Od fotonów do liczb

Co naprawdę mierzy matryca

Pojedynczy element matrycy jest studnią potencjału, w której gromadzą się elektrony wybite przez padające fotony. Na końcu naświetlania odczytuje się ich liczbę. To wszystko — jeden piksel zwraca jedną liczbę, a liczba ta mówi, ile światła przyszło, nie jakiego było koloru.

Kolor bierze się z filterków. Nad każdym pikselem leży filtr przepuszczający jedną z trzech barw, a filterki ułożone są w mozaikę, w której zielonych jest dwa razy więcej niż czerwonych i niebieskich. Nazywa się to mozaiką Bayera i jest standardem od lat siedemdziesiątych.

Wynika stąd konsekwencja, o której łatwo zapomnieć przy dopasowywaniu renderu: rozdzielczość barwna jest niższa niż rozdzielczość jasności. Drobna, kontrastowa struktura barwna — czerwony napis na niebieskim tle, wzór na tkaninie — jest rekonstruowana gorzej niż ta sama struktura w skali szarości. Render nie ma tego ograniczenia i dlatego bywa „za czysty” dokładnie na drobnych, nasyconych detalach.

Wybór zielonego na barwę podwojoną nie jest przy tym arbitralny i warto rozumieć jego podstawę. Oko czerpie informację o jasności i o detalu niemal wyłącznie z zakresu, w którym leży zieleń — czerwień i błękit niosą głównie barwę. Podwojenie gęstości akurat tam daje więc najwięcej rozdzielczości tam, gdzie oko jej szuka, przy tej samej liczbie pikseli. Jest to ten sam rodzaj rozumowania, co przy krążku rozmycia z Rozdziału 8: konstrukcja dopasowana do widza, a nie do fizyki.

Istnieją matryce bez mozaiki, mierzące wszystkie trzy barwy w każdym punkcie — warstwowe albo z rozdzielaczem wiązki. Nie wyparły Bayera, bo płacą za to albo czułością, albo rozmiarem, albo ceną. Mozaika jest kompromisem, który wygrał, i to jest powód, dla którego praktycznie każdy plate, z jakim będziesz pracował, przeszedł przez interpolację.

Ile rozdzielczości kosztuje interpolacja, skąd mora i po co filtr dolnoprzepustowy — Dodatek M.

Dlaczego szum rośnie jak pierwiastek

Fotony nie przylatują równomiernie. Przylatują losowo, a ich liczba w danym czasie jest zmienną losową o rozrzucie równym pierwiastkowi ze średniej. Jeśli piksel odbiera średnio dziesięć tysięcy fotonów, to w konkretnej klatce odbierze ich dziesięć tysięcy plus minus sto.

To jest szum fotonowy i jest własnością samego światła. Nie da się go usunąć lepszą elektroniką, bo nie powstaje w elektronice. Doskonała kamera o zerowym szumie własnym wciąż by go miała.

Z pierwiastka wynika reguła, którą warto mieć w głowie na planie. Zmniejszenie naświetlenia o jedną działkę połowi liczbę fotonów, a więc dzieli stosunek sygnału do szumu przez pierwiastek z dwóch — czyli o pół działki. Sześć działek mniej światła to trzy działki gorszy szum, a nie sześć.

Szum elektroniki, zwany szumem odczytu, dokłada się do tego jako stała — kilka elektronów niezależnie od sygnału. W jasnych partiach jest bez znaczenia, bo pierwiastek z dziesięciu tysięcy to sto, a odczyt to trzy. Zaczyna się liczyć dopiero w najgłębszych cieniach, gdzie elektronów są dziesiątki — i to tam, i tylko tam, widać różnicę między dobrą a przeciętną matrycą.

Z reguły pierwiastka wynika też coś, co porządkuje rozmowę o formatach z Dodatku AA. Większa matryca przy tym samym kadrze i tej samej głębi ostrości zbiera więcej fotonów w sumie, bo ma większą powierzchnię. Nie dlatego, że jej piksele są lepsze — dlatego, że jest ich więcej albo są większe. To jest jedyna przewaga dużego formatu, która wytrzymuje uczciwe porównanie, i teraz widać, skąd się bierze: z liczby fotonów, czyli z pierwiastka.

