ISO — это не чувствительность: почему ваша камера шумит и как работают современные сенсоры

ISO в пленочной фотографии

За чувствительность фотопленки отвечает галогенид серебра, чем меньше его кристаллы, тем меньше чувствительность пленки к свету, и наоборот чем крупнее кристаллы, тем чувствительность выше. Т.е. от размера кристалла зависит, то сколько фотонов света может уловить пленка, на мелкий попадает меньше, на крупный больше. Кстати именно по этому на плёнке есть зерно, это — «кристаллы себя выдают».

Чувствительность кристаллов до 1974 года маркировали по разному ASA, DIN и конечно наш любимый ГОСТ, с разными значениями, хотя на практике все их можно было пересчитать, чем организация по стандартизации (International Organization for Standardization) и занялась. Их упражнения в математике привели к тому, что американский стандарт ASA приняли за эталон и пересчитали к нему остальные, что и привело к обозначению, например ISO 100. 

Так что, если бы не эти ребята у нас был бы реальный шанс встретить камеру где вместо кнопки ISO была бы кнопка ГОСТ. 

Сейчас вместо кристаллов есть и более прорывные технологии даже для плёнки, в виде крошечных пластин, идея в том что на плоскость попадает больше света, чем на грань кристалла, но мы не об этом, это лишь раздвигает границы плёночной фотографии и делает картинку чище. Это очень упрощённые описание работы плёнки, но оно нам было нужно для понимания. 

На смену плёнки к нам пришли матрицы, и очень важно понимать, что матрица имеет одну и ровно одну чувствительность которую производитель выбрал при проектировании, раньше она была ближе к ISO 200, сейчас это 64 или 100ISO.

 Вы скажите, но я же могу выбирать разное ISO в своей камере, да это так, вот только вспомните что такое ISO, в первую очередь это стандарт, что бы фотографам было проще сравнивать новые настройки с плёнкой, то что должно было называться «Gain», вновь обозвали ISO. А что за Gain такой? 

Gain в переводе на русский «усиление» и вот это уже описывает то, что происходит в цифровой камере. У матрицы есть «усилитель сигнала» у современных камер встречаются даже два, по этому и два «базовых ISO» около 100 и около 800, это уже ближе к тому, что мы бы заменили плёнку на более чувствительную в нашей старой камере, хотя чувствительность матрицы остается неизменной меняется только алгоритм. Он «усилитель» может усиливать сигнал и только, запомните, мы ещё вернемся к этому когда будем говорить об ISO 32 и прочих извращениях. (Ходят слухи, что скоро выйдет камера с реальным iso32, но на момент написания её нет)

Лучше всего для понимания работы усилителя подходит музыка и обычная дешевая колонка. Крутилка громкости на ней, выполняет ровно ту же функцию. Представьте что у вас качественный трек и вы слушаете его на минимальной громкости, вы слышите все звуки, это наше ISO 100, потом кто-то отнёс её в соседнюю комнату и закрыл дверь, поток данных не поменялся трек всё тот же, но вы уже ничего не слышите, в фотографии это бы означало что, кто-то выключил свет в комнате. Для того что бы вновь наслаждаться музыкой вам нужно крутануть громкость вверх (Увеличить амплитуду волны, путём увеличения подаваемой мощности), а в фотографии мы поднимаем ISO (Точно так же увеличивая подаваемую мощность на матрицу), но что происходит со звуком? Вы начинаете помимо музыки слышать хрипы, трески, и искажения звука, связанные с несовершенством колонки, а в фотографии вы увидите «цифровой шум», важно понять лишь одну разницу, громкость можно увеличивать линейно, т. е. плавно, а вот увеличить напряжение на матрице, так не получиться, точнее в теории можно, но на практике производители так не заморачиваются, гораздо удобнее откалибровать всё на заранее известных величинах. И вот тут начинается самое интересное.

