במקור תכננתי להסתפק בשני הפוסטים הקודמים בנושא הרעש אולם מספר פרסומים בהם נתקלתי לאחרונה הביאו אותי להמשיך לעסוק בנושא זה ולהתמקד ביתר פרוט בקשר שבין ערך ה-ISO לרעש ולטווח הדינמי. עסקתי בקשר זה בקצרה בפוסט מס׳ 98 וכאן המקום להרחיב בנושא חשוב זה. פוסט זה מכוון לצלמים המגלים ענין בהבטים הטכניים יותר של הצילום ומצלמים קבצי RAW. הדיון שלהלן איננו מיועד למי שמצלמים קבצי JPEG.

מסתבר שצלמים לא מעטים עדיין מתייחסים לנושא ה-ISO באופן מוטעה כתוצאה מחוסר הבנה בסיסי של משמעות המושג.
כפי שהסברתי כבר בשני הפוסטים הקודמים, חשוב להבין שלחיישן התמונה האלקטרוני יש רגישות (Photogrpahic Speed) קבועה ונתונה לאור (שאיננה ניתנת לשינוי) וכי הוא מסוגל להמיר פוטונים של אור לאלקטרונים ביחס קבוע (וזאת עד לנקודת הרוויה בו הפיקסל מלא באלקטרונים והמשך החשיפה לא יוצר מידע נוסף). עם זאת באפשרותנו, בעת הצורך, לספק לחיישן כמות אור קטנה מהכמות האופטימלית הדרושה לו כדי ליצור דימוי איכותי ולהגביר את הכמות הקטנה הזו (כלומר להבהיר את הדימוי) בשני אופנים עיקריים, בהתאם לסוג החיישן: הגברה אנאלוגית והגברה דיגיטלית. ההגברה הדיגיטלית הולכת ונעשית פופולרית מאחר ויש לה מספר יתרונות אליהם אתייחס בהמשך. שיטת הגברה זו אופיינית למצלמות החדישות מתוצרת Sony וכן למצלמות של יצרנים אחרים כמו Fuji ו-Nikon המתבססים על חיישנים מתוצרת Sony.

לפני שנמשיך, אתייחס בקצרה לנושא הרגישות הצילומית (Photographic Speed) של סרטי צילום, מכיון שמסתובבות אגדות אורבניות ה״קובעות״ שבניגוד לחיישני הצילום האלקטרוניים  כן ניתן לשנות את הרגישות של סרטי הצילום. ובכן, יצרן סרטי צילום אכן יכול ל״שנות״ את הרגישות של סרטי הצילום אבל, בדיוק כמו בחיישני התמונה האלקטרוניים שינוי זה יוביל לרמות רעש (גרעיניות) גבוהות יותר וכתוצאה מכן לירידה בטווח הדינמי ובכושר ההפרדה. הדבר נובע מכך שהדרך להעלות את הרגישות של גרעיני הכסף ההלידי היא להגדיל את שטח הפנים שלהם. רמת הגרעיניות בסרטי הצילום מבוטאת בד״כ ע״י גורם הנקרא
RMS: Root Mean Square (בעברית: שורש ממוצע הריבועים). מי שישווה בין ערכי ה- RMS של סרטי צילום ברגישות גבוהה לעומת סרטי צילום ברגישות נמוכה יגלה שערכי ה- RMS של סרטים ברגישות גבוהה גבוהים יותר כלומר הגרעיניות גסה יותר = רעש גבוה יותר.
הנה לדוגמא השוואה בין נתוני הגרעיניות וכושר ההפרדה של סרט T-Max 100
לעומת T-Max 400 ו-T-Max 3200:

