Příčiny vzniku digitálního šumu a jak se s ním dá bojovat

Příčiny vzniku digitálního šumu a jak se s ním dá bojovat

S výrazným šumem se setkáte u každého digitálního fotoaparátu, který nemá pokročilé funkce pro jeho potlačení. Mnohdy stačí, aby se sluníčko schovalo za mrak a automatika fotoaparátu je nucena použít vyšší citlivost snímače. Nebe pak na výsledném snímku obsahuje „fleky“, v barevných plochách se nacházejí body úplně jiných odstínů a hrany jsou kostrbaté. Černé plochy na nočních fotografií mají taky k dokonalosti daleko. Za to všechno může konstrukce snímacího čipu. Přitom není příliš velký rozdíl jestli se jedná o fotoaparát s CCD čipem, CMOS snímačem, nebo nejnovějším Foveonem X3. Šum si zkrátka nevybírá.

Jak funguje snímač

Snímací čip je hustá síť malých fotodiod, které při dopadu světla produkují náboj. Velikost náboje odpovídá jasu (množství fotonů) který dopadá na fotodiodu. Vzhledem k tomu, že fotodioda reaguje pouze na jas a ne na barvu světla, je před každou z nich zařazen barevný filtr, který propouští pouze určitou část viditelného světla. Buňky jsou uloženy vedle sebe (v případě čipu Foveon X3 nad sebou) zvlášť pro záznam červené modré a zelené složky. Výsledná barva se vypočítá pomocí interpolace hodnot naměřených v nejbližším okolí jedné buňky. Výsledný náboj je pak transportní vrstvou čipu přenášen až k Analogově/digitálnímu převodníku. Každý řádek CCD čipu funguje jako posuvný registr a jednotlivé náboje musí projít přes sousední buňky až ke kraji. Náboje se nepomíchají protože vyrazí všechny ve stejnou chvíli. Je to jako když si řada lidí předává nádoby s vodou.

Kde se vzal, tu se vzal

A/D převodník přiřadí každému signálu z příslušné buňky hodnotu od 0 do 255 podle naměřeného náboje. Celá cesta náboje (elektronů) je analogová a tudíž může dojít snadno ke ztrátám náboje nebo k chybám. Jednotlivé buňky nikdy neobsahují absolutně nulový náboj a každá má spodní hladinu minimálního náboje trochu jinou. Právě tato nevyrovnanost hladin je původcem digitálního šumu. Pokud je odstup maximálního náboje od spodní hladiny velký, pak se tato odchylka ve výsledném obraze neprojeví. A/D převodník přiřazuje pouze celá čísla a tak při malé odchylce dojde k zaokrouhlení na stejnou hodnotu. Možná vás teď napadlo, proč se jednoduše při výrobě čipu nezměří odchylky jednotlivých buněk. Vždyť by pak stačilo, aby A/D převodník od každému signálu odečetl příslušnou odchylku a bylo by vymalováno. Bohužel, tak snadné to není.

Čím se krmí šum

Charakteristika jednotlivých buněk čipu se neustále mění v závislosti na různých faktorech. Fotodioda je citlivá na daleko širší spektrum záření, než je viditelná část, o kterou nám u fotografie jde. Do hry vstupuje jakékoliv rušivé záření kterého je v éteru mnoho. A nemusí jít zrovna o vašeho mobilního miláčka, úplně stačí teplo vašich dlaní. Proto se modelům fotoaparátů, které se přehřívají už svým vlastním provozem, zdaleka vyhněte. Aby se dosáhlo ostrého snímku, snaží se výrobci naskládat fotodiody co nejvíc vedle sebe. Jednotlivé buňky svým nábojem trochu ovlivňují i ostatní a odchylky způsobující šum se liší i podle toho, co jste fotili naposled.

Držte si od něj odstup

Jediná osvědčená rada opravdu zní, držet si odstup od spodní hladiny náboje, obsahující chybovost projevující se jako šum. Čím vyšší bude maximálně dosažitelná hladina náboje, tím méně se v konečném součtu odchylka v obraze projeví. Ve skutečnosti dělá nevědomky většina z vás pravý opak. Vysoké citlivosti snímačů jsou totiž pouhý reklamní trik. Základní citlivost snímače pohybuje zhruba v rozmezí 50-100 ISO. Dvojnásobné citlivosti se dosáhne tak, že A/D převodník přidělí signálu z buňky dvojnásobnou hodnotu, než obvykle. Tím se ovšem zvětší i chybová výchylka a šum se při takovém ISO 400 dokáže do snímku pořádně zahryznout. Ze stejného důvodu je šum pozorovatelný nejvíc v tmavých částech snímku. Signál odpovídající nízké hladině světla je jen o něco málo větší, než chybové výchylky. S prodlužujícím se časem expozice dochází k delšímu vystavení buněk vzájemnému rušení a elektromagnetickému záření.

Šum se bojí světla

Jestliže máte rádi krásné snímky plné sytých barev bez rušivého šumu, musíte na něj myslet už při focení. Mějte pořád na paměti všechny parametry, které jej ovlivňují. Jedna rada je však univerzální. Vždy je to o světle. Když bude dostatek světla, stačí vám nízká citlivost, nemusíte používat dlouhé časy a v konečném důsledku i objekty, které budete fotit budou spíš světlé než tmavé. Při focení v místnosti se určitě vyplatí použít raději blesk a nízkou citlivost, než snímat při vysoké citlivosti a přirozeném světle. Pokud fotoaparát zrovna nepoužíváte, ihned jej vypněte. Předejdete tak nejen rychlém vybití akumulátoru, ale i vyrábění šumu zbytečným zahříváním snímače.

Šumem proti šumu

Když se vám světla nedostává, a přesto vám na kvalitě výsledného snímku záleží, zkuste následující trik. Snímek pořiďte s tak vysokou citlivostí nebo dlouhým časem, jak potřebujete. Poté přepněte fotoaparát do manuálního režimu a nastavte tytéž hodnoty citlivosti a času jako u předešlé expozice. Na objektiv nasaďte krytku a vyfoťte jeden snímek. Získáte tak dokonalý a aktuální vzorek šumu. Doma vložte oba snímky ve Photoshopu do zvláštní vrstvy a nastavte interakci na „rozdíl“. Šumu by mělo výrazně ubýt. Pokud nemáte Photoshop můžete si zdarma stáhnout program BlackFrame NR, který umí totéž. Funkce na potlačení šumu u některých nových fotoaparátů jsou založeny právě na tomto principu.

Kdo se směje naposled …

Pokud už máte „šumivý“ snímek nafocený v archívu, není ještě bitva prohraná. Pomoci vám může opět Photoshop, který má na vyhlazování digitálního šumu speciální filtr. Na Internetu je mimoto k dispozici celá řada volně šiřitelných programů, které se na vyhlazování šumu specializují. Nikdy už to sice nebude ono a nějaké detaily se vždycky ztratí, nicméně se dá ještě leccos zachránit. Za všechny jmenujme HotPixels Eliminator nebo NeatImage podporující navíc různé profily fotoaprátů. Šumu se dá rovněž zbavit namapováním na černobílý (nebo jiný monochromatický) přechod ve Photoshopu 6.0 a vyšším.