98. רעש חזותי Visual Noise, חלק א

אחד מגורמי האיכות החשובים ביותר של דימוי צילומי הוא מידת הרעש (Noise) שבדימוי. למרות שהשם מגיע מתחום השמע ובד״כ אנחנו רגילים לשמוע רעש ולא לראות אותו כאן מדובר על תופעה חזותית שניתן לראותה ואף לכמת אותה באופן מספרי מדויק ולא רק באופן איכותי. בד״כ הרעש בא לידי ביטוי חזותי כשינויים בבהירות ובצבע של פיקסלים בדימוי. השינויים עשויים להיות אקראיים או חוזרים על עצמם. הרעש גורם לצמצום הטווח הדינמי של חיישן התמונה שבמצלמה ופוגע גם בחדות ובניגוד.

כל הפרעה בתמונה שלא היתה בנושא המקורי מוגדרת כרעש. הרעש יכול להיווצר בכל שלב של תהליך יצירת הדמות, החל בשלב איסוף האור ע"י העצמית, כתוצאה מאיכות העצמית (סטיות אופטיות) והחזרות אור פנימיות (בתוך העצמית וגוף המצלמה) וחיצוניות (מחוץ לעצמית, בינה ובין הנושא ו/או מקור האור) – בסוגי רעשים אלו דנתי כבר  בפוסטים העוסקים בעדשות ועצמיות (77-83): למעשה כל הסטיות האופטיות של העדשות גורמות ליצירת רעשים בדימוי הסופי. רעשים אלו גם הם ניתנים למדידה אם כי באופן שונה מאשר הרעשים אותם אסקור בהמשך.

בפוסט זה אדון ברעש הנוצר בתהליכי יצירת הדימוי בחיישן התמונה האלקטרוני, המרת הדימוי לתחום הספרתי-הבינארי ובתהליכי העיבוד שלאחר הצילום.

כל דימוי צילומי, בין אם הוא דיגיטלי או כימי (אנאלוגי) כולל רעש במידה זאת או אחרת. דימויים דיגיטליים שאינם צילומיים, כמו אלו שנוצרו בתוכנות תלת מימד פוטוריאליסטיות אינם כוללים רעש כלל ולעיתים מוסיפים להם רעש באופן מלאכותי כדי שידמו יותר לדימוי צילומי אמיתי.

תקן  ISO 15739 מגדיר שיטה מקובלת למדידת רעש חזותי.

נראות הרעש לצופה תלויה בעצמת הרעש, בהירות האזור הנבדק והתדר המרחבי של הרעש. נראות הרעש משתנה בערוצי בהירות (Luminance) ובערוצי צבע (Chrominance). תקן ISO 15739:2013 מגדיר את אופן ההשפעה של גורמים אלו על תהליך מדידת הרעש והדיווח על תוצאות המדידה.
התקן מגדיר את הטווח הדינמי של מצלמה דיגיטלית כיחס שבין רמת החשיפה המירבית המספקת ערך בהירות ללא חיתוך (Clipping) לבין רמת החשיפה המינימלית המעשית האפשרית. ככל שרמת הרעש עולה, כך יורד הטווח הדינמי ולהפך.

יחס אות לרעש (Signal to Noise Ratio, SNR, S/N) מוגדר כיחס בין רמת האות האמיתי, המייצג את נושא הצילום לבין רמת הרעש. ככל שיחס זה נמוך יותר הדימוי כולל יותר רעש, ולהפך: יחס אות לרעש גבוה מעיד באופן עקרוני על דימוי איכותי יותר. באזורים הכהים של הדימוי (אות נמוך) יחס האות לרעש יהיה נמוך יותר מאשר באזורים הבהירים (אות גבוה) ולכן האזורים הכהים כוללים יותר רעש חזותי.

3dB = 1Stop. כלומר, אם למצלמה א׳ SNR מסויים באזור נתון (לדוגמא באזור אפור 18%) וב- ISO נתון, ולמצלמה ב׳ SNR הנמוך ב-  3dB באותו אזור ובאותו ISO, המשמעות המעשית היא שמצלמה א׳ תתן ב-ISO כפול את אותה רמת רעש שמצלמה ב׳ נתנה ב-ISO הנמוך יותר.

