Nic tak nie psuje strzału jak hałas. Wiedząc, co go powoduje i jak go rozpoznać, możesz zaoszczędzić wiele frustracji — i trochę bezużytecznego materiału filmowego.
Jest kilka rzeczy tak frustrujących, jak zauważenie szumu na obrazie podczas fotografowania, ale niemożność zidentyfikowania przyczyny problemu. W tym artykule przyjrzymy się dogłębnie hałasowi, najpierw zapoznając się z podstawową nauką o czujnikach, zanim przyjrzymy się hałasowi w jego różnych formach. Więc od czego zacząć?
Obrazowanie.
Podstawy obrazowania
Hałas pochodzi z kilku źródeł. Odbite światło wpada do obiektywu i pada na czujnik, który jest pokryty milionami fotoobiektów — czyli pikseli — które przekształcają zmienne poziomy fal świetlnych na sygnały cyfrowe. Te niewielkie różnice w prądzie tworzą obrazy w nowoczesnych czujnikach.
W najpopularniejszym obecnie czujniku do produkcji filmów, CMOS, dołączony do każdej fotokomórki, jest wzmacniaczem, który dostosowuje wyjście każdego piksela poprzez odcięcie lub zwiększenie napięcia, co powoduje, że obraz jest odpowiednio ciemniejszy lub jaśniejszy. Użytkownik może to zrobić, dostosowując wzmocnienie lub ISO. Dane z czujnika są odczytywane, a ładowanie pikseli resetuje się.
Po odczytaniu informacji z czujnika dane przechodzą przez 12-bitowy konwerter analogowo-cyfrowy (często skracany do ADC lub A/D), gdzie wariancja napięcia na każdym pikselu jest konwertowana na wartość binarną. Ponadto lokalizacja pikseli i inne ustawienia aparatu zdefiniowane przez użytkownika są zapisywane jako metadane w urządzeniu pamięci aparatu.
Większość szumów pochodzi z czujnika lub konwersji analogowo-cyfrowej.
Co to jest szum obrazu?
Mówiąc prościej, szum obrazu to niepożądane fluktuacje koloru lub luminancji, które przesłaniają szczegóły na zdjęciu, które próbujesz uchwycić. (Możesz zobaczyć przykłady różnych rodzajów szumów w Neat Video.)
Zaszumienie obrazu pojawia się głównie w niedoświetlonych materiałach filmowych, ponieważ piksele mają niewielkie fluktuacje światła na zamierzonym obrazie, ale są nadmiernie wzmacniane przez zwiększone wartości ISO. Poza ekspozycją czujniki są również podatne na szereg innych problemów, które powodują powstawanie szumów na końcowym obrazie. Ciepło czujnika lub inne zakłócenia zewnętrzne mogą również powodować hałas.
Szum obrazu możemy podzielić na dwie kategorie:wewnętrzny i interferencyjny.
Szum wewnętrzny
Szum obrazu pochodzący z aparatu ma kilka przyczyn źródłowych. Trzy główne przyczyny to poziom energii elektrycznej, ciepła i oświetlenia czujnika.
W sytuacjach słabego oświetlenia, gdy czujnik jest przeładowany (wciskanie ISO), każdy piksel ma bardzo małe fluktuacje fal świetlnych, które należy zgłosić przed wzmocnieniem. Kiedy widzisz szum w takich sytuacjach, w rzeczywistości widzisz dotknięte nim piksele zgłaszające wahania napięcia wzmacniacza piksela na czujniku.
Zakłócenia
Czynniki poza kamerą mogą również wpływać na poziom szumów na końcowym obrazie. Ten rodzaj szumu jest nieco rzadszy niż szum wewnętrzny w wielu nowoczesnych kamerach, ale nadal może wpływać na ostateczny obraz.
Szum interferencyjny jest zazwyczaj dość łatwy do zauważenia, ponieważ wygląda bardziej jak wzór nałożony na obraz, a nie trzepotanie nieodłącznie związane z szumem elektronicznym. Przyziemne czynniki, takie jak silne transmisje radiowe w okolicy, mogą również powodować zakłócenia elektroniczne — i są tak trudne do kontrolowania jak promieniowanie kosmiczne.
Jakie są najczęstsze rodzaje szumu wideo?
Wewnętrzne
- Szum Gaussa
Szum Gaussa to rodzaj szumu czujnika. Jest to przede wszystkim efekt uboczny ciepła czujnika. Ciepło jest zwykle wynikiem napięcia i poziomu oświetlenia czujnika.
Szum Gaussa jest najbardziej zauważalny jako stały, trzepoczący w niedoświetlonej, nadmiernie napiętej klatce (ISO wciśnięte, aby uzyskać ekspozycję). W większości czujników ten szum będzie miał tendencję do niebieskiego na niedoświetlonych obrazach.
- Hałas o stałym wzorze
Szum o stałym wzorze jest zwykle wynikiem wad w procesie produkcyjnym danego czujnika. Pojawia się, gdy różne piksele mają różne poziomy światłoczułości.
