От чего зависит светочувствительность отдельно взятого пикселя
Хорошая экспозиция фотоснимка начинается с выбора правильных значений экспопары: выдержки и диафрагмы. Новой тенденцией в фотографии является расширение базовой экспопары до треугольника экспозиции. Таким образом мы имеем дело с третьей переменной в уравнении – с параметром светочувствительности ISO.
✅ Почему фотографы не всегда используют высокие значения ISO
Прочитав вышеизложенное вам может показаться, что если поставить ISO 6400 или даже 12800, то можно снимать на самых коротких выдержках и с сильно зажатой диафрагмой. При этом снимки должны будут получаться достаточно хорошо экспонированы.
Это ошибка и так поступать ни в коем случае нельзя. Собственно, профессиональные фотографы так никогда и не поступают и стремятся выбирать наиболее слабое усиление, то есть снимать с ISO 100. Почему они так делают?
Дело в том, что полезный электрический сигнал с точки зрения физики не может быть усилен без усиления паразитного сигнала. Это означает, что увеличивая мощность сигнала и повышая экспозицию за счёт ISO, вы одновременно усиливаете шумы на фотографии. Они проявляются в виде чёрно-белых или цветных точек на вашем снимке. В эпоху плёночной фотографии увеличивалась зернистость.
Шум и зернистость снижают контрастность вашего снимка, ухудшают передачу полутонов и значительно уменьшают детализацию теней. Вот почему профессионалы используют штативы даже в ясный солнечный день. То есть просто ради того, чтобы максимально уменьшить параметр ISO и вернуться к модели экспонирования по старой доброй экспопаре, как учили дедушки в Советском Союзе (и правильно делали).
✅ Как ISO меняет ваши фотографии
ISO – это параметр светочувствительности, который условно устанавливается для светочувствительного элемента.
В эпоху плёночной фотографии об ISO мало кто задумывался и фотографы экспонировали снимки по традиционной экспопаре. Дело в том, что однажды зарядив плёнку, скажем, с ISO 400, фотограф терял возможность регулировать этот параметр до следующей смены плёнки.
В современную эпоху цифровой фотографии параметр ISO стал регулироваться самой камерой. При этом смысл ISO несколько поменялся. Матрица фотоаппарата имеет постоянную базовую чувствительность, а параметр ISO – это коэффициент усиления сигнала, который возникает на матрице при попадании на него света.
Таким образом, экспопара была превращена в треугольник экспозиции. Теперь ISO напрямую влияет на то, какой яркости будет ваш снимок. Другими словами, вы можете на цифровом фотоаппарате с короткой выдержкой и на закрытой диафрагме снимать полноценные снимки с достаточной яркостью. Так вы достигнете творческой цели сделать фриз-кадр с большой глубиной резкости. Вот какая польза от ISO в цифровых камерах.
Авто-ISO
ISO на практике — самый простой и «технический» параметр экспозиции. Судите сами: выдержка отвечает не только за яркость изображения, но и за передачу движения на снимке; диафрагма ответственна как за яркость, так и за глубину резкости, степень размытия фона. А вот ISO само по себе отвечает только за экспозицию снимка и… уровень цифрового шума, о котором на современных камерах можно сильно не переживать. Поэтому из всех трёх параметров экспозиции ISO — первый претендент на то, чтобы им управляла автоматика. Для этого во всех современных камерах Nikon есть функция Авто-ISO. Работает она адекватно и предсказуемо, главное — разобраться в нескольких простых пунктах настройки. О работе с Авто-ISO в различных ситуациях у нас есть отдельная статья. Здесь же остановимся на основных моментах.
Мы по-прежнему задаём светочувствительность вручную: на это значение автоматика будет ориентироваться при настройке ISO. Если вы зададите высокое значение в верхнем пункте, камера будет стремиться к нему. Если низкое — камера будет стараться снимать на низких значениях чувствительности.
Ниже мы можем задать максимальное ISO, доступное автоматике. Это нужно для того, чтобы автоматика не могла снимать на слишком высокой чувствительности, и мы не получали кадры, испорченные цифровым шумом. В современных продвинутых камерах появился аналогичный пункт и для работы со вспышками.
Максимальная выдержка задаётся для того, чтобы в режимах, где фотоаппарат одновременно управляет и выдержкой, и чувствительностью (A и P), он находил правильный баланс между ними и не ставил слишком длинную выдержку при низком ISO. Авто-ISO — полезнейший инструмент, отключать который стоит, пожалуй, только в двух случаях: при съёмке со штатива (там фотограф сам вдумчиво может настроить экспозицию) и при работе в студии с импульсным светом, где любая автоматика мешает съёмке.
NIKON Z 7 / NIKKOR Z 14-30mm f/4 S УСТАНОВКИ: ISO 40, F14, 8 с, 14.0 мм экв.
Да, ISO — самый простой из трёх параметров экспозиции, но следует потренироваться в работе с ним. Ведь экспозиция — это как весы с тремя чашами. Для грамотной съёмки необходимо уравновесить все три параметра: выдержку, диафрагму и светочувствительность. На каких значениях ISO вы обычно снимаете? Расскажите в комментариях и поделитесь своими снимками!
