикселей	Разрешение	Возможный  формат печати (200dpi)
  1 Mpix	1280х960	до 10х15
  2 Mpix	1600х1200	до 15×21
  3 Mpix	2048х1536	до 20×30
  4 Mpix	2272х1704	до 30х45
  5 Mpix	2592х1944	до 30х45
  6 Mpix	3072х2048	до 30х45
  8 Mpix	3264х2448	до 30х45

  
  

• Короче выдержка — меньше уровень шума
  По возможности, если это не противоречит идее будущей фотографии, старайтесь как можно лучше осветить поле кадра с помощью вспышки или внешних источников света. Это позволит уменьшить необходимую для экспозиции выдержку и снизить уровень шума. Кроме того, для получения более коротких выдержек стоит обзавестись светосильным объективом — широко открытая диафрагма позволит снимать на коротких выдержках даже в условиях недостаточного освещения.

• Дольше съемка — выше уровень шума
  Как уже писалось выше, уровень шума зависит от температуры матрицы, а матрица греется при работе, поэтому имейте в виду, что если снимать в режиме серийной съемки, то кадры полученные в конце серии будут иметь несколько больший уровень шума, чем начальные. Так же матрица сильно нагревается при съемке видео, т.к. в этом режиме она включена постоянно, и следовательно кадры сделанные в процессе съемки видео (многие современные фотоаппараты имеют такую функцию) будут более шумными. Кроме того, следует помнить, что фотография снятая летним днем в сорокаградусную жару, по тем же причинам, будет шумнее, снятой январским утром.

• Ниже уровень ISO — меньше уровень шума
  Если вы снимаете светосильным объективом или внешнее освещение достаточно сильное, устанавливайте в настройках камеры наиболее низкое значение эквивалентной чувствительности. Большинство современных цифровых фотоаппаратов имеют параметр чувствительности Auto, который автоматически выставит минимально необходимый уровень ISO.

• Съемка в формате RAW — удобство дальнейшей обработки
  Многие современные фотоаппараты позволяют сохранять снимки в формате RAW. При сохранении снимка в этом режиме камера не интерполирует полученные с матрицы данные сжимая их в традиционный JPEG, а просто сохраняет их в файл. Получающиеся снимки имеют гораздо больший размер в байтах, и не удобны для быстрого просмотра на компьютере, но зато позволяют сохранить гораздо больше цветовых и яркостных данных, что значительно расширяет возможности по дальнейшей обработке, в том числе шумоподавлению, снимка на компьютере.
  

Кроме того, в настройках камеры, как правило, можно включить и настроить встроенные алгоритмы шумоподавления. Удобство этого способа состоит в том, что не требует никаких дополнительных усилий со стороны фотографа. При активации встроенного шумодава, камера на основании заложенного в нее алгоритма подавления шумов анализирует изображение пытаясь отделить значимые детали от шумов. Данный алгоритм обычно достаточно прост и все, что не попадает под определение «значимых деталей изображения» обычно размывается, чтобы уничтожить следы шума. В результате этого процесса часть деталей изображения безвозвратно теряется и уже не может быть восстановлена даже самой сложной и изощренной программой подавления шумов. Когда вы отключаете процедуру подавления шума внутри камеры (или устанавливаете самое минимальное значение этой опции) вы сохраняете в своих кадрах максимум деталей, а с «сохраняющимся» при этом шумом можно бороться позднее используя более сложные и изощренные программы уменьшения шума при обработке снимка на компьютере, и сохранить при этом оптимальный уровень детализации.

Предположим, что мы воспользовались всеми вышеописанные советами по борьбе с шумом но на готовом снимке его уровень все равно достаточно высок. В таком случае нам на помощь придет множество программ написанных для этой цели и отличающихся друг от друга эффективностью, удобностью и ценой. Приведу список наиболее популярных программ шумоподавления с кратким описанием.

В завершение, стоит отметить, что при программном удалении шумов, применять программу-шумодав стоит в самую первую очередь, до выполнения любой другой обработки снимка. Это позволит избавиться от шумов сохранив максимально возможное количество мелких деталей фотографии.

Удачных вам снимков!