[ang. noise]

----- R E K L A M A -----

Praca kamery CCD/CMOS to w dużym uproszczeniu proces przekształcenia fotonów na elektrony, które następnie są przechowywane w komórce światłoczułej o określonej pojemności elektronowej (czyli zdolnej pomieścić daną ilość elektronów, zwykle od 35000 do aż 500 tysięcy, w zależności od konkretnego modelu matrycy).

Po zakończonej ekspozycji matrycy na światło (zamknięciu migawki) elektrony skumulowane w komórkach światłoczułych są transportowane do przetwornika analogowo-cyfrowego, gdzie podlegają przetworzeniu do wartości cyfrowej.

Źródła szumu

W idealnym świecie każdy foton wpadający do sensela (czyli komórki światłoczułej) zostanie przekształcony w dokładnie jeden elektron, który w przetworniku analogowo-cyfrowym przekształci się zawsze w tę samą wartość.

Jednakże proces konwersji światła do wartości liczbowej rządzi się prawami fizyki, które wprowadzają do finalnego obrazu pewną zmienność, potocznie nazywaną "szumem".

Szum to połączony efekt wielu czynników zakłócających pracę aparatu fotograficznego.

Poniżej zostanie przedstawionych kilka podstawowych grup czynników. Większość z nich da się wyeliminować poprzez świadomą obsługę aparatu bądź też w procesie cyfrowej analizy sygnału.

Efektywność kwantowa

Każda komórka światłoczuła, z której jest zbudowana matryca, ma zdefiniowaną efektywność kwantową - czyli unikalną charakterystykę czułości w zależności od długości fali światła.

Dobrze jest też pamiętać o interakcji fotonów z krzemem, czyli głównym minerałem stosowanym w produkcji matryc światłoczułych. Otóż krzem jest przezroczysty dla światła o kolorze głębokiej czerwieni (>700nm) natomiast dla światła o kolorze głębokiego fioletu (<400nm) krzem zachowuje się tak, jakby był lustrem.

Z tego powodu matryce na bazie krzemu typowo notują najlepszą efektywność dla środkowej części widma światła (ok 550nm, czyli zieleń).

Dla uproszczenia można przyjąć, że wpływ tego rodzaju zakłóceń jest pomijalny.

Szum termiczny (prąd ciemny)

Jedną z cech przyrządów półprzewodnikowych jest prąd upływu - zjawisko kwantowe powodujące wytwarzanie swoistych tuneli w obszarze izolatora, przez które ucieka ładunek. W matrycach zbudowanych w oparciu o krzem zjawisko to zwane jest prądem ciemnym; dla uproszczenia można uznać, że jest ono spowodowane losowością poruszania się elektronów w granicach fotodiody.

Prąd ciemny jest silnie zależny od temperatury i czasu ekspozycji, natomiast jest całkowicie niezależny od ilości padającego na fotodiodę światła - występuje zawsze. Relację tę można opisać następującym wzorem:

gdzie:
I_d - wartość prądu ciemnego dla temperatury T
I_d0 - wartość prądu ciemnego dla temperatury T₀
t - czas ekspozycji

Każdy element elektroniczny - a matryca światłoczuła jest jednym z nich - podczas swojej pracy wytwarza ciepło. Energia termiczna pobudzając swobodne elektrony powoduje akumulowanie ich w komórkach światłoczułych matrycy. Z punktu widzenia przetwornika ADC elektrony takie są nierozróżnialne od elektronów pochodzących ze zjawiska fotoelektrycznego.

Wartość tego szumu jest proporcjonalna do długości ekspozycji, co za tym idzie jest on praktycznie niewidoczny w bardzo krótkich ekspozycjach (np. 1/100 s) oraz może być widoczny przy stosunkowo długich ekspozycjach (np. 3 min).

Przykład prądu ciemnego, Nikon D700, ISO 200, 10 min
(kontrast zmieniony w celu wizualizacji)

Matryce w aparatach cyfrowych wyposażone są w filtry blokujące podczerwień, dlatego tak trudno zrobić takim aparatem zdjęcie w podczerwieni. Gdy jednak aparat nie jest wyposażony w taki filtr (czy będzie to aparat o specjalnej konstrukcji, czy też aparat typowy, zmodyfikowany do fotografii w podczerwieni), docierające światło w pełnym widmie, w tym fale podczerwieni, będzie powodowało dodatkowe nagrzewanie matrycy.

Warto też zaznaczyć, że z uwagi na swoją konstrukcję matryce CCD są bardziej podatne na wpływ szumu termicznego niż matryce wykonane w technologii CMOS.

Dodatkowym zjawiskiem obserwowanym w niektórych aparatach jest nierównomierne nagrzewanie się matrycy. Jest ono spowodowane niedostosowanym układem jej chłodzenia i widocznym na zdjęciach jako plamy.

Przykład nierównomiernego nagrzewania się matrycy Nikon D70s, ISO 200, 10 min
(kontrast zmieniony w celu wizualizacji)

Najprostszy sposób pomiaru szumu termicznego to wykonanie aparatem zdjęcia na bardzo długim czasie ekspozycji, na najmniejszej możliwej czułości ISO, bez dostępu światła, tzw. “dark frame”. W ten sposób eliminujemy wpływ szumu śrutowego oraz minimalizujemy wpływ szumu przetwarzania (opisanego dalej). To, co pozostaje, jest szumem termicznym.

Aby wyeliminować ten szum przy długich ekspozycjach, w profesjonalnych kamerach matryce są specjalnie chłodzone, a nawet schładzane do bardzo niskich temperatur.