Светочувствительность ISO – один из трёх параметров экспозиции. Она характеризует чувствительность матрицы цифровой камеры к свету: чем выше показатель, тем меньше света нужно для получения правильно экспонированного снимка. При повышении или понижении этого параметра в ручном режиме можно напрямую регулировать яркость изображения.
Светочувствительность выражается в условных единицах ISO, которые использовались ещё в плёночной фотографии. Плёнка ISO 100 была рассчитана на дневную съёмку, а ISO 400 позволяла эффективно снимать в помещении. Чем выше показатель ISO, тем выше чувствительность плёнки к свету. Сменить светочувствительность на плёночном фотоаппарате можно было одним способом: вынуть кассету и вставить другую.
В цифровой фотографии всё проще: ISO регулируется нажатием одной кнопки или выбором в меню. А ещё можно отдать этот параметр под управление автоматики. Технически в цифровой фотографии изменение ISO реализовано совсем по-другому. Чувствительность пикселей сенсора не меняется при повышении параметра. Картинка становится ярче из-за усиления электрических сигналов матрицы и за счёт алгоритмов преобразования аналогового сигнала в цифровой.
Какой бывает чувствительность?
Большинство фотолюбителей в ответ на такой вопрос лишь пожмут плечами – в их понимании данный параметр однозначно характеризует реакцию регистрирующего устройства на оптическое излучение в обратной пропорциональности (то есть чем меньшее количество световой энергии необходимо для реакции, тем выше светочувствительность регистрирующего устройства). Фотограф-профессионал отметит также, что чувствительность фотоплёнки может зависеть от спектра воздействующего излучения (то есть регистрировать видимый свет или инфракрасные, ультрафиолетовые либо рентгеновские лучи) и влиять на чёткость формируемого негатива: чем выше чувствительность, тем крупнее «зерно» плёнки, огрубляющее тонкие детали снимка. Для измерения светочувствительности плёнки используется светочувствительное число, которое указывается в единицах ISO (International Standards Organization – Международная организация стандартов), например, «ISO 100» либо «ISO 800».
В полупроводниковых приборах, к которым относится ПЗС-матрица, для описания светочувствительности устройства используются несколько другие параметры, отображающие особенности его конструкции. В частности, матрица представляет собой не кусок целлулоида с однородно реагирующим на свет участком эмульсии, а совокупность ПЗС-элементов, каждый из которых регистрирует фотоны по-своему.
Чувствительность собственно ПЗС-элемента можно разделить на две составляющие. Первая – интегральная чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах), обеспечиваемому источником излучения. При этом спектральный состав излучения, используемого при измерении интегральной чувствительности, такой же, как и у вольфрамовой лампы накаливания, а сам параметр служит для оценки суммарной (по всему спектру видимого света) чувствительности пикселя. Второй характеристикой способности ПЗС-элемента реагировать на свет является монохроматическая чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), имеющего строго определённую длину волны. Функция, описывающая зависимость чувствительности от длины волны, то есть способность пикселя фиксировать различные цветовые оттенки, именуется спектральной чувствительностью и представляет собой совокупность всех значений монохроматической чувствительности для данной области спектра.
Таким образом, как интегральная, так и спектральная чувствительность определяется фототоком ПЗС-элемента, то есть зарядом, накопленным потенциальной ямой. Характеристика, описывающая ёмкость ямы, называется глубиной потенциальной ямы (well depth), и именно ею определяется динамический диапазон ПЗС-матрицы. Величина же накопленного заряда зависит от целого ряда параметров.
Например, чем больше площадь светочувствительной области (fill factor) ПЗС-элемента, тем выше доля фотонов, которые могут быть поглощены с созданием носителей заряда. Именно поэтому при росте разрешения матрицы одной из основных задач для разработчиков является обеспечение максимально возможной площади светочувствительной области. Для этого размеры обвязки (электродов переноса, дренажа и буферных столбцов) должны уменьшаться пропорционально росту числа пикселей.
Квантовая эффективность зависит от других параметров. В частности, некоторые фотоны отражаются от поверхности светочувствительной области и не могут быть поглощены ПЗС-элементом, для отображения доли таких фотонов используется коэффициент отражения. Среди тех фотонов, что не были отражены поверхностью сенсора, некоторые будут поглощены слишком глубоко, а другие – у самой поверхности. Заряды, полученные в результате внутреннего фотоэффекта этих фотонов, не попадут в потенциальную яму. Поэтому при разработке сенсора следует учитывать коэффициент поглощения, который определяется как материалом матрицы, так и длиной волны регистрируемого света: чем она больше, тем выше проникающая способность фотонов. Очевидно, что коэффициент поглощения должен обеспечивать выбивание носителей заряда вблизи от потенциальной ямы, причем выбивание это должно осуществляться фотонами с длиной волны, попадающей в интервал, соответствующий требуемому спектру излучения. Таким образом, материал ПЗС-матрицы должен отвечать целому ряду требований – иметь минимальный коэффициент отражения и максимальный коэффициент поглощения по отношению к фотонам с требуемой длиной волны и в то же время отражать и не поглощать фотоны из других областей спектра. Поскольку данная задача требует взаимоисключающих решений, отсекание «неугодных» фотонов осуществляется при помощи инфракрасного фильтра, устанавливаемого перед ПЗС-матрицей (стекло, используемое в линзах объектива, непроницаемо для ультрафиолетового излучения).