לכל סרט צילום ״רגישות״ בסיסית אופטימלית אותה קבע היצרן אולם ניתן לייחס לסרט ״ערך ISO״ גבוה יותר, לחשוף אותו כתוצאה מכך בחשיפת חסר ולפצות על כך באמצעות הארכת זמן הפיתוח. פעולה זו ידועה בשם ״דחיפה״ (Push Processing). בעת ביצוע ״דחיפה״ אנו למעשה מספקים לסרט פחות אור מן המנה האופטימלית עבורו ומפצים על כך באמצעות הבהרה (ובנגטיב הכהייה) הנעשית ע״י הארכת זמן הפיתוח. ל״דחיפה״ זו ברגישות הסרט השלכות שליליות מבחינת הגרעיניות (כלומר הרעש), הניגוד, הטווח הדינמי וכושר ההפרדה של הדימוי שיתקבל. כלומר אין ניסים ואין ארוחות בחינם, לכל פעולה יש תוצאה ובמקרה זה תוצאה שלילית. טכניקה נוספת שהיתה מקובלת לפני עידן הצילום הדיגיטלי נקראה ״ריגוש על״ (Hyper Sensitization) ומטרתה היתה להתגבר על הירידה ברגישות ממנה סובלים סרטי הצילום בחשיפות ארוכות כמו לדוגמא בצילום אסטרונומי. סרט הצילום הושרה לפרק זמן ארוך של כ-24 שעות בכלי אטום המכיל גז חנקן או תערובת של חנקן ומימן שחוממה מעט. בעת החשיפה היה מקובל גם לקרר את האמולסיה. עוד מידע על תהליכים לא פשוטים ומסורבלים אלו ניתן למצוא כאן.
כיום, בעזרת טכניקות הגברה אנאלוגיות ודיגיטליות יחד עם הסרת רעשים דיגיטלית, חיישני התמונה האלקטרוניים עולים בהרבה על סרטי הצילום ביכולות הצילום בתנאי אור נמוכים המלווים בשימוש בערכי ISO גבוהים ו/או הבהרה בתוכנות לעריכת קבצי RAW כפי שנראה בהמשך.

ובחזרה לחיישני התמונה האלקטרוניים: אם כך, ללא קשר לאופן ההגברה, יש לה השלכות שליליות על איכות הדימוי ובעיקר על רמת הרעש בדימוי וכתוצאה מכך השפעה על הטווח הדינמי שלו. אשוב ואציין כאן כי גם לגודל החיישן יש השפעה על רמת הרעש הנוצרת בזמן החשיפה מאחר ורמת הרעש תלויה בכמות האור הכללית שקלט החיישן במשך החשיפה וכבר התייחסתי בפוסטים קודמים לעובדה שבחשיפה נתונה רמת הרעש שיצור חיישן קטן תהיה גבוהה יותר מאשר רמת הרעש שיצור חיישן גדול בהינתן ששניהם מאותו דור טכנולוגי. ולכן גם הטווח הדינמי של דימוי שנוצר ע״י חיישן קטן יהיה קטן יותר מזה של דימוי שנוצר ע״י חיישן גדול יותר. טבלת השוואה בין ערכי הטווח הדינמי של מצלמות רבות ניתן למצוא כאן.

באופן כללי, הטווח הדינמי של מצלמה דיגיטלית מוגדר כיחס שבין רמת הבהירות הגבוהה ביותר הניתנת למדידה בכל פיקסל (כאשר הפיקסל רווי ומלא באלקטרונים) לבין רמת הבהירות המינימלית הניתנת למדידה מעל רמת רעש הקריאה. יחידת המידה המקובלת למדידת הטווח הדינמי היא מספר תחנות הצמצם (f Stops): כל תחנת צמצם מתארת את טווח הבהירות הכללי באמצעות חזקות של 2. לדוגמא, יחס של 1024:1 בין רמת הבהירות הנמוכה ביותר (1) לבין הגבוהה ביותר (1024) ניתן לביטוי כ-10 תחנות צמצם מאחר ו-2 בחזקת 10 = 1024. בהתאם לצורך ולישום, כל תחנת צמצם יכולה להיות מתוארת כ״אזור״ (Zone) או (EV (Exposure Value.
מאחר ושימוש בערכי ISO גבוהים מעלה את רמת הרעש בדימוי הטווח הדינמי יורד ככל שערך ה- ISO עולה.