סוגי רעש:

בהתאם למאפייני הרעש, ניתן לחלק את הרעשים לשני סוגים עיקריים:

א. רעש אקראי (Random Noise): זהו רעש משתנה שאינו חוזר על עצמו בתבנית קבועה.
רעש זה נובע  משלושה מקורות עיקריים:
1. רעש החשיפה Photon Shot Noise
2. רעש הזרם השחור Dark Current Noise
3. רעש הקריאה Read Out Noise.

ב. רעש תבנית קבועה (Fixed-Pattern Noise):
מקורו בד״כ בהבדלים בין המגברים בפיקסלים של חיישני CMOS. מאחר והוא קבוע ניתן למפות אותו ולטפל בו בקלות.

רעש אקראי הוא רעש המופיע באופן אקראי בפיקסלים שונים ואיננו חוזר על עצמו בתבנית קבועה. לרעש זה שלושה מקורות עיקריים: הראשון  Photon Shot Noise הוא תכונה של האור ואיננו תלוי כלל בחיישן התמונה ובמאפייני המצלמה: לאורך זמן קיימת סטייה סטטיסטית במספר הפוטונים של האור הנופלים על נקודה מסויימת ולכן גם אם חושפים את החיישן לנושא מונוכרומטי אחיד וחלק מספר הפוטונים שיגיעו לכל פיקסל יהיה שונה ולכן הדימוי שיתקבל לא יהיה אחיד מבחינת הבהירות כמו המקור. שונות זאת בבהירות בין הפיקסלים מהווה את הרעש. רעש זה גובר ככל שאורך החשיפה עולה. בחשיפה בערכי ISO נמוכים רעש זה הינו הרעש השולט.

הסוג השני של רעש אקראי נובע מפעולת חיישן התמונה עצמו והמערכת האלקטרונית של המצלמה: רעש זה נקרא  Dark Current Noise (ידוע גם בשם Thermal Noise). זהו רעש שקיים גם בלי ביצוע חשיפה ולכן רמתו מהוה מעין רעש סף שרק מעליו מתחיל רישום הדימוי ע״י חיישן התמונה. רעש זה גובר ככל שאורך החשיפה עולה וכמו כן הוא מושפע מאד מן הטמפרטורה של חיישן התמונה וגוף המצלמה בכלל: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר הרעש גובר. בקירוב טוב, עלייה של 10 מ״צ עשוייה להכפיל את רמתו של רעש זה. בצילום אסטרונומי, המאופיין בחשיפות ארוכות נהוג לקרר את חיישן התמונה או את המצלמה כולה באמצעים אקטיביים (ע״י Peltier Element, חנקן נוזלי או פחמן דו חמצני נוזלי) על מנת למזער את ה- Dark Current Noise למינימום. גם מצלמות מסויימות בפורמט בינוני כוללות יחידת אוורור שקטה שתפקידה לקרר את חיישן התמונה כדי להקטין רעש זה.

בעת חשיפה בערכי ISO גבוהים רעש זה הופך להיות משמעותי מאד.

 

הסוג השלישי של רעש אקראי הוא  רעש הקריאה Read Out Noise היוצר פסים אנכיים ואופקיים.
רעש זה נובע משגיאות בעת קריאת המידע שהצטבר בפיקסלים בזמן החשיפה. הסבר מקיף באשר למקורותיו של רעש זה ניתן למצוא כאן.

חשוב להדגיש כי בעוד שרעש החשיפה Photon Shot Noise אינו תלוי באיכות המצלמה וחיישן התמונה הרי שרעש הזרם השחור Dark Current וגם רעש הקריאה Read Out Noise תלויים מאד באיכות החיישן בפרט והמערכת האלקטרונית של המצלמה בכלל.

רעש תבנית קבועה Fixed Pattern Noise נובע בד״כ מן ההבדלים בין המגברים הנמצאים בכל פיקסל בחיישני תמונה מסוג CMOS. מאחר והבדלים אלו קבועים יכול יצרן החיישן למפות אותם ולהסיר אותם בהתאם למיפוי זה מיד לאחר החשיפה.