При этом уровень темнового тока сильно зависит от температуры и возрастает вдвое при нагревании на 9 градусов по Цельсию. Чем теплее матрица, тем большее количество «паразитов» осядет в потенциальной яме. Для ослабления термоэлектронной эмиссии в студийной цифровой фототехнике применяют различные схемы теплоотвода, использующие в качестве теплообменника металлический корпус камеры, игольчатые радиаторы и даже элементы Пельтье. Разумеется, такой подход неприменим к компактным фотоаппаратам, ограниченным по размерам и весу.
Чтобы определить уровень темнового тока и исключить его величину при считывании фототоков пикселей, расположенные по краям столбцы и строки матрицы покрываются непрозрачным материалом. Составляющие их пиксели называются пикселями темнового тока (dark reference pixels), и, поскольку генерируемый ими заряд создан термоэлектронной эмиссией, он используется в качестве «отметки чёрного цвета» для остальных пикселей матрицы. При этом, поскольку при разных условиях (нагрев матрицы, ток питания и так далее) уровень темнового тока будет варьироваться, необходимо для каждого снимка заново считывать заряд пикселей темнового тока.
Не менее губительно, чем темновой ток, на порог чувствительности влияет тепловой шум (thermal noise). Данное явление обусловлено хаотичным движением носителей заряда в толще полупроводника, которое не прекращается и при отключении потенциала, подаваемого на электрод. Блуждая в материале матрицы, электроны либо дырки в конце концов притягиваются потенциальной ямой и оседают в ней. Поскольку перед началом экспонирования потенциальная яма «опустошается», количество захваченных ею в процессе съёмки «паразитов» тем больше, чем продолжительнее выдержка.
Из всего вышесказанного получается, что чувствительность ПЗС-матрицы – это интегральная характеристика, которая определяется чувствительностью каждого пикселя. Так как технологический процесс производства матрицы не может быть идеальным, ряд её элементов будет регистрировать свет хуже, чем остальные, и именно поэтому чувствительность матрицы в целом всегда меньше, чем чувствительность отдельно взятого пикселя.
В характеристиках цифрового фотоаппарата не указывается ни спектральная чувствительность, ни квантовая эффективность, ни порог чувствительности. Вместо этого производитель публикует так называемую эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы, указываемую в общепринятых единицах ISO в виде диапазона («ISO 100-800») либо набора значений («ISO 50, 100, 200, 400»). Вычисляется она каждым производителем по-своему (из-за чего нередко возникают недоразумения), но в основу расчётов положена пара стандартных формул для расчета экспозиционного числа: зная освещенность объекта съёмки, диафрагму и выдержку, можно с высокой долей достоверности определить эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы. Наиболее точно характеризует истинную чувствительность матрицы минимальное из ISO-чисел, так как остальные значения получаются в результате обычного усиления сигнала на выходе матрицы, что-то вроде увеличения громкости радиоприёмника. Чем выше громкость радиоприёмника, тем сильнее слышны помехи, точно так же при повышении чувствительности усиливается уровень шумов матрицы, значительно искажающих «электронный негатив».
Что такое цифровой шум
Цифровой шум — это помехи, возникающие при повышении светочувствительности. Они есть в той или иной мере всегда, но на минимальном ISO практически незаметны.
Уровень цифрового шума на разных камерах отличается.
NIKON Z 7 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 64, F14, 4 с, 35.0 мм экв.
Фрагмент приведённой выше сцены, снятый на базовом ISO.
Фрагмент приведённой выше сцены, снятый на максимальном ISO. Заметен цифровой шум: как отдельные «зёрна» (яркостный шум), так и искажения цвета (цветовой шум). Шум съел мелкие детали, фактуру на оправе часов. Но для столь высокого ISO такой уровень шума — отличный показатель.
Закономерность простая: чем крупнее и современнее матрица, тем меньше цифрового шума. Полнокадровые матрицы и сенсоры формата DX (APS-C) сегодня «шумят» так незначительно, что качественные снимки можно получать и на ISO 1600–3200, тогда как матрицы компактов, смартфонов и устройств, выпущенных в позапрошлом десятилетии, выдают уже практически нерабочую картинку. Это связано с тем, что на большой площади матрицы каждый светочувствительный пиксель можно сделать крупнее, и работать он будет лучше. Кстати, по той же причине матрицы с большим разрешением «шумят» несколько сильнее, чем аналогичные матрицы с меньшим числом мегапикселей. Nikon D780 как раз из таких: матрица этой камеры не имеет рекордного количества мегапикселей, зато она выполнена по технологии обратной засветки и позволяет на своей площади расположить крупные чувствительные пиксели. Поэтому фотоаппарат отлично работает даже на очень высоких ISO, в чём мы убедились во время тестирования.
В любую современную камеру встроены инструменты шумоподавления, и оно производится на всех этапах создания снимка. Мы можем управлять им во время внутрикамерной обработки и сохранения кадра. Процессор фотоаппарата размывает «зернистую» структуру цифрового шума, сглаживая картинку. Такое шумоподавление активируется в меню, оно работает только для JPEG.