Innym sposobem - często wykorzystywanym w aparatach cyfrowych (z filtrem blokującym podczerwień) - jest wykorzystanie faktu, że aparat fotograficzny podczas pracy nagrzewa się za każdym razem w bardzo podobny sposób. W związku z tym, aby usunąć szum termiczny ze zdjęcia, aparaty wykonują ponowną ekspozycję z tym samym czasem, ale bez otwierania migawki i odejmują tak otrzymane dwa zdjęcia od siebie.

Szum kwantyzacji

Szum ten jest wynikiem sposobu pracy przetwornika analogowo-cyfrowego, a dokładniej jest błędem wynikającym z zaokrąglania wartości sygnału analogowego do najbliższej wartości dyskretnej (czyli nieciągłej). W praktyce jednak ten składnik całkowitego szumu jest pomijalny, ponieważ z reguły wartość całkowitego szumu jest dużo większa od kroku kwantyzacji.

Szum przetwarzania

Szum przetwarzania jest sumą wszystkich zakłóceń toru przetwarzania analogowo-cyfrowego, między innymi:

• interferencji elektromagnetycznych,
• tolerancji wykonania elementów elektronicznych,
• szumu resetowania w matrycach CMOS,
• szumu transportowego w matrycach CCD.

Szum przetwarzania - jako cecha układu elektronicznego - jest niezależny od wartości rejestrowanej przez sensel (czyli niezależny od czasu naświetlenia i intensywności oświetlenia) i stały dla wybranej wartości czułości ISO.

Szum przetwarzania definiuje minimalny, użyteczny poziom sygnału przy wyznaczaniu takich parametrów jak np. dynamika tonalna.

Najprostszy sposób pomiaru szumu przetwarzania to wykonanie aparatem zdjęcia na bardzo krótkim czasie bez dostępu światła, czyli ponownie “dark frame”. W ten sposób eliminujemy wpływ szumu śrutowego oraz minimalizujemy wpływ szumu termicznego. To, co pozostaje jest szumem przetwarzania dla wybranej wartości czułości ISO.

Przykład szumu przetwarzania,
Nikon D700, ISO 200, 1/8000 s (kontrast zmieniony w celu wizualizacji)

Szum przetwarzania jest w głównej mierze odpowiedzialny za zakłócenia w partiach ciemnych obrazu (cienie). Minimalizowanie wpływu tego rodzaju szumu to przede wszystkim udoskonalanie konstrukcji matryc światłoczułych, a także procesu technologicznego ich wytwarzania.

Szum śrutowy

Zakłócenie to jest spowodowane przez fluktuacje w ilości fotonów docierających do komórki światłoczułej w jednostce czasu, czyli wynikające z fundamentalnej cechy światła: korpuskularności. Szum śrutowy zatem jest cechą światła, a nie układu jego rejestracji.

Szum ten jest szumem białym i charakteryzuje się rozkładem normalnym wartości chwilowych, w rachunku statystycznym opisywanym rozkładem Poissona.

Na histogramie szum ten ma rozkład Gaussa, czyli klasyczny kształt dzwonu wokół wartości średniej sygnału.

Z rozkładu Poissona wiemy, że typowa fluktuacja wartości jest równa pierwiastkowi kwadratowemu tej wartości:

gdzie:
S_s - wartość szumu śrutowego
x - analizowana wartość, np: ilość elektronów

Oznacza to, że wraz ze wzrostem wartości sygnału zwiększa się też - jednakże dużo wolniej - wartość szumu śrutowego.

Im więcej światła, tym mniejsze zmiany jasności obrazu są dostrzegalne, jednocześnie wzrasta stosunek sygnału do szumu. Im mniej światła, tym bardziej widoczny jest wpływ szumu śrutowego i jednocześnie pogorszeniu ulega stosunek sygnału do szumu.

Szum śrutowy jest w głównej mierze odpowiedzialny za zakłócenia w partiach obrazu o średniej jasności. Ani producenci matryc, ani producenci aparatów (z wyjątkami) nie mają bezpośredniej możliwości niwelowania skutków tego rodzaju szumu. Usunąć możemy go tylko w procesie postprodukcji.

Nierównomierność matrycy

Mimo iż matryce światłoczułe produkuje się z najwyższą możliwą precyzją, nie są one idealne - jedną z ich cech jest pewna tolerancja wykonania. W efekcie dwa sąsiadujące ze sobą sensele mogą charakteryzować się różną czułością na światło, zazwyczaj szacowanej na ok. 1% wartości średniej sygnału dla matryc CCD oraz do ok. 5% dla matryc CMOS.

Najprostszy sposób na stworzenie wzorca nierównomierności matrycy to wykonanie aparatem serii zdjęć na bardzo krótkim czasie ekspozycji, na najmniejszej możliwej czułości ISO, jednolicie oświetlonego i na tyle jasnego motywu, by rejestrowane wartości były ok ⅓ EV poniżej wartości całkowitej saturacji. Każde takie zdjęcie będzie reprezentowało szum śrutowy (składowa zmienna) wraz z szumem wynikającym z nierównomierności matrycy (składowa stała). Po uśrednieniu wszystkich zdjęć - sprowadzamy szum śrutowy do jego wartości średniej, który w łatwy sposób możemy usunąć z wynikowego zdjęcia korzystając z rozkładu Poissona. To, co pozostaje jest wzorcem nierównomierności wykonania matrycy.

Nierównomierność matrycy jest w głównej mierze odpowiedzialna za zakłócenia w partiach obrazu o dużej jasności (światła). Ten typ szumu jest unikalny dla każdej matrycy i dający się w bezproblemowy sposób wyeliminować. Jednak z uwagi na niewielki udział tego rodzaju zakłóceń w całościowym szumie z reguły nie jest on korygowany w aparatach.