Ziarno jest strukturą — kryształkami srebra o różnej wielkości, skorelowanymi przestrzennie i zależnymi od ekspozycji. Szum gaussowski nie jest niczym z tych trzech i dlatego nigdy nie wygląda jak taśma.
Emulsja składa się z kryształków halogenku srebra zawieszonych w żelatynie. Kryształek naświetlony wystarczająco silnie wywołuje się w całości i staje się nieprzezroczystym ziarnem srebra; kryształek naświetlony za słabo nie wywołuje się wcale. Nie ma stanu pośredniego — pojedyncze ziarno jest albo czarne, albo go nie ma.
Obraz na negatywie jest więc zbiorem czarnych kropek o różnej wielkości, rozłożonych losowo. Wrażenie półtonu bierze się z ich gęstości, tak jak w druku rastrowym. To, co nazywamy ziarnem, jest widocznością tej struktury — a nie zakłóceniem nałożonym na coś gładszego.
Różnica nie jest filozoficzna. Ma trzy konsekwencje, z których każda odróżnia ziarno od szumu gaussowskiego i każda jest do odtworzenia.
Ziarno ma skalę. Kryształki mają rozmiar — rzędu dziesiątych mikrometra do kilku mikrometrów — więc struktura ma charakterystyczną wielkość. Szum gaussowski jest z definicji bez skali: zmienia się z piksela na piksel, i to niezależnie od rozdzielczości, w jakiej pracujesz.
Ziarno jest skorelowane przestrzennie. Skoro kryształek pokrywa kilka pikseli skanu, to te piksele mają wspólną wartość. Sąsiedzi nie są niezależni — a w szumie gaussowskim są, z definicji.
Ziarno jest w kanałach różne i niezależne. Trzy emulsje mają różną wielkość kryształków i wywołują się osobno, więc ziarno w kanale niebieskim jest grubsze niż w zielonym, jak wynika z Dodatku O. Szum dodany jednakowo do trzech kanałów daje strukturę szarą, a nie barwną — i to jest widoczne od razu.
Warto przy tym zauważyć, że matryca cyfrowa ma częściowo pierwszą i trzecią z tych cech, choć z zupełnie innych powodów. Skalę nadaje jej rozstaw pikseli, a różnicę między kanałami — mozaika Bayera z Dodatku M, w której czerwony i niebieski są próbkowane rzadziej, więc ich szum po interpolacji jest grubszy. Cyfrowy szum też nie jest gaussowski — tylko jest nim bliżej niż ziarno.
To jest różnica najważniejsza praktycznie i najczęściej pomijana. Ziarno taśmy i szum matrycy zachowują się w funkcji jasności przeciwnie.
Szum matrycy, jak liczy Rozdział 27, jest względnie największy tam, gdzie fotonów jest najmniej — czyli w cieniach. W światłach ginie, bo pierwiastek z dużej liczby jest wobec niej mały.
Ziarno zachowuje się inaczej, bo jego źródłem nie jest liczba fotonów, tylko losowość wywołania kryształków. W bardzo ciemnych partiach prawie żaden się nie wywołał — jest ich mało, więc i struktury mało. W bardzo jasnych wywołały się prawie wszystkie — powierzchnia jest niemal jednolicie czarna, więc struktury też mało. Maksimum wypada pośrodku, gdzie mniej więcej połowa kryształków się wywołała i rozrzut jest największy.
Jest to dokładnie ta sama zależność, którą zna każdy, kto rzucał monetą. Jeśli każdy kryształek wywołuje się z prawdopodobieństwem p, to rozrzut liczby wywołanych jest największy przy p równym połowie, a znika przy zerze i przy jedynce. Ziarno jest widocznością tej niepewności, więc dziedziczy po niej kształt: krzywa z jednym maksimum pośrodku, opadająca symetrycznie na oba końce.
Warto zauważyć, że jest to argument czysto statystyczny i nie odwołuje się do chemii ani do fizyki srebra. Wystarczy, że coś przełącza się losowo między dwoma stanami — a to znaczy, że ta sama krzywa opisze każdy nośnik o strukturze ziarnistej, niezależnie od tego, z czego jest zrobiony. Cyfra nie ma takiej krzywej nie dlatego, że jest lepsza, tylko dlatego, że jej piksel nie jest przełącznikiem, tylko licznikiem.
