Dodatek NWzory · takPoziom · głębiejEXT OF · R.27, R.29
Dodatek N / Głębiej

Szum fotonowy, szum odczytu i ISO

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.

Co tu jest
Pierwiastek · skąd się bierze

Szum fotonowy w działkach

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.

σ = √N · SNR = N / √N = √N σ — odchylenie standardowe liczby elektronów. N — ich średnia liczba. SNR — stosunek sygnału do szumu, czyli po prostu pierwiastek z N. Wzór dotyczy wyłącznie szumu fotonowego; szum odczytu dochodzi osobno.

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:

σcałk = √(N + σodcz²) Suma kwadratowa, bo źródła są niezależne. Dla dużych N człon odczytu ginie; dla N porównywalnego z σodcz² zaczyna dominować.
EkspozycjaElektronySzum fotonowySNRSNR w działkach
pełna studnia50 0002242247,8
−2 działki12 5001121126,8
−4 działki3 12556565,8
−6 działek78028284,8
−8 działek19514143,8
−10 działek497,06,42,7

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 · mnożnik, nie czułość

Co ISO robi, a czego nie

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.

Cień o 195 elektronach, dwie drogi do tej samej jasności

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.