Фрагмент снимка на базовом ISO
Фрагмент снимка на максимальном ISO без шумоподавления
Фрагмент снимка на максимальном ISO с шумоподавлением
Это может привести к потере мелких деталей, однако если вы снимаете в JPEG и хотите сразу получать качественные кадры, включите эту полезную функцию. При съёмке в RAW шумоподавление можно осуществить инструментами RAW-конвертера.
Nikon Z 7. Для этой камеры ISO 1600 является промежуточным значением. Здесь доступны значения вплоть до ISO 25600, а значит можно снимать при очень слабом освещении.
ISO 1600, кадр со смартфона (его максимальная светочувствительность). Алгоритмы шумоподавления размывают «зерно», из-за чего дополнительно снижается детализация, на снимке отсутствуют мелкие фактуры (обратите внимание на книги). Кроме того, из-за узкого динамического диапазона смартфон не справился с проработкой деталей в светлых участках: ракушка превратилась в белое пятно.
Что такое расширенное ISO
Если регулировать ISO в сторону уменьшения или увеличения, рано или поздно вы наткнётесь на так называемые расширенные значения ISO. На камере они отображаются как Lo (пониженные значения) или Hi (повышенные). Их фотоаппарат получает программно. К примеру, в случае повышенных значений Hi съёмка на самом деле ведётся на максимальном «числовом» ISO, а далее процессор делает картинку светлее. При этом цифровой шум на фото становится более заметным, ведь яркость снимка повышается.
Nikon Z 7: съёмка на пониженном ISO Lo-1.0. Это значение соответствует ISO 32.
В случае использования пониженных значений немного теряется информация в светлых участках, что может привести к появлению переэкспонированных зон на снимке или же к снижению запаса информации в светлых участках при обработке RAW.
NIKON D850 / 70.0-300.0 mm f/4.5-5.6 УСТАНОВКИ: ISO 31, F8, 4 с, 145.0 мм экв.
Зачем повышают ISO
Светочувствительность поднимают только для сокращения выдержки при съёмке. Но что если нужно запечатлеть динамику при слабом вечернем освещении? Фотографируя на очень низком ISO, выдержку придётся выставить (вам или автоматике) слишком длинную – объект смажется. Поэтому для начала стоит выбрать подходящую для съёмки выдержку – достаточно короткую для динамики. С диафрагмой определиться проще: её настраивают исходя из того, насколько большая нужна глубина резкости, а при слабом освещении её можно открыть пошире в тех же целях, для которых поднимаем ISO – сократить выдержку.
Так что просто поднимем ISO до того значения, при котором мы будем получать нормально экспонированный кадр на подходящей нам выдержке. Вот и всё. В остальных сюжетах это работает так же: отталкиваясь от необходимой выдержки, настраиваем подходящую светочувствительность.
Впрок ISO не повышают, ведь чем оно выше, тем больше цифрового шума. Важно найти баланс между подходящей для нашего сюжета выдержкой и значением светочувствительности.
Значения ISO для разных условий съемки
Не бывает оптимальных значений светочувствительности для тех или иных условий съёмки. Лучше отталкиваться от ваших условий съёмки и смотреть, какая получается выдержка при выбранном ISO.
Минимальное и базовое ISO
Базовое и минимальное ISO — не всегда одно и то же. Базовое для конкретной модели матрицы ISO может быть довольно высоким (например, 800, 1600 единиц), а минимальное ISO получается из него ослаблением сигнала, более высокие значения — усилением. Однако фотографам информацию о базовом ISO производитель не сообщает, да и на практике она не очень нужна. Важнее разобраться с минимальной светочувствительностью.
Минимальное числовое значение светочувствительности на вашем фотоаппарате — это то ISO, при котором качество снимка будет наиболее высоким, а уровень цифрового шума низким. Его важно запомнить. В зависимости от модели камеры, минимальное ISO будет различаться: 64, 100, 200 единиц. В тех направлениях съёмки, где требуется длинная выдержка или она неважна, используют минимальное ISO. Его же для идеального качества картинки применяют в студийной съёмке, предметной, рекламной, пейзажной, интерьерной, архитектурной фотографии. Штатив будет кстати, ведь не всегда условия освещения идеальны, и выдержка может стать слишком длинной для съёмки с рук.
Минимальное и базовое ISO
Базовое и минимальное ISO – не всегда одно и то же.
Базовое ISO для конкретного сенсора может быть, например, 200 единиц, а минимальное ISO получается из него ослаблением сигнала – например, ISO 100. Однако фотографам информацию о базовом ISO производитель не сообщает, да и на практике она не очень нужна. Важнее разобраться с минимальной светочувствительностью.
Минимальное числовое значение светочувствительности на вашем фотоаппарате – это то ISO, при котором качество снимка будет наиболее высоким, а уровень цифрового шума низким. Его важно запомнить. В зависимости от модели камеры, минимальное ISO будет различаться: 100, 200 единиц. В тех направлениях съёмки, где требуется длинная выдержка или она неважна, используют минимальное ISO.