מקובל למיין את הרעש גם בהתאם למידת השפעתו על ערוצי הצבע אדום, כחול וירוק בדימוי ועל ערוץ הבהירות:

כל סוגי הרעשים מופיעים בשני מופעים:

1. רעש הבהירות (Luminance Noise)
2. רעש הצבעוניות (Chrominance Noise)

את רעש הצבעוניות קל יותר להסיר בלי פגיעה משמעותית בחדות. לעומת זאת כל טיפול ברעש הבהירות יגרום לפגיעה בחדות עקב העובדה שהעין רגישה יותר לבהירות מאשר לצבע.

התפלגות הרעש לרעש בהירות ורעש צבעוניות. מקור: Cambridgeincolour.com

שימו לב לדוגמא הבאה: מקור צבעוני הופרד לשני ערוצי צבע וערוץ בהירות, כמו במודל הצבע LAB. כל ערוץ טושטש מעט על מנת להבין את השפעת הטשטוש על תפישת החדות של הדימוי:  מסתבר שטשטוש ערוצי הצבע איננו פוגע כמעט בחדות הנתפשת של הדימוי ואילו טשטוש ערוץ הבהירות כן פוגע בה.

לכן, בד״כ עדיף להימנע או לצמצם את הטיפול ברעש הבהירות ולהתמקד ברעש הצבעוניות שהטיפול בו יפגע פחות בחדות הנתפשת של הדימוי. הכלים המקובלים להסרת רעשים מאפשרים טיפול נפרד ברעש הבהירות וברעש הצבעוניות.

רעש ו-ISO: כל סוגי הרעשים מוחמרים ככל שערך ה- ISO בו נשתמש בעת החשיפה עולה. משמעות הדבר היא שיחס האות לרעש יורד ומידת ההשפעה השלילית של הרעש על איכות הדימוי עולה. הסיבה לכך היא העובדה שלמעשה מה שמתבצע בעת העלאת ערך ה-ISO היא הגברה אלקטרונית של האות החלש שנקלט בעת החשיפה מיד לאחר קליטתו ע״י החיישן ועוד בטרם הומר לקובץ RAW. המידע מוגבר יחד עם הרעש לסוגיו השונים ולכן לא רק האות מוגבר אלא גם הרעש. (כיום נפוצה גם הגברה דיגיטלית המתרחשת לאחר המרת המידע האנאלוגי לדיגיטלי: ISO-Invariance). עוד בנושא זה בפוסט מס׳ 100.

 

 

 

רעש וגודל החיישן: מה שקובע את יחס האות לרעש היא כמות האור הכללית שקיבל החיישן במשך החשיפה. מאחר וככל ששטח החיישן גדול יותר כמות האור הכללית שיקבל במשך החשיפה גדולה יותר יחס האות לרעש בחיישן גדול יהיה גבוה יותר מאשר בחיישן קטן. לכן, בהינתן שההשוואה היא בין חיישנים מאותו דור טכנולוגי רמת הרעש שתיווצר בחיישן גדול תהיה תמיד נמוכה יותר מרמת הרעש בחיישן קטן. לדוגמא, רמת הרעש שתיווצר בחשיפה בערך ISO 2000 בחיישן Full Frame 24X36 תתקבל כבר בחשיפה בערך ISO 800  בחיישן בגודל APS C: יש להכפיל את גורם החיתוך (Crop Factor) בריבוע, (במקרה זה 2.56) בערך ה-ISO של החיישן הקטן כדי לדעת באיזה ערך ISO נקבל את אותה רמת רעש בחיישן הגדול.

 

 

מה ניתן לעשות כדי לצמצם את הרעש?

1. להשתמש במצלמה בעלות חיישן תמונה גדול מן הדור האחרון עם עצמית איכותית
2. להשתמש ברגישות ISO נמוכה ככל שניתן
3. להשתמש בזמני חשיפה קצרים ככל שניתן
4. להמנע מהתחממות המצלמה
5. לבצע חשיפה ETTR (ראו פוסט מס׳ 92)
6. לצלם קובץ RAW
7. לא להגזים בעיבוד

מאמר מפורט (באנגלית, לגיקים בלבד) בנושא מקורות הרעש ניתן לקרוא כאן.

בפוסט הבא אדון בשיטות העיקריות להסרת רעשים.