Warto przy tym rozprawić się z pojęciem, które w rozmowach pada najczęściej i jest najbardziej mylące. Nie istnieje coś takiego jak „czułość matrycy” w sensie, w jakim miała ją emulsja. Emulsja reagowała chemicznie i jej próg był fizyczną własnością materiału. Matryca liczy wszystko, co przyleci, a to, co nazywamy jej czułością, jest wyłącznie decyzją o tym, jaką liczbę elektronów uznamy za biel.

Rachunek w EV, czym ISO różni się od czułości i skąd bierze się dual native ISO — Dodatek N.

Czego ISO nie robi

Podniesienie ISO nie sprawia, że matryca zbiera więcej fotonów. Matryca zbiera dokładnie tyle, ile wpuści przysłona i czas — a ISO jest wzmocnieniem zastosowanym po odczycie, czyli mnożeniem liczby, która już powstała.

Wynika stąd rzecz, która przy pierwszym spotkaniu brzmi paradoksalnie: wysokie ISO nie dodaje szumu. Szum był tam wcześniej — wynikał z małej liczby fotonów. ISO tylko podnosi cały obraz razem z nim, żeby dało się go zobaczyć. Zdjęcie zrobione przy niskim ISO i rozjaśnione w postprodukcji ma ten sam szum, z dokładnością do szumu odczytu.

Ta poprawka na szum odczytu jest jednak realna i dlatego ISO wciąż ma znaczenie. Wzmocnienie zastosowane przed układem odczytowym podnosi sygnał ponad szum tego układu, a wzmocnienie po nim — nie. Stąd bierze się podwójne natywne ISO: kamera ma dwa tory wzmocnienia i przełącza się na drugi w miejscu, w którym staje się on korzystniejszy.

Diagram tłumaczy przy okazji, dlaczego rozjaśnianie w postprodukcji nie jest równoważne podniesieniu ISO, mimo że dla szumu fotonowego byłoby. Wzmocnienie w kamerze stoi przed odczytem, więc podnosi sygnał ponad szum odczytu; mnożenie w compie stoi za nim i podnosi jedno i drugie razem. W jasnych partiach nie ma między nimi różnicy, w głębokich cieniach jest wyraźna — i to jest jedyna rzecz, którą ISO naprawdę kupuje.

Czego renderer nie ma

Render też ma szum — próbkowania, nie fotonowy. Wygląda podobnie i zachowuje się zupełnie inaczej, a mylenie ich jest jednym z częstszych źródeł nieudanych dopasowań.

Szum próbkowania maleje z liczbą próbek, więc da się go usunąć czasem obliczeń. Szum fotonowy nie maleje z niczym poza ilością światła w scenie. W praktyce znaczy to, że render dąży do obrazu czystego, a plate ma nieusuwalną podłogę szumu — i element CG położony na plate'cie jest zawsze gładszy niż otoczenie.

Szum próbkowania jest jednorodny, a fotonowy zależy od jasności: silniejszy względnie w cieniach, słabszy w światłach. Dodanie do renderu jednolitego szumu na całym obrazie daje więc coś, czego w materiale nigdy nie ma — i to jest widoczne nawet wtedy, gdy poziom jest dobrany prawidłowo.

Poprawka jest prosta: szum dokładany do renderu musi być modulowany jasnością, według tego samego pierwiastka. W cieniach silny, w światłach słaby. Do tego dochodzi struktura przestrzenna i zależność od kanału, ale to już jest temat Rozdziału 29.

Warto zauważyć, dlaczego strojenie samego poziomu nigdy tego nie naprawia. Krzywa plate'u opada, a prosta dodanego szumu jest pozioma — dwie różne funkcje przecinają się w jednym punkcie i rozchodzą wszędzie indziej. Podnoszenie albo obniżanie poziomu przesuwa tylko miejsce przecięcia. Dopóki dodawany szum nie zależy od jasności, element będzie pasował w jednym miejscu zakresu i odstawał w dwóch pozostałych.

Ostatnia rzecz dotyczy kolejności i wraca w każdej części tej książki. Szum powstaje w matrycy, więc po całej optyce, a przed korekcją barwną. W compie idzie po flarze, po rozmyciu i po dystorsji, a przed gradingiem — inaczej zachowuje się jak deseń nałożony na gotowy obraz, a nie jak właściwość rejestracji.