Пример показа минимальной ISO в характеристиках камеры
✅ Для чего в экспопару подмешали ISO
С первого взгляда кажется, что правильное экспонирование полностью исчерпывается выбором только двух параметров: величиной диафрагмы и скоростью срабатывания затвора. С точки зрения физических процессов это абсолютно верно.
Но если подумать практически, а не теоретически, то станет очевидно, что жёсткое установление параметров может не совпадать с творческими целями фотографа. Например, если вы хотите сделать всю картинку в резкости, то вам нужно значительно прикрыть диафрагму. Но в таком случае придётся увеличивать время выдержки. Если объекты в вашей сцене движутся, то вы получите «шевелёнку» – дефект смазывания, который возникает из-за перемещения объекта во время экспонирования.
Именно для того, чтобы приводить режимы работы фотоаппарата к искомому творческому замыслу применяют плёнки с разным параметром ISO, а в цифровых камерах ISO регулируется в самом фотоаппарате.
Разновидности шумов
Изучая виды шумов в ПЗС-матрице, необходимо чётко различать собственно виды шумов и их визуальное проявление. В общем случае шумы представляют собой искажения фототоков пикселей.
Как уже было сказано, источниками «паразитных» носителей заряда в отдельном пикселе являются темновой ток и тепловой шум. С обоими явлениями борются в первую очередь технологически (путём использования максимально свободных от ненужных примесей материалов), а также конструкционными методами (теплоизоляцией матрицы, применением пикселей темнового тока и так далее). Однако реальный вред наносит не собственно паразитный заряд пикселя, а неповторимость его значения для каждого элемента матрицы. Кроме того, несовершенство технологического процесса при производстве матрицы приводит к индивидуальности каждого ПЗС-элемента по интенсивности генерации фототока.
На негативное влияние флуктуаций по паразитному заряду и фототоку накладываются ошибки при считывании с матрицы – как рассогласование по времени, так и разброс в значении потенциалов, подаваемых на электроды сенсора. Следствием всего этого являются всплески яркости пикселей, рассеянные по всему снимку. Данное явление именуется шумом фиксированного распределения (fixed pattern noise). Наиболее заметные пиксели называются «горячими» (hot pixels) – процесс накопления паразитного заряда в них слишком интенсивен, поэтому их яркость тем выше, чем длиннее выдержка. Единичные пиксели предельной яркости могут присутствовать на снимке и при короткой выдержке. Такие пиксели именуются «залипшими» (stuck pixels) и возникают в результате сочетания сразу нескольких неблагоприятных факторов, приводящего к лавинообразному потоку электронов, который при каждом цикле матрицы устремляется в потенциальную яму.
Визуальные эффекты, сопровождающие шум фиксированного распределения, часто путают с собственно явлением. Именно поэтому в обзорах камер зачастую фигурируют цветовой шум (color noise) и яркостной шум (luminance noise). Цветовой шум, называемый также хроматическим, выражается в появлении пикселей постороннего цвета в однотонных областях снимка, причём чаще всего разноцветные крапинки возникают в теневых участках кадра. Яркостной шум не так заметен и представляет собой не изменение цвета, а резкие скачки яркости рядом расположенных пикселей, которые опять-таки искажают исходное изображение.
Шум фиксированного распределения ослабляется при переходе на короткие выдержки и уменьшении нагрева камеры. Однако такие идеальные условия мало достижимы, поэтому полезным оказывается ключевая особенность шума фиксированного распределения – его повторяемость при одинаковых условиях. Если при каждой экспозиции температура матрицы и длительность выдержки будут одними и теми же, паразитный ток и фототок каждого пикселя тоже будут повторяться. Таким образом, если сразу после фотографирования объекта снять так называемый тёмный кадр (dark frame) с закрытым крышкой объективом, то в результате образуется «маска» из раскиданных на чёрном фоне пикселей различной яркости. Эта маска затем используется для изъятия шума фиксированного распределения из снятого кадра. Данный метод оказался настолько эффективным, что послужил базой для системы шумоподавления с помощью тёмного кадра (dark frame noise reduction). Такой системой оснащается большинство современных любительских камер. При её использовании фотоаппарат сначала делает обычный снимок, а затем при закрытом затворе считывает маску, полученную с той же выдержкой.
В большинстве реализаций данной системы шумоподавления при слишком высоком уровне паразитного заряда конкретного пикселя камера считает недостоверным значение его фототока и исключает его из процесса формирования кадра. «Выбитые» таким образом элементы матрицы заменяются интерполированными значениями соседних пикселей, поэтому при избыточном количестве «горячих» пикселей изображение становится «акварельным» – слишком много в нём появляется размытых деталей.
Ещё более «размытым» становится изображение, в котором шум подавляется без использования «тёмного кадра», – программное обеспечение фотоаппарата производит «сглаживание» яркости пикселей, слишком отличающихся от «соседей». Очевидно, что при таком подходе не могут не пострадать мелкие контрастные участки светового изображения, от которых в первую очередь зависит чёткость снимка.
Причиной шума, помимо конструкции ПЗС-элемента, является также способ регистрации цвета, используемый в большинстве цифровых фотокамер. Поскольку ПЗС-элемент может зарегистрировать яркость точки изображения, сформированного объективом, но не его цвет, каждый пиксель снабжается индивидуальным светофильтром (красным, синим либо зелёным) и регистрирует только один из основных цветов. После считывания фототоков для каждого пикселя производится интерполяция двух остальных основных цветов, результатом чего является полноцветное изображение (подробнее об этом будет рассказано в следующей части).