Konsekwencja dla pracy jest bezpośrednia. Element CG z dodanym szumem cyfrowym, wstawiony w plate z taśmy, będzie miał za dużo struktury w cieniach i za mało w półtonach — czyli dokładnie odwrotnie niż otoczenie. Ponieważ półtony to zwykle twarze i główne obiekty, błąd trafia w miejsce, na które widz patrzy.
Rachunek na szum fotonowy, szum odczytu i ISO w działkach — Dodatek N.
Kryształek ma rozmiar fizyczny, mierzony w mikrometrach na negatywie. Nie ma pojęcia o tym, w jakiej rozdzielczości ktoś ten negatyw zeskanuje.
Wynika stąd rzecz, która przy pierwszym spotkaniu bywa zaskoczeniem: ten sam materiał zeskanowany w 2K i w 6K ma ziarno o tym samym rozmiarze fizycznym i trzykrotnie różnym rozmiarze w pikselach. Skan w wyższej rozdzielczości nie ma „drobniejszego ziarna” — ma to samo ziarno, tylko pokazane dokładniej.
Szum gaussowski zachowuje się odwrotnie: generowany per piksel, zawsze ma rozmiar jednego piksela, niezależnie od rozdzielczości. Dodany do renderu w 4K, a potem oglądany po przeskalowaniu do 2K, po prostu znika w uśrednieniu — podczas gdy prawdziwe ziarno przetrwałoby, bo jego skala jest większa od piksela.
Stąd zasada, którą warto traktować dosłownie: ziarno dodaje się w rozdzielczości dostawy i o rozmiarze wynikającym z materiału, a nie w rozdzielczości roboczej i o rozmiarze jednego piksela. Jeśli sekwencja jest skanowana z negatywu, rozmiar ziarna trzeba zmierzyć na plate'cie, a nie założyć.
Pomiar jest prosty i warto go zrobić raz na sekwencję. Powiększ fragment gładkiej powierzchni w półtonie — ścianę, niebo, skórę — do skali, w której widać pojedyncze punkty, i policz, ile pikseli zajmuje typowa struktura. Ta jedna liczba jest promieniem rozmycia, którego potrzebujesz przy generowaniu ziarna, i zwykle wypada między jednym a trzema pikselami.
Ten sam pomiar wyłapuje przy okazji dwie rzeczy, które inaczej ujawniłyby się później. Jeśli struktura ma rozmiar dokładnie jednego piksela, materiał nie pochodzi z taśmy, tylko z matrycy — albo został odziarniony i zaszumiony ponownie. A jeśli w różnych ujęciach sekwencji rozmiar jest różny, część z nich przeszła inną drogę: inny skan, inne skalowanie albo inne źródło.
Szum gaussowski nie wygląda jak taśma z trzech powodów wypisanych wyżej. Naprawia się je trzema poprawkami, a ich kolejność odpowiada temu, ile każda wnosi.
Pierwsza i najważniejsza: modulacja jasnością. Ziarno musi być najsilniejsze w półtonach, słabsze w cieniach i w światłach. Jedna krzywa mnożąca amplitudę szumu przez wartość zależną od jasności piksela załatwia większość różnicy — i jest to poprawka, którą da się zrobić w każdym narzędziu.
Druga: rozmycie i wyostrzenie. Korelację przestrzenną najprościej uzyskać, rozmywając biały szum, a potem przywracając mu amplitudę. Otrzymana struktura ma skalę, którą nadaje promień rozmycia — i to jest parametr, który dopasowuje się do plate'u.
Trzecia: osobne kanały. Wygeneruj trzy niezależne warstwy o różnej skali i różnej amplitudzie, zamiast jednej wspólnej. Kanał niebieski najgrubszy, zielony najdrobniejszy. Kosztuje trzykrotnie więcej pracy i wnosi mniej niż dwie poprzednie — ale to ona odpowiada za wrażenie, że ziarno jest „kolorowe”, a nie szare.