Природа шума: почему короткая выдержка иногда хуже длинной

Говоря об ISO нельзя не затронуть «шум», который всегда идёт бок о бок в любом разговоре об ISO, особенно в части практики.

Шум бывает разный, обычно когда о нём говорят, в первую очередь имеют ввиду «шум-считывания» т. е. тот, что неизбежно присутствует в камере из-за несовершенства изоляционных технологий и чудовищно близкого расположения элементов на матрице и внутри камеры, бороться с ним бесполезно, его просто стоит принять как данность, чем выше усиливается сигнал с матрицы, тем больше посторонние электроны «пробивает» на матрицу и они портят нам картинку, однако до определенного придела, о чём мы ещё поговорим в практической части. 

Вы спросите прям совсем ничего нельзя сделать? — Не считая покупки новой камеры, нет — отвечу я. В каждом новом поколении прогресс идёт вперед и такого шума становиться меньше, но полного его отсутствия ещё нигде нет и вероятно не будет.

Следующий самый популярный шум который обсуждают, «шум длинной выдержки» 

Название говорит само за себя, ставите выдержку 30 секунд, для съёмки звезд или красивых полосок от фар автомобилей, матрица перегревается и получает помимо полезного сигнала в виде света ещё и блуждающие электроны которые и вызывают шум, в некоторых современных камерах с этой проблемой борются с помощью активного охлаждения внутри камеры, а так же есть и дополнительное охлаждения от друзей из поднебесной, обычно для камер которые полюбили астрофотографы и видеооператоры, у последних помимо шума ещё и камера выключается от перегрева. 

Для перехода к самым не очевидным нюансам из-за которых я и начал это всё писать нам понадобиться ещё одно понятие «соотношение сигнал/шум».

Вновь вспомним нашу колонку, до этого на неё была качественная запись, но в реальной жизни эта запись скорее похожа на радио сигнал, из-за нашего главного «шума-считывания», и ещё более злого врага, фотонов света. Да, именно то, что дает нам видеть происходящие и снимать это на камеру ведёт себя так хаотично, что в зависимости от выдержки которую мы поставили и условий освещения, может попасть всего один или два фотона (наш сигнал) на площадь матрицы, которую мы называем пикселем, хотя сам пиксель может в себя вобрать больше, всё что он не забрал от света, частично заполниться «шумом-считывания». 

Кстати именно из-за этого говорят что многомегапиксельные камеры шумят больше. Размер пикселя меньше, и меньше шансов поймать полезный сигнал т. е. фотон. А представьте размер пикселя на матрице телефона…

Но не беспокойтесь производитель тоже не дурак, если дал вам царские 45 мегапикселей, трижды перед этим подумал. А в конце я дам практический лайфхак как сделать ваш кадр с такой камеры лучше и заткнуть за пояс, тех, кто считает что вот раньше 12мп были… 

Самое не очевидное для большинства, что такой эффект проявляется даже на родном ISO камеры, том самом 100, которые многие считают самым «чистым», и чаще всего это происходит на короткой выдержке, эффект так и назвали «шум короткой выдержки» или «фотонный шум». 

Что бы его избежать следует при возможности увеличить выдержку, т. е. вместо 1/1000 поставить например 1/200, а чтобы не получить пересвет (он же переполнения пикселя фотонами), прикрыть по возможности диафрагму, или использовать нейтральные серые фильтры на объектив. Иногда такой возможности нет, например при съёмке спорта, тут уже ничего не поделать просто мерится.  

Лайфхак — использовать вспышку, да прям в яркий солнечный день ещё досветить вспышкой, тем самым увеличив полезный сигнал, т. к. свет от вспышки более равномерный. 

А вы замечали что даже на высоких ISO если кадр снят со вспышкой, он менее шумный? Как раз по тому что сигнал (свет от вспышки) равномерный и почти полностью заполняет ёмкость пикселя камеры не давая туда прорваться лишнему шуму.

