100. רעש חזותי, Visual Noise חלק ג

100. רעש חזותי, Visual Noise חלק ג

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:

Untitled-1
השוואה בין נתוני כושר ההפרדה (Resolving Power) והגרעיניות (Granularity) של שלושה סרטי צילום ברגישות של ISO 100, 400, 3200: ככל שרגישות הסרט עולה כך עולה הגרעיניות (הרעש) וכושר ההפרדה יורד. הנתונים מתוך דפי מידע של Kodak.

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.

SafariScreenSnapz005
סדרת עקומות זו מתארת את הטווח הדינמי של מספר מצלמות (ראו מקרא בצד ימין למעלה) לעומת ערך ה-ISO שבשימוש. למעט המקרה יוצא הדופן של ה-Fujifilm GFX 50S בכל שאר המצלמות הטווח הדינמי יורד באופן מובהק ומשמעותי ככל שערך ה- ISO עולה. מקור: Photonstophotos.net

 

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

Presentation1

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.

 

 

 

98. רעש חזותי Visual Noise, חלק א

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.

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.