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.

picture2
קטע ביחס הגדלה של 100% מדימוי שנוצר בתוכנת תלת מימד ואין בו רעש כלל
picture3
צילום במצלמה דיגיטלית ב-ISO גבוה הכולל הרבה רעש

תקן  ISO 15739 מגדיר שיטה מקובלת למדידת רעש חזותי.

iso14524_oecf_chart
מטרה תקנית המשמשת לצורך מדידת רעש במצלמות דיגיטליות
microsoft-powerpointscreensnapz002
דימוי מונוכרומטי ללא רעש (מימין)  ועם רעש (משמאל)

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.

picture1
יחס אות לרעש נמדד ב-(dB (Decibels, יחס גבוה מ- 1:1 מציין יותר אות מרעש
picture1
יחס האות לרעש (SNR) לעומת עוצמת האות: ככל שעוצמת האות עולה היחס משתפר

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.

picture1

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.

picture1
רעש החשיפה Photon Shot Noise: מספר הפוטונים הנופלים על החיישן משתנה עם הזמן

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.

picture1
צילום עם עדשה מכוסה ללא חדירת אור לחיישן התמונה: עם הבהרת הדימוי השחור שהתקבל מתגלה רעש הזרם השחור

 

picture1

picture1
השפעת קרור החיישן על רמת הרעש

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.

picture1
פסים (Banding) הנובעים מרעש הקריאה Read Out Noise של ארבעה דגמי מצלמות שונים

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.

picture1
הסרת רעש תבנית קבועה מיד לאחר החשיפה. מקור: SMHJ

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.

picture1

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.

picture1
השפעת טשטוש ערוצי הצבע וערוץ הבהירות על החדות הנתפשת:    מקור: Wandeli 1995, Eastman Kodak Company

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.

picture1
ככל שמעלים את ערך ה-ISO כמות הפוטונים הנקלטת בכל פיקסל קטנה ויחס האות לרעש יורד. משמעות העלאת ה-ISO היא הגברה של כמות האור הקטנה שנקלטה בפיקסל אולם במקביל מוגבר גם הרעש ויחס האות לרעש יורד

 

 

lightroomscreensnapz004
שתי חשיפות בערכי ISO שונים במצלמה Sony A7: מימין חשיפה בערך ISO 25600. משמאל חשיפה     בערך ISO 125. קבצי RAW, קטע בהגדלה 100%, הסרת רעש במצב ברירת המחדל ב- LR

 

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.

 

picture1
ככל שגודל הפיקסל עולה כך הוא קולט כמות אור גדולה יותר במהלך החשיפה. כמות האור הנקלטת תקבע את יחס האות לרעש שתמיד יהיה גבוה יותר בחיישן גדול לעומת חיישן קטן

 

lightroomscreensnapz003
מימין: קטע בהגדלה 100% מקובץ RAW שצולם ב- ISO 3200 במצלמה Olympus TG-4 בעלת חיישן עם 16MP בגודל 6.17X4.55. משמאל קטע בהגדלה 100% מקובץ RAW שצולם ב-ISO 4000 במצלמה Sony A7 בעלת חיישן עם 24MP בגודל FF. הצילומים צולמו באותו הזמן באותו המקום,  הסרת רעש במצב ברירת המחדל ב- LR, כל מילה מיותרת!

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.

מודעות פרסומת

2 מחשבות על “98. רעש חזותי Visual Noise, חלק א

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s