Дробные значения ISO: почему 125 и 160 могут испортить ваш кадр

И последний по счёту, но не по значимости «Шум — не хотим заморачиватся», или если хотите «программный шум», «шум от дробных ISO», названия в сети ему так и не придумали, но погубил он не мало кадров.

Вернёмся в историю плёнки, после стандартизации появились ISO 100, 200, 400, 800, 1600 и в какой-то момент довольно популярная, но выбивающиеся из ряда плёнка с ISO 64, если не брать последнюю то все чётко умножается на 2, т. е. грубо каждый раз площадь кристаллов увеличивали на 2. Но там были эмульсия с кристаллами, изменить её количество довольно не сложно, на любую величину, так появились плёнки с ISO 125 и 160 и подобные дробные. 

А что с цифрой? — Помните мы говорили об «усилителе сигнала», это довольно простая конструкция самого усилителя, но очень сложные вычисления после, и что бы конечный результат был всегда предсказуем производители пошли на некоторую хитрость, и сделали в камере так называемые «родные ISO»,  на которые настроена и колибрована камера, хотя в сети их часто путают с «базовым ISO»,. 

И так родными оказались 100, 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400 и так далее, каждый раз предыдущие число умножается на 2. 

А почему, 2? — Всё просто, увеличивать сигнал в 2 раза проще, примерно так же как умножать на 2 в уме, результат легко предсказуем, нету дробей и не будет периода. На этот результат легче откалибровать, всю начинку камеры так, что бы картинка на выходе была предсказуема.

Выбивается из этого рядя только родное ISO 64 присутствующие на топовых камерах, это уже новые наработки, инженерам пришлось сильно постараться, для того что бы оправдать наличие оптики с диафрагмой 1.2. 

Однако, любой кто брал камеру в руки, замечал, что есть ещё и промежуточные ISO, такие как 125, 160, 250, 320, 500, 640 и т. д., но мало кто замечал, что они более шумные. 

Это связанно с тем, что в реальности дробное ISO в камеру не заложено, и делается программно. 

Например: вы снимаете кадр на ISO 640, камера делает кадр на ISO 800 и понижает программно экспозицию на треть, а если вы делаете кадр на ISO 250, то камера снимает на ISO 200 и повышает экспозицию программно, всё это происходит, не по каким-то хитрым алгоритмам, а ровно так, как вы бы сами могли повысить или понизить экспозицию вашей фотографии снятой в RAW формате в редакторе. 

 И ладно было бы ровно так, в зависимости от марки и модели камеры она может снимать на 200iso, и тянуть 0.7 стопа вверх, когда вы ставите 320iso, хотя прочитав выше вы ожидали понижения с 400iso. А теперь представьте, что вы чуть не досветили кадр, и решили в редакторе поднять экспозицию, вы не от 320iso её поднимаете, а в реальности с 200iso, а это целый стоп, который для камер с 1 усилителем сигнала на низких ISO критичен.

 Вычислить логику работы алгоритма, можно только путем экспериментов с конкретной моделью. 

Тут вы вспомнили о начале, где я сказал об ISO32 и прочих извращениях, да есть и подобные, это занижение экспозиции на целый стоп, а если родное iso 100 то даже больше. Т.е. на экранчике такой кадр выглядит нормально, но сделать с ним что-то в дальнейшем невозможно, он «не тянется» в редакторах. 

К нашей радости, производитель такие ISO обычно именует как Lo для маленьких и Hi для больших, что не просто подчёркивает, а прямо говорит, что это программный режим, и камера занижает или завышает экспозицию с последнего доступного родного ISO, и об этом даже честно пишется в инструкции. 

Интересный факт, в режимах Hi и Lo, камера по умолчанию, использует шумоподавление, даже если соответствующая настройка в меню отключена, от чего потом на «проявке» RAW файла можно очень удивиться. 

