Dlaczego szum rośnie jak pierwiastek z sygnału, czym ISO różni się od czułości, skąd bierze się dual native ISO i jak to policzyć w EV.
Fotony docierają do piksela niezależnie od siebie i w losowych momentach. Liczba, która zbierze się w ustalonym czasie, jest więc zmienną losową o rozkładzie Poissona — a ten ma tę szczególną własność, że jego rozrzut równa się pierwiastkowi ze średniej.
Stąd reguła, którą warto mieć w pamięci: stosunek sygnału do szumu wyrażony w działkach to połowa liczby działek ekspozycji. Zmniejszenie naświetlenia o dwie działki połowi liczbę fotonów dwa razy, czyli dzieli SNR przez dwa — a to jest jedna działka SNR, nie dwie.
Szum odczytu dokłada się do tego jako stała, niezależna od sygnału. Ponieważ oba źródła są nieskorelowane, sumują się kwadratowo:
| Ekspozycja | Elektrony | Szum fotonowy | SNR | SNR w działkach |
|---|---|---|---|---|
| pełna studnia | 50 000 | 224 | 224 | 7,8 |
| −2 działki | 12 500 | 112 | 112 | 6,8 |
| −4 działki | 3 125 | 56 | 56 | 5,8 |
| −6 działek | 780 | 28 | 28 | 4,8 |
| −8 działek | 195 | 14 | 14 | 3,8 |
| −10 działek | 49 | 7,0 | 6,4 | 2,7 |
Liczone dla studni 50 000 elektronów i szumu odczytu 3 elektronów. Kolumna SNR odbiega od kolumny szumu fotonowego dopiero w ostatnim wierszu — i to jest miejsce, w którym odczyt zaczyna się liczyć.
Ostatni wiersz jest jedynym, w którym elektronika w ogóle się ujawnia. Do minus ośmiu działek szum jest w całości własnością światła i żadna kamera nie zrobi tu nic lepiej. Poniżej zaczyna mieć znaczenie, jak dobry jest układ odczytowy — i to jest cały obszar, w którym producenci mogą się różnić.
Warto też zauważyć regularność w ostatniej kolumnie: każde dwie działki ekspozycji to dokładnie jedna działka SNR, aż do momentu, w którym odczyt psuje proporcję. Reguła połowy działa więc nie w przybliżeniu, tylko dokładnie — bo jest konsekwencją pierwiastka, a nie dopasowaniem do danych.
ISO jest wzmocnieniem sygnału, nie zmianą czułości materiału. Matryca zbiera dokładnie tyle fotonów, ile wpuści przysłona i czas — ISO tylko mnoży wynik, żeby dało się go zobaczyć.
Wynika stąd, że ISO nie poprawia stosunku sygnału do szumu fotonowego. Mnożenie podnosi sygnał i szum w tej samej proporcji. Zdjęcie przy ISO 3200 i zdjęcie przy ISO 400 rozjaśnione o trzy działki mają ten sam szum fotonowy, bo oba zebrały tyle samo fotonów.
Różnica dotyczy wyłącznie szumu odczytu i wynika z kolejności. Wzmocnienie w kamerze stoi przed układem odczytowym, więc podnosi sygnał ponad jego szum; mnożenie w postprodukcji stoi za nim i podnosi jedno i drugie razem.
ISO w kamerze wzmocnienie ×8 przed odczytem: sygnał 1560, odczyt wciąż 3 → SNR 14,0
rozjaśnienie w compie odczyt dodany przy 195, potem ×8: SNR liczony przy 195 → SNR 13,7
różnica niecałe dwa procent, czyli 0,03 działki
Przy tym poziomie sygnału różnica jest praktycznie niemierzalna — bo szum fotonowy (14 elektronów) i tak dominuje nad odczytem (3). Przewaga ISO ujawnia się dopiero tam, gdzie te dwie liczby są porównywalne, czyli przy kilkunastu elektronach. To jest kilkanaście działek pod bielą i w praktyce dotyczy najgłębszych cieni w bardzo ciemnych ujęciach.
Stąd też bierze się sens podwójnego natywnego ISO. Wzmocnienie przed odczytem można zbudować na dwa sposoby: mocne, dające czyste cienie kosztem zapasu w światłach, albo słabe, odwrotnie. Producent nie musi wybierać raz na zawsze — może zbudować oba tory i przełączać między nimi.
Konsekwencja praktyczna jest nieoczywista: krzywa szumu w funkcji ISO nie rośnie monotonicznie. Rośnie, w punkcie przełączenia spada, potem znów rośnie. Ujęcie zrobione tuż poniżej drugiego natywnego bywa bardziej zaszumione niż to samo ujęcie tuż powyżej — i przy dopasowywaniu renderu do materiału z takiej kamery warto o tym wiedzieć, bo dwie sąsiednie nastawy mogą dać zauważalnie różny charakter cieni.