W wideo ten szum jest stosunkowo łatwy do zauważenia ze względu na niewielką zmienność poziomów wyjściowych dotkniętych pikseli. FPN nie porusza się ani nie gada w sposób, w jaki robią to inne formy szumu elektronicznego. Zamiast tego pojawia się jako nakładka pikseli jaśniejsza niż rzeczywiste rejestrowane informacje. Najłatwiej jest go dostrzec w warunkach słabego oświetlenia, ale inne czynniki również mogą to zaostrzyć.
- Odgłosy soli i pieprzu
Technicznie określany jako „rozłożony gruby ogon” lub „impulsowy”, szum solny i pieprzowy objawia się jako piksele błędnie zgłaszające jasne odczyty w ciemnych częściach kadru lub ciemne odczyty w jasnych częściach. Wygląda podobnie do martwych pikseli, z wyjątkiem tego, że szum soli i pieprzu spowoduje losowy efekt. Zwykle konwersja analogowo-cyfrowa lub inne błędy w interpretacji pikseli powodują ten rodzaj szumu.
- Strzał
Szum ujęcia to główny rodzaj szumu w ciemniejszych częściach obrazu. Technicznie nazwany „szumem fotonowym” ten rodzaj szumu wynika z naturalnej, nieodłącznej zmienności fotonów uderzających w każdy piksel w dowolnym momencie, w zależności od poziomu ekspozycji. Mówiąc bardziej technicznie, powodują to „statystyczne fluktuacje kwantowe”, ale rozumiesz.
Hałas wystrzału jest najczęstszą przyczyną „blokowania” w cieniach niedoświetlonego lub przepiętego strzału. Na ekstremalnych poziomach odgłos strzału zmienia się w odgłos soli i pieprzu.
- Kwantyzacja
Kwantyzacja to termin niespecyficzny dla szumu obrazu. Zasadniczo, kwantyzacja redukuje duży zestaw (zwykle) ciągle zmieniających się wartości w celu uzyskania wykonalnej łącznej wartości sumy lub mniejszego reprezentatywnego zestawu danych wyjściowych. Kwantyzatory mają określoną liczbę możliwych wartości wyjściowych, a gdy dane są przetwarzane, są skutecznie zaokrąglane do jednej z tych wartości.
Kwantyzacja jest dość łatwa do zrozumienia w aplikacjach wideo — odczyty z milionów pikseli są skwantowane do mniejszego reprezentatywnego zestawu. W kręgach wideo jest to powszechnie określane jako „binning pikseli”.
W wideo szum kwantyzacji jest zwykle niewykrywalny, ponieważ wszystkie piksele będą mniej więcej w równym stopniu dotknięte. Błędy mogą wystąpić, gdy obraz przycina się daleko poza skrajne wartości kwantyzacji przetwornika A/D. Może to również znacznie pogorszyć silne szumy innych typów na obrazie.
- Anizotropowy
Szum anizotropowy (an-izotropowy) powstaje, gdy odczyt czujnika jest próbkowany lub kwantowany. Ten rodzaj szumu zmniejsza postrzeganą rozdzielczość obrazu w ujęciach, których dotyczy problem, łącząc ze sobą drobne szczegóły, tworząc wzory, których w rzeczywistości nie ma, lub interpretując linie proste jako postrzępione.
Każdy, kto zna się na filmach, powinien to zrobić dość szybko — wystarczy pomyśleć o okropnym aliasingu i morach pierwszych kilku generacji lustrzanek cyfrowych.
Ten rodzaj szumu w kamerach wideo zwykle pojawia się, gdy natywna rozdzielczość czujnika jest znacznie wyższa niż rejestrowana. Wiele starszych kamer zdecydowało się na próbkowanie wyższej rozdzielczości do rozdzielczości zarejestrowanej, zamiast po prostu skalować wyjście w celu dopasowania, powodując wiele okropnego aliasingu i mory wczesnych wielkoformatowych czujników wideo.
Zakłócenia
- Okresowo
Szum okresowy to szum interferencyjny. Występuje, gdy dowolna liczba naturalnych lub wywołanych przez człowieka sygnałów zakłóca rejestrowany sygnał. Zwykle pojawia się jako nakładka z ustalonym wzorem na górze żądanego obrazu.
Podczas pracy z filmem ważne jest, aby nauczyć się rozpoznawać rodzaj szumu, który wpływa na obraz podczas nagrywania. W przypadku wielu rodzajów szumu obrazu istnieją dość proste sposoby na zmniejszenie lub zanegowanie negatywnego wpływu na materiał filmowy, jeśli wiesz, jak rozpoznać właściwy rodzaj podczas nagrywania. Jeśli widzisz szum na obrazie, pamiętaj, aby cofnąć się od aparatu, zanotować otoczenie, a następnie przejrzyj listę każdego rodzaju szumu w swojej głowie, aby opracować strategię zmniejszenia bólu głowy w poście. Techniczne środki zaradcze będą ci dobrze służyć, ale nigdy nie lekceważ odrobiny kreatywnej pomysłowości.