Warto zauważyć, dlaczego akurat modulacja wnosi najwięcej. Pozostałe dwie poprawki zmieniają charakter struktury, który widz ocenia dopiero po powiększeniu. Modulacja zmienia rozkład struktury po kadrze — a to widać w normalnej skali, bo decyduje o tym, czy twarz jest ziarnista, czy gładka. Oko porównuje element z otoczeniem w tym samym tonie, nie w powiększeniu.
Czwartej poprawki nie ma i warto to powiedzieć wprost. Nie próbuj symulować pojedynczych kryształków. Modele oparte na rozkładzie ziaren istnieją i są poprawne fizycznie, ale przy rozdzielczościach, w jakich się pracuje, dają wynik nieodróżnialny od trzech poprawek wyżej — za wielokrotnie wyższą cenę obliczeniową.
Gdzie w łańcuchu wstawić ziarno i pełny przepis na jego wykonanie — Dodatek Y.
Zmierz ziarno w trzech miejscach, nie w jednym. W cieniu, w półtonie i w świetle. Trzy liczby powiedzą ci od razu, czy plate pochodzi z taśmy (maksimum w środku), czy z matrycy (maleje monotonicznie) — i dadzą krzywą modulacji do wpisania.
Ziarno idzie na samym końcu łańcucha optycznego, ale przed korekcją barwną. Powstaje w warstwie czułej, więc po flarze, po halacji i po całej optyce. Wstawione po gradingu nie zmienia się razem z nim i zdradza się przy każdej korekcji kontrastu.
Nie odziarniaj plate'u. Ten sam argument, co przy szumie w Rozdziale 27: odziarnianie zabiera razem z ziarnem drobny detal, a element CG nadal jest gładszy. Dodawanie do renderu jest tańsze, odwracalne i nie rusza materiału.
Zostały trzy zjawiska, które nośnik dokłada do obrazu, a które mają przyczyny rozłożone między optykę a matrycę. Pierwsze z nich nosi jedną nazwę i ma trzy różne przyczyny naraz — a mylenie ich jest, jak zobaczymy w następnym rozdziale, najczęstszym powodem, dla którego winieta w CG wygląda naklejona.
Korelację przestrzenną da się opisać precyzyjniej niż słowem „skupione”. Ziarno, jak każdy sygnał, ma widmo mocy — rozkład energii między częstotliwości przestrzenne — i to ono, a nie sama amplituda, decyduje o charakterze.
Biały szum ma widmo płaskie: tyle samo energii w każdej częstotliwości, od najgrubszych struktur po pojedyncze piksele. Ziarno ma widmo opadające: dużo energii w skali kryształka i coraz mniej powyżej. Rozmycie białego szumu, o którym mowa w rozdziale, jest po prostu najprostszym sposobem nadania mu takiego opadania.
Widmo ziarna nie jest jednak zwykłą krzywą opadającą. Ma maksimum przy pewnej częstotliwości, odpowiadającej typowemu rozstawowi kryształków, i opada po obu stronach. Dlatego samo rozmycie daje wynik przybliżony — struktura wychodzi bardziej „miękka”, a mniej „ziarnista”, niż w oryginale.
Dokładniejsze przybliżenie kosztuje jedną dodatkową operację: odejmij od rozmytego szumu jego mocniej rozmytą wersję. Różnica dwóch rozmyć o różnych promieniach ma widmo z maksimum, a nie monotoniczne — i to wystarcza, żeby struktura przestała wyglądać na rozmyty szum, a zaczęła na ziarno.
Jest to ta sama sztuczka, którą comp zna pod nazwą różnicy gaussów, używana zwykle do wyostrzania. Tutaj służy do czegoś przeciwnego: nie do podbicia jednego pasma częstotliwości w obrazie, tylko do wygenerowania szumu, który ma energię tylko w tym paśmie. Dwa parametry — dwa promienie — wystarczają, żeby dopasować charakter ziarna do materiału, i dopasowuje się je na oko, porównując powiększone wycinki.