ISO-инвариантность: как «тянуть» тени в RAW без потери качества

Раз уж мы заговорили о RAW, нельзя упустить последний и самый интересный факт связанный с ISO, который может полностью всё тут перевернуть. «ISO Less» или «ISO инвариантность».

Это состояние когда, то что вы можете «выжать» из файла в редакторе, совпадает с тем, что вы бы заранее выбрали правильное ISO при съемке. Иными словами вы сняли кадр на ISO 800, он получился темный, открыв его в Lightroom или другой программе, подтянув экспозицию на 3 стопа, вы получили нормально проэкспонированый кадр, причём с тем же уровнем шума как если бы вы сразу поставили на камере ISO 6400.

И вот тут я предлагаю вам самим провести эксперимент, во-первых для разных камер такое ISO разное, а во-вторых я знаю вы мне просто не поверили, хотя астрофотографы пользуются этим при съёмке северного сияния постоянно. 

Что нам нужно: 

• Ваша камера
• Штатив или иначе зафиксировать камеру
• Неподвижный объект съемки. 

Важно что бы свет был естественным, ну или его не было (Это для того что бы мерцание ламп не испортило нам эксперимент).

1. В начале нужно выбрать ISO к которому будем тянуть, например 3200, устанавливаем его на камере.
2. Ставим выдержку так что бы не схватить «фотонный шум», около 1/60 и длинее.
3.  Диафрагму подбираем так, что бы экспозиция была верной, конечно в режиме М тут без него никуда. 
4. Понижаем ISO до 800 и снимаем, а затем 1600, 3200 и 6400 тут мы используем только базовые значения, и меняем только ISO. 
5. Далее идём в редактор и у первого кадра поднимаем эспозицию на 2 ступени, а у второго на ступень у четвертого уменьшаем на ступень. Удивляемся что все 4 кадра выглядят совершенно одинаково.

Как это работает? 

Для старых камер где усилитель сигнала один, уровень «шума считывания» на маленьких ISO хаотичный, что не позволяет проделать такой фокус на ISO около 100, но когда электроника камеры выходит на рабочее напряжение около 800ISO все шумы будут дальше одинаковые и нету разницы где усиливать сигнал. Возвращаясь к нашей колонки, это соответствует тому, что автор музыки изначально выбрал для аудиодорожки настолько высокую громкость, что даже на минимуме громкости у вас она будет хрипеть, и нет разницы на сколько вы ещё крутанёте рукоятку вверх будет так же.

Но, у современных камер начиная с Nikon D850, Sony Alpha III, Canon серии R, всё чаще встречаются 2 усилителя, с первого усилителя, мы можем делать такой трюк, до переключения на второй, примерно с ISO 64 до 400 тянуть RAW без потери качества, и дальше с 800 и выше. 

Это так же значит, что если вы хотите снять кадр на ISO 400, что является максимумом для первого усилителя, может быть вполне разумным переключиться на второй т. е. поставить ISO 800 и получить более чистую картинку и больше возможности для редактирования в тенях. Точное значение переключения усилителей, можно подобрать путём экспериментов или воспользоваться ресурсом www.photonstophotos.net и посмотреть график «Read Noise Chart».

Зачем это нужно в реальной жизни? Всё та же астрофотография ярко нам иллюстрирует, представьте что вы снимаете северное сияние, вы не знаете на сколько оно будет ярким в моменте, и что бы не пересветить кадр вы можете поставить ISO 800, и если надежды оправдаются, то у вас не будет пересвета, а если нет, вы легко подтяните его и увидите тоже самое что было бы с ISO 6400. Так же это работает например при съёмке огненных шоу, или бенгальских огней. 

То же верно и днём, к примеру методом «псевдо HDR» можно привести в чувство кадр с проваленными тенями, или просто увеличить экспозицию. Однако второе утверждение верно лишь для камер с двумя усилителями, т. к. на камерах с одним, любое увеличение экспозиции в редакторе, с маленьких ISO приведёт к существенному ухудшению качества и разному результату в нашем эксперименте.