נבדוק כעת שני אופני הגברה המקובלים במצלמות הדיגיטליות כיום: הגברה אנלוגית והגברה דיגיטלית:

בשורה העליונה מתואר תהליך יצירת הדימוי הדיגיטלי הקונבנציונלי הכולל הגברה אנאלוגית של המתח שיוצר חיישן התמונה בהתאם לערך ה-ISO שנבחר. חיישן מסוג זה נקרא ISO Variant. בתהליך זה, המתח שנוצר כתוצאה מחשיפת חיישן התמונה לאור מוגבר באופן יחסי לערך ה-ISO שנקבע. יחד איתו מוגברים כל הרעשים הנובעים מן החשיפה עצמה, מפעולת החיישן ומקריאת המידע (ליתר פירוט בנושא סוגי הרעשים ומקורותיהם ראו פוסט מס׳ 98). לרעשים אלו יתווספו בהמשך רעשים הנובעים מן התהליכים המתרחשים לאחר מכן. זוהי שרשרת יצירת הדימוי הדיגיטלי שהיתה מקובלת עד לפני מספר שנים בכל המצלמות.

לעומת זאת, במצלמות חדישות מן השנים האחרונות ובעיקר באלו מתוצרת Sony  או כאלה המבוססות על חיישני תמונה מתוצרת Sony אנו מוצאים חיישנים בהם תהליך ההגברה שונה: לאחר יצירת המתח החשמלי הוא מוגבר רק מעט על מנת להתגבר על רמת הרעש הצפויה בהמשך: הגברה זו אינה תלויה בערך ה-ISO שנקבע. בהמשך, לאחר שהמידע האנאלוגי הומר למידע דיגיטלי המצלמה מפעילה את ערך ה-ISO שקבע הצלם כ״הגברה דיגיטלית״ ולמעשה מבהירה את הדימוי כדי להגיע לרמת הבהירות המתאימה לערך ה-ISO שנקבע לפני הצילום. בפועל, הדבר דומה לביצוע הבהרה של דימוי כהה בתוכנה לעיבוד קבצי RAW כמו Lightroom. מצלמות מסוג זה נחשבות כבלתי תלויות ב-ISO או ISO Invariant.
יש לציין שקיימות מצלמות, כמו רוב המצלמות מתוצרת Canon שהינן בבסיסן ISO Variant אולם מעבר לערך ISO מסויים, בד״כ 1600 עוברות מהגברה אנאלוגית ישירה להגברה דיגיטלית.
בסופו של דבר, שני אופני ההגברה משיגים את אותה המטרה הבסיסית: הבהרת הדימוי בהתאם לערך ה-ISO שנבחר אולם התוצאה הסופית עשויה להיות שונה. ההבדל משמעותי עד כדי כך שאתר DPReview כולל כעת בדיקה של תכונת ה- ISO Invariance ברוב הסקירות שמבוצעות ע״י האתר לאחרונה. דוגמא לבחינה כזו ניתן למצוא כאן.

המשמעות המעשית של ISO Invariance היא שבמצלמות כאלו ניתן לצלם כאשר ערך ה- ISO הבסיסי של המצלמה נמצא בשימוש גם במצבים בהם נדרש שימוש בערכי ISO גבוהים יותר. הדימויים שיתקבלו כתוצאה מכך יהיו כמובן כהים מדי ולכן יעברו הבהרה בתוכנת העיבוד לקבצי RAW. היתרון הוא שהבהרה זאת ניתנת לביצוע מתוחכם תוך שימוש בכלים השונים העומדים לרשותנו בתוכנות העיבוד, תוך שמירה על פרטים בבהירויות ורמת רעש סבירה.

לדוגמא, בעיבוד שלאחר הצילום ניתן להבהיר אזורים רצויים באופן סלקטיבי ואילו אחרים להבהיר פחות או בכלל לא. לכך יהיו כמובן השלכות מבחינת רמת הרעש שתתגלה בכל אזור. שימוש ב-ISO גבוה, לעומת זאת, יגרום להבהרה של כל הדימוי ולכן להבלטה של רעש בכל האזורים. כמו כן, טכניקה זו עשויה לעזור לשמר פרטים באזורי הבהירויות הגבוהות (Highlights) שהיו אובדים בעת שימוש בערך ISO גבוה.

אחד החסרונות לשיטת צילום ועיבוד זו היא העובדה שברוב המצלמות מה שנראה על צג המצלמה יהיה כהה מאד או שחור לחלוטין ולא יהיה ניתן לאמוד את איכות החשיפה במצלמה כפי שאנו רגילים בד״כ. במצלמות מסויימות ניתן לראות את הנושא בבהירות גבוהה רגע לפני ביצוע החשיפה ובאחרות ניתן להפעיל פונקציה הנקראת S log 2 ולראות את הנושא באופן בהיר לפני ביצוע החשיפה. כל האמור לעיל נכון ברוב המקרים למצלמות מתוצרת Sony.

