plik

Szumy, czyli cyfrowe ziarno

Łukasz Kacperczyk

Skąd się biorą i jak ich unikać lub wykorzystać do swoich celów

Wstęp

Jedną z przewag fotografii cyfrowej nad analogową, przynajmniej jeśli chodzi o wygodę pracy, jest
możliwość zmiany czułości w trakcie robienia zdjęć bez konieczności zwijania rolki filmu w połowie i
zakładania nowej. Jedno zdjęcie możemy zrobić z czułością odpowiadającą ISO 100, kolejne z ISO 400,
a następne ponownie z ISO 100. Łatwość zmiany czułości prowokuje do korzystania z takich wartości
ISO, o jakich nie śniło nam się w czasach analoga. Filmy o czułościach rzędu ISO 800 czy ISO 1600
należały do rzadkości i dawały tak marne rezultaty, że niewiele osób w ogóle z nich korzystało.

Fotografując fajerwerki decydujemy się na długie czasy ekspozycji. Dlatego wysoka czułość nie jest
wskazana, ponieważ wiążę się z dużymi szumami.

Dziś ekwiwalent ISO 1600 dostępny jest w większości nawet prostych kompaktów. Jednak cyfra nie
uniezależniła nas od światła – wysokoczułe filmy srebrowe dużym ziarnem przyprawiają o zgrzytanie
zębów,  a  wysokie  czułości  w  cyfrówkach,  w  zamian  za  możliwość  zrobienia  zdjęcia,  zmuszają
fotografującego do pogodzenia się z szumami.

Co to takiego i skąd się bierze

Szumy widoczne przy wysokich czułościach to tzw. cyfrowe ziarno. Określenie to pojawiło się jeszcze
w  czasach  fotografii  analogowej,  w  której  oznaczało,  że  zdjęcie  składa  się  z  bardziej  lub  mniej
widocznych  kropek.  Im  wyższa  czułość  filmu  na  światło,  tym  większe  i  bardziej  wyraźne  kropki.
Powiększenie  ziarna  skutkuje  obniżeniem  rozdzielczości  obrazu,  rozumianej  jako  zdolność  do
rejestracji szczegółów.

W cyfrze rolę ziarna pełnią szumy, czyli zakłócenia obrazu. Objawiają się większymi lub mniejszymi (w
zależności od wybranej  czułości) kolorowymi punktami lub wręcz plamami. Matryce cyfrówek mają
jedną,  stałą  czułość  na  światło  –  zazwyczaj  w  okolicach  najniższej  wartości  ISO  oferowanej  przez
aparat.  Wszystkie  pozostałe  ekwiwalenty  czułości  są  osiągane  na  zasadzie  wzmacniania  sygnału  z
matrycy – im bardziej sygnał trzeba wzmocnić (przy wysokich czułościach), tym większe zakłócenia się
pojawiają, zupełnie jak we wzmacniaczach audio. Bardzo wiele zależy wtedy od jakości pierwotnego
sygnału, czyli od ilości światła przyjętego przez matrycę. Im mniej czysty sygnał wyjściowy, tym gorzej
wypadają rezultaty jego wzmacniania, ponieważ już na początku stosunek sygnału do szumu był nie
najlepszy.

I  tu  pojawia  się  kwestia  wielkości  przetwornika  obrazowego  i  liczby  punktów  światłoczułych.
Zakładając,  że  fizyczna  wielkość  matrycy  (czyli  jej  wymiary)  nie  zmienia  się,  wraz  ze  wzrostem
rozdzielczości  maleją  punkty  światłoczułe,  ponieważ  musimy  zmieścić  ich  więcej  na  tej  samej
powierzchni.  Dlatego,  jeśli  fizyczna  wielkość  sensora  pozostanie  taka  sama,  fotodiody  matrycy  6
megapikseli będą większe od fotodiod matrycy 10 megapikseli. A im większy punkt światłoczuły, tym
więcej światła jest w stanie zarejestrować i tym bardziej jest na to światło czuły.

To  dlatego  fizycznie  malutkie  matryce  w  kompaktach  cyfrowych  pod  względem  jakości  zdjęć  przy
wysokich  czułościach  nie  wytrzymują  konkurencji  z  dużymi  matrycami  lustrzanek.  Przy  najniższych
czułościach różnice są niezauważalne i zazwyczaj dotyczą aspektów innych niż szumy.

Natomiast  kiedy  wkraczamy  na  poziom  ekwiwalentu  ISO  400  i  wyżej,  zdjęcie  wykonane  lustrzanką
cyfrową  można  wskazać  bez  wahania.  Najwyższe  czułości  rzędu  ISO  800  lub  1600  w  kom-  paktach
należy  traktować  jako  ostatnią  deskę  ratunku,  kiedy  nie  ma  innego  sposobu  na  wykonanie  zdjęcia.
Zresztą  nawet  lustrzanki  dopiero  od  niedawna  oferują  sensowną  jakość  zdjęć  przy  najwyższych
czułościach. Oczywiście na najlepszej pozycji są tu lustrzanki cyfrowe o matrycy pełnoklatkowej (czyli
o  wymiarach  odpowiadających  klatce  filmu  24  ×  36  mm)  –  np.  Nikon  D3  oferujący  niezłe  rezultaty
nawet  przy  magicznej  czułości  ISO  6400.  Również  lustrzanki  o  najpopularniejszej  wielkości  matrycy
APS-C (Nikon oznacza ją symbolem DX, wymiary 23,6 × 15,8 mm) radzą sobie w ciemnościach o niebo
lepiej od kompaktów.

Kiedy przeszkadzają najbardziej?

Podstawowym  minusem  zaszumionych  zdjęć  wykonanych  przy  wysokich  czułościach  jest
wspomniane  już  cyfrowe  ziarno,  czyli  kolorowe  plamki.  W  skrajnych  przypadkach  przybierają  one
postać gęstej, barwnej kaszki, która zasnuwa obraz, eliminując większość szczegółów – wygląda to jak
obraz w źle dostrojonym telewizorze.

Jednak zacieranie detali i obniżenie rozdzielczości to nie jedyne minusy zaszumienia zdjęcia. Równie
irytujący  jest  ogólny  spadek  kontrastu  (zdjęcie  wygląda  na  wyprane),  który  często  jest  połączony  z
obniżeniem nasycenia kolorów. Co ciekawe, każdy aparat ma swoją charakterystykę i przy skrajnych
ustawieniach  ISO  zachowuje  się  w  specyficzny  sposób,  np.  nasycenie  barw  potrafi  się  zmieniać
selektywnie. Przy pewnych ustawieniach (innych czułościach) nagle jeden z kolorów niemalże znika –
na zdjęciu wykonanym przy ISO 800 jest, a na kolejnym, przy ISO 1600, zbliża się do szarości.

Wiemy  już,  że  im  fizycznie  mniejsza  matryca,  i  im  więcej  punktów  światłoczułych  musiał  na  niej
zmieścić  producent,  tym  większe  szumy  przy  czułościach  wyższych  niż  podstawowe.  Jednak  czy  te
różnice nie są przesadzone? Czy na pewno istnieją z tak prozaicznej przyczyny, jak fizyczne wymiary
przetwornika  obrazowego?  Aby  zrozumieć  kolosalną  różnicę  między