Из-за особенностей восстановления полноцветного изображения в снимке нередко появляется так называемый жёлтый шум. От обычного цветового шума он отличается не хаотичным, а регулярным расположением крапинок жёлтого цвета, при этом шумоподавление с помощью тёмного кадра не помогает избавиться от него. Дело в том, что жёлтый шум возникает при специфических условиях освещения – при использовании светильников, излучение которых имеет смещённый спектральный состав. Например, в спектре ламп накаливания «синие» фотоны представлены крайне скромно. Если в краевых областях видимого участка спектра чувствительность ПЗС-матрицы понижена, то покрытые синими светофильтрами пиксели матрицы (и без того недостаточно качественно регистрирующие фотоны с требуемой длиной волны) при освещении лампами накаливания просто не в состоянии накопить заряд, адекватно описывающий яркость соответствующей точки светового изображения.
В итоге при расчёте полноцветного изображения в точках, соответствующих «синим» пикселям, имеется избыток красной и зелёной составляющих и недостаток синей. Следствием этого является пожелтение восстанавливаемого цвета в указанных точках, и чем ближе данный цвет к нейтральному (белый либо оттенки серого), тем заметнее будет искажение. Поскольку восстановить синюю составляющую из ничего невозможно, единственным способом борьбы с жёлтым шумом является улучшение спектральной чувствительности ПЗС-матрицы.
✅ Наглядный пример влияния ISO на фотографию
Чтобы не быть голословным предлагаю воочию ознакомиться с примерами снимков. Все они были получены на фотоаппарат Canon EOS 5D Mark IV.
Вторая часть статьи, посвящённой ПЗС-матрицам, описывала конструкцию как отдельного пикселя, так и всего устройства в целом. Данный текст содержит сведения о том, какое влияние на процесс съёмки оказывают материалы и технологии, использованные при производстве сенсора.
Итак, читатель ознакомился со структурой прибора с зарядовой связью и регистрирующего устройства (то есть ПЗС-матрицы), построенного из массива таких приборов. Ему понятно, что при прочих равных условиях полнокадровая матрица должна иметь более высокую чувствительность, чем устройство с буферизацией столбцов. Так же очевидно, что при повышении разрешения должен сужаться динамический диапазон и снижаться чувствительность.
Однако в действительности оба эти правила выполняются далеко не всегда. Чтобы разобраться в причине этого явления, необходимо более детально ознакомиться с процессами, протекающими внутри пикселей.
Резюме
ISO – самый простой из трёх параметров экспозиции, но следует потренироваться в работе с ним. Ведь экспозиция – это как весы с тремя чашами. Для грамотной съёмки необходимо уравновесить все три параметра: выдержку, диафрагму и светочувствительность.
В вопросе уже есть ответ. Светочувствительность - чувствительность к свету. больше и меньше.
В цифровых фотоаппаратах - чувствительность матрицы к свету.
В пленочных фотоаппаратах - чувствительность пленки к свету.
Малая чувствительность 100 ISO (исо). Большее поднимается до 100 000 ISO.
В любительских камерах значения исо: 100, 200, 400, 800, 1600. Чаще намного стали для любительских камер делать и выше: 2400, 3200, 6400, 12800.
В профессиональных камерах, все чаще можно минимальное значение встретить не 100, а 80 и даже 50.
И также есть помежуточные значения, такие как 250, 300, 500 и т.д.
Ничего не поняли? Еще проще? ) Ну попробую:
Ночью просыпаетесь? Или утром, кода в комнате еще темно и на улице темно. Встаете ничего не видите. Или когда резко входите в темное помещение. Также ничего не видите. Но зайдя в темное помещение, проходит несколько секунд и начинаете различать детали интерьера и т.д. И порой уже спокойно орентируетесь в помещении в темноте. Просто ваш глаз стал чувствительнее. Благодаря этому, вы видите в темноте.
Другой пример, хоть и похожий:
Выходите с темной квартиры, особенно летом на улицу. А на улице очень яркий солнечный свет. И вы снова ничего не видите. Перед вами все белое. Но проходит также несколько секунд и становится легче. Снова начинаете понемногу различать цвета, архитектуру и т.д. Ваш глаз адаптировался под свет. Хоть в данном случае, хорошо бы этот пример обьяснил закрытие диафрагмы в обьективе. Но об этом тоже позднее.
Также и матрица в фотоаппарате. Чувствительность .ISO.
При минимальном значении 50 - 200 вы спокойно можете снимать в яркий солнечный день.
При максимальных значениях (в разных фотоаппаратах свои максимальные ISO) такие как 1600, 2400, 3200, 6400, 12800 и т.д. вплоть до 100 000, вы можете снимать ночью и в слабо освещенных помещениях.
Но вот проблема. И производители фотоаппаратов усердно стараются бороться с ней. При высоких ISO, от 1600 и выше, вылезает шум в кадре, что сильно портит качество картинки. И чем выше исо, тем шума больше. С этим производители и пытаются бороться. Они стараются, чтобы на очень высоких значениях исо, шум свести к минимуму, а в идеале - убрать его полностью.