דוגמאות שצולמו במצלמות שונות בשיטה זו ניתן לראות כאן.

מאמר העוסק ביכולות ה- ISO Invariance של ה-Sony A7RII ניתן לקרוא כאן.

המפתח ליכולת של מצלמה להיות ISO Invariant הוא רעש קריאה נמוך במיוחד. באתר photonstophotos.net ניתן לראות ולהשוות בין רעש הקריאה של מספר רב של מצלמות. עפ״י האתר מצלמות שרעש הקריאה שלהן הינו פחות מ- 5 אלקטרונים יכולות להחשב כ-ISO Invariant.

להלן מספר המלצות לגבי ישום מעשי של ISO Invariance:

לצורך השגת הטווח הדינמי המירבי מומלץ להשתמש רק בערכי ISO אמיתיים, לא באלו המוגדרים כ-Simulated או Extended. ערכי ISO שאינם Native אינם מספקים כל יתרון מבחינת רמת הרעש ופרטים בצללים ובנוסף עשויים לגרום לחיתוך פרטים בבהירויות. במקרה של שימוש בערכי ISO נמוכים מערכי ה-Native, כמו לדוגמא ISO 50 במצלמות מסויימות יתכן חיתוך של פרטים בצללים ללא שיפור בפרטים בבהירויות. כמו כן, במצלמות מסויימות גם ערכי ISO כגון 125 או 160 וכו׳ עשויים לגרום לתופעות דומות ולפגוע בטווח הדינמי מאחר ואינם ערכים אמיתיים (Native) אלא מדומים (Simulated). לכן בד״כ כדאי להשתמש בערכים כמו 100,200 וכו׳.

במצלמות בעלות רעש קריאה נמוך של עד 5 אלקטרונים אפשר לנסות לצלם ב- ISO נמוך ולהבהיר את הדימויים הכהים שיתקבלו בשלב העיבוד. היתרון העיקרי הוא היכולת לקבל פרטים טובים יותר בבהירויות לעומת שימוש ב-ISO גבוה. לעומת זאת, במצלמות שאינן ISO Inavriant במובהק, ובהן ערכי ה-ISO הגבוהים אינם מדומים אלא אמיתיים לא מומלץ להשתמש בטכניקה זו אלא להשתמש בערכי ISO גבוהים עפ״י הצורך.

כל האמור לעיל מתייחס כמובן לשימוש בקבצי RAW בלבד!

מניסויים שערכתי במצלמה שלי, Sony A7, מצאתי שבהשוואה בין צילומים ב- ISO 400 שהובהרו ב- LR לבין צילומים ב- ISO 3200 הרי שרמת הרעש ב- ISO 400 נמוכה מעט, התקבלו מעט יותר פרטים בבהירויות ובצללים כלומר הטווח הדינמי רחב יותר. לעומת זאת,  ניסיון להשוות בין צילומים ב- ISO 100 שהובהרו ב-LR לבין צילומים ב- ISO 3200 נכשל, איכותם של הצילומים ב- ISO 100 שהובהרו היתה גרועה מאד בעיקר עקב סטיות צבע חמורות באזורי הצללים. עם זאת, דוגמאות שהובאו במקומות אחרים בהחלט משכנעות שבמצלמות מסויימות יש לשיטת הצילום ב-ISO נמוך והבהרה בפוסט יתרונות מובהקים בתחומי ISO רחבים יותר.

האם בפעם הבאה שאזדקק ל-ISO גבוה אצלם ב-ISO נמוך ואבהיר בפוסט? לא בטוח. אני נוהג להשתמש ב-ISO אוטומטי, לקבוע את מהירות הסגר והצמצם הרצויים לי ולתת למצלמה לקבוע את ערך ה-ISO. עד היום הייתי מרוצה למדי מביצועי המצלמה שלי גם בערכי ISO  גבוהים עד 6400. לפחות עם המצלמה הנוכחית, נראה לי שכך אמשיך לנהוג גם בעתיד.

עדכון 13.5.23: מאמר וסרטון מענין בנושא ISO וחשיפה (המאמר עוסק בעיקר בצילום וידאו אולם בהחלט רלוונטי גם לצילום סטילס)