ISO a šum: co znamená ISO invariance a jak ji poznat

ISO a šum spolu souvisejí jinak, než se obvykle říká: šum nevzniká zvýšením citlivosti, ale nedostatkem světla. Hodnota ISO jen určuje, jak moc se slabý signál ze snímače zesílí. ISO invariance pak znamená, že je téměř jedno, jestli se toto zesílení provede ve fotoaparátu, nebo až dodatečně v editoru – výsledný šum vyjde podobně. Která těla se tak chovají a od jaké hodnoty, se dá zjistit jednoduchou sérií snímků.

Fotonový a čtecí šum: dva zdroje zrnění

První složka šumu je dána samotnou povahou světla. Fotony dopadají na pixel nahodile a jejich počet za stejnou dobu kolísá; toto kolísání se rovná odmocnině z počtu zachycených fotonů. Pixel, který zachytí deset tisíc fotonů, má odchylku sto, tedy jedno procento. Pixel se stovkou fotonů má odchylku deset, tedy deset procent. Fotonový šum se proto projevuje hlavně ve stínech a při krátkých expozicích a žádná elektronika ho neodstraní. Pomůže jen víc světla: delší čas, otevřenější clona nebo větší plocha snímače. Když se mě někdo ptá, jak se zbavit zrnění, radím proto hledat nejdřív světlo a teprve potom lepší odšumovací program.

Druhou složkou je čtecí šum, který přidává elektronika při odečítání náboje, zesílení a převodu na čísla. Je na množství světla nezávislý a rozhoduje o tom, co se děje v nejhlubších stínech. Na něm stojí celá otázka invariance. Jak cesta signálu od fotodiody k převodníku vypadá, popisuje článek o tom, jak pracuje snímač CMOS.

Co nastavení citlivosti ve fotoaparátu skutečně mění

Snímač má jedinou skutečnou citlivost a ta se otočením voliče nemění. Vyšší ISO říká expozimetru, aby pustil na snímač méně světla, a elektronice, aby výsledek víc zesílila. Norma ISO 12232 přitom definuje, jak má výrobce hodnotu citlivosti stanovit vůči jasu výsledného snímku, ne jaký šum při ní smí vzniknout.

Podstatné je, kde čtecí šum vzniká. Pokud jeho větší část přibude až za zesilovačem, tedy v převodníku, vyplatí se signál zesílit předem, aby šum převodníku zůstal proti němu malý. Tak se chovaly starší snímače a u nich platilo, že podexponovaný a v počítači zesvětlený snímek šumí znatelně víc než snímek pořízený rovnou na vyšší ISO. Je-li naopak převodník velmi tichý, předběžné zesílení nic nepřinese a snímač je invariantní.

ISO invariance a dvojí převodní zisk

Plně invariantní snímač neexistuje, vždy jde o míru a o rozsah hodnot. Mnoho současných snímačů navíc používá dvojí převodní zisk, anglicky dual conversion gain. Pixel umí přepnout kapacitu, na které se náboj mění v napětí. V nízkém režimu pojme hodně elektronů a dává nejširší rozsah, ve vysokém režimu pojme méně, ale čtecí šum výrazně klesne. Přepnutí nastává na konkrétní hodnotě ISO, která se liší podle snímače, často někde mezi ISO 300 a 800.

V praxi to vypadá tak, že snímač je přibližně invariantní uvnitř každého z obou režimů, ale ne přes hranici mezi nimi. Snímek z hodnoty těsně nad přepnutím mívá čistší stíny než snímek z hodnoty těsně pod ním, třebaže dostal méně světla. Považuji znalost tohoto bodu za užitečnější než jakoukoli tabulku s celkovým hodnocením šumu, protože přímo říká, kterým hodnotám se při slabém světle vyhnout.

Invariance se dá využít k ochraně světel. V noční scéně s lampami nebo na koncertě lze zůstat na nižší citlivosti, nechat tmavé části tmavé a zesvětlit je až v editoru, zatímco světla se nepřepálí. Tím se zachová dynamický rozsah, o který by vyšší ISO připravilo. Podle mě to má smysl jen při fotografování do RAW a u scén, kde světla opravdu hrozí přepalem; jinak je pohodlnější exponovat normálně a mít v hledáčku čitelný náhled.

Jak invarianci ověřit vlastní sérií snímků

Zkouška zabere čtvrt hodiny. Fotoaparát patří na stativ před scénu se stíny a jemnými detaily, třeba knihovnu při večerním osvětlení. V manuálním režimu se nastaví čas a clona tak, aby expozice seděla při ISO 6400, a ukládání do nekomprimovaného nebo bezztrátově komprimovaného RAW. Potom se beze změny času a clony pořídí řada snímků od ISO 6400 dolů po celých stupních až na základní hodnotu. Každý další snímek tak bude o stupeň tmavší, ale snímač dostane pokaždé stejné množství světla.

V editoru se všechny snímky zesvětlí posuvníkem expozice na stejný jas a s vypnutým odšuměním se porovnají stíny při stoprocentním zvětšení. Kde jsou snímky k nerozeznání, tam je snímač invariantní. Kde se šum skokem zhorší, leží hranice převodního zisku nebo konec invariantního pásma. Doporučuji zapsat si právě tuto hodnotu a brát ji jako nejnižší citlivost pro slabé světlo.

Jednu věc zkouška neřeší: fotonový šum zůstává stejný na všech snímcích, protože světla bylo pořád stejně. Kdo chce čistší obraz, musí snímači světlo přidat, a z ruky k tomu vede cesta přes delší čas, který udrží stabilizace obrazu v těle. Za sebe bych proto u statické scény nejdřív prodloužil čas a ISO zvedal až jako poslední možnost.

Zdroje

• ISO 12232 – Photography – Digital still cameras – Determination of exposure index, ISO speed ratings, standard output sensitivity, and recommended exposure index, International Organization for Standardization
• EMVA Standard 1288 – Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras, European Machine Vision Association
• Read Noise in DNs and Input-referred Read Noise – popis metodiky, Photons to Photos
• Digital Camera Image Noise, Cambridge in Colour