В любительских камерах, дешевых камерах, шум лезет очень хорошо, а в профессиональных дорогих камерах, над ним борются.
Расширенное ISO
Если регулировать ISO в сторону уменьшения или увеличения, рано или поздно вы наткнётесь на так называемые расширенные значения ISO. На камере они отображаются как Lo (пониженные значения) или Hi (повышенные). Их в фотоаппарате получают программно. К примеру, в случае повышенных значений Hi съёмка на самом деле ведётся на максимальном «числовом» ISO, а далее процессор делает картинку светлее. При этом цифровой шум на фото становится более заметным, ведь яркость снимка повышается.
В случае использования пониженных значений немного теряется информация в светлых участках, что может привести к появлению переэкспонированных зон на снимке или же к снижению запаса информации в светлых участках при обработке RAW.
Примерные значения для разных условий
Не бывает оптимальных значений светочувствительности для тех или иных условий съёмки. Но чтобы облегчить работу новичкам, приведём небольшую шпаргалку.
Предположим, вы гуляете с фотокамерой без штатива, при этом не снимаете динамику. В руках камера с универсальным «китовым» объективом, и снимаете вы при значении диафрагмы в районе F5.6. Чтобы выдержка была подходящей для съёмки с рук, выбирайте такие значения:
- ISO 100–200 — солнечный день ;
- ISO 200–400 — пасмурный день;
- ISO 400–800 — вечер;
- ISO 800–1600 — съёмка в хорошо освещённом помещении, при свете от окна (за которым день);
- ISO 1600–3200 — ночной город, яркая городская иллюминация;
- ISO 3200-6400 — комнатное освещение.
NIKON D810 / 28.0-300.0 mm f/3.5-5.6 УСТАНОВКИ: ISO 500, F5.6, 1/160 с, 300.0 мм экв.
Но лучше отталкиваться от ваших условий съёмки и смотреть, какая получается выдержка при выбранном ISO. Если выдержка длиннее 1/60, стоит поднять ISO, ведь длинные выдержки — это почти гарантированный смаз на фото.
На зеркальных и беззеркальных камерах Nikon для настройки ISO необходимо нажать соответствующую кнопку и, не отпуская её, покрутить заднее колёсико. На дисплее будет отображаться выбранное значение.
На камерах с двумя колёсиками регулировки параметров очень удобно включается и отключается функция Авто-ISO. Достаточно при нажатой кнопке ISO покрутить переднее колёсико. И не надо каждый раз заходить в меню!
Что такое цифровой шум
Цифровой шум – это помехи, возникающие при повышении светочувствительности. Они есть в той или иной мере всегда, но на минимальном ISO практически незаметны. Уровень цифрового шума на разных камерах отличается.
Закономерность простая: чем крупнее и современнее матрица, тем меньше цифрового шума. Полнокадровые матрицы и сенсоры формата DX (APS-C) сегодня «шумят» так незначительно, что качественные снимки можно получать и на ISO 1600–3200, тогда как сильно «кропнутые» матрицы компактов, смартфонов и устройств, выпущенных в прошлом десятилетии, выдают уже практически нерабочую картинку. Это связано с тем, что на большой площади матрицы каждый светочувствительный пиксель можно сделать крупнее, и работать он будет лучше. Кстати, по той же причине матрицы с большим разрешением «шумят» несколько сильнее, чем аналогичные матрицы с меньшим числом мегапикселей.
В любую современную камеру встроены инструменты шумоподавления, и оно производится на всех этапах создания снимка. Мы можем управлять им во время внутрикамерной обработки и сохранения кадра. Процессор фотоаппарата размывает «зернистую» структуру цифрового шума, сглаживая картинку. Такое шумоподавление активируется в меню, оно работает только для JPEG. Но это может привести к потере мелких деталей, однако если вы снимаете в JPEG и хотите сразу получать качественные кадры, включите эту полезную функцию. При съёмке в RAW шумоподавление можно осуществить инструментами RAW-конвертера.
Зачем и как повышают ISO
Светочувствительность поднимают только для сокращения выдержки при съёмке.
При съёмке неподвижной сцены от выдержки мы не зависим. Со штативом всегда можно снимать на минимальном ISO.
NIKON D850 / Sigma 50mm F1.4 DG HSM | A (Nikon F) УСТАНОВКИ: ISO 1600, F2, 1/100 с, 50.0 мм экв.
Но что если нужно запечатлеть динамику при слабом вечернем освещении? Фотографируя на очень низком ISO, выдержку придётся ставить (вам или автоматике) слишком длинную — объект смажется. Поэтому для начала стоит выбрать подходящую для съёмки выдержку — достаточно короткую для динамики. С диафрагмой определиться проще: её настраивают исходя из того, насколько большая нужна глубина резкости, а при слабом освещении её можно открыть пошире в тех же целях, для которых поднимаем ISO — сократить выдержку.
Пришлось поднять ISO, чтобы можно было снимать на достаточно короткой выдержке, иначе птица смазалась бы из-за собственных движений и тряски камеры с телеобъективом в руках.
Так что просто поднимем ISO до того значения, при котором мы будем получать яркий кадр на подходящей нам выдержке. Вот и всё. В остальных сюжетах это работает так же: отталкиваясь от необходимой выдержки, настраиваем подходящую светочувствительность.
Это же правило работает и при съёмке звёздного неба. Звёзды по небу движутся, и мы просто подбираем подходящую выдержку, на которой небо будет достаточно чётким. В нашем случае это 25 секунд. Далее под эту выдержку подбираем диафрагму и ISO.
Впрок ISO не повышают, ведь чем оно выше, тем больше цифрового шума. Важно найти баланс между подходящей для нашего сюжета выдержкой и значением светочувствительности.
NIKON D850 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 64, F14, 60 с, 18.0 мм экв.
Итак, алгоритм работы с ISO очень простой. Сначала нужно определиться со значениями выдержки и диафрагмы, а после подобрать под них светочувствительность, чтобы кадр был достаточно ярким.
Съёмка велась со штатива, так что время выдержки определял единственный движущийся объект на снимке — воздушный шар. Сначала я установил выдержку и диафрагму для данного сюжета, а потом подобрал оптимальное ISO.
Авто-ISO
ISO на практике – самый простой и «технический» параметр экспозиции. Судите сами: выдержка отвечает не только за яркость изображения, но и за передачу движения на снимке; диафрагма ответственна как за яркость, так и за глубину резкости, степень размытия фона. А вот ISO само по себе отвечает только за экспозицию снимка и, как следствие, уровень цифрового шума. Поэтому из всех трёх параметров экспозиции ISO – первый претендент на то, чтобы им управляла автоматика. Для этого во всех современных камерах есть функция Авто-ISO. Работает она адекватно и предсказуемо, главное – разобраться в нескольких простых пунктах настройки.
Авто-ISO – полезнейший инструмент, отключать который стоит, пожалуй, только в двух случаях: при съёмке со штатива (там фотограф сам вдумчиво может настроить экспозицию) и при работе в студии с импульсным светом, где любая автоматика мешает съёмке.
Немного о техническом прогрессе
Вернёмся к тезисам, упомянутым в начале статьи: всегда ли повышение разрешения неизбежно ведёт к сужению динамического диапазона и снижению чувствительности? Если сравнить снимки, сделанные двухмегапиксельной камерой образца 1999 года (с ПЗС-матрицей формфактора «1/2 дюйма»), с фотографиями, снятыми семимегапиксельным фотоаппаратом 2004 года (с ПЗС-матрицей формфактора «1/1,8 дюйма»), то результат будет отнюдь не в пользу «ветерана». Кадры, отснятые более новой моделью, будут выгодно отличаться не только более детальным (из-за возросшего разрешения) изображением, но и меньшим уровнем цветового, яркостного и жёлтого шума, а также более широким динамическим диапазоном.
Вызвано это тем же, чем и постоянный рост производительности процессоров при сохранении ими прежних габаритов, то есть регулярным переходом на новую технологию производства. В процессорах используются все более миниатюрные транзисторы, что требует повышения чистоты используемых материалов и уменьшения потребляемых токов. В ПЗС-матрицах это ведёт к уменьшению элементов обвязки и снижению уровня паразитных зарядов.
Однако далеко не всегда повышение разрешения сопровождается переходом на новый уровень технологий. В этом случае все перечисленные в данном тексте негативные эффекты многократно усиливаются, значительно искажая «электронный негатив». Более того, нередко производители ПЗС-матриц, вместо того чтобы кропотливо улучшать технологию, начинают полностью менять конструкцию сенсора. В большинстве случаев это сопровождается шумной рекламной кампанией и, к сожалению, практически никогда не ведёт к реальному улучшению параметров изображения. Более подробно об этом будет рассказано в следующих частях.
Светочувствительность — один из трёх параметров экспозиции. Она характеризует чувствительность матрицы камеры или фотоплёнки к свету: чем выше показатель, тем меньше света нужно для получения правильно проэкспонированного снимка. При повышении или понижении этого параметра в ручном режиме (М) можно напрямую регулировать яркость изображения.
NIKON D850 / 70.0-300.0 mm f/4.5-5.6 УСТАНОВКИ: ISO 64, F7.1, 20 с, 250.0 мм экв.
Светочувствительность выражается в условных единицах ISO, которые использовались ещё в плёночной фотографии.
Не путайте светочувствительность и светосилу! Светосила — характеристика объектива.
Плёнка ISO 100 была рассчитана на дневную съёмку, а ISO 400 позволяла эффективно снимать в помещении. Чем выше показатель ISO, тем выше чувствительность плёнки к свету. Сменить светочувствительность на плёночном фотоаппарате можно было одним способом: вынуть кассету и вставить другую. В цифровой фотографии всё проще: ISO регулируется нажатием одной кнопки. А ещё можно отдать этот параметр под управление автоматики.
Технически в цифровой фотографии изменение ISO реализовано совсем по-другому. Чувствительность самих пикселей-датчиков не меняется при повышении параметра. Картинка становится ярче из-за усиления электрических сигналов матрицы и за счёт алгоритмов преобразования аналогового сигнала в цифровой.
NIKON D850 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 64, F14, 100 с, 18.0 мм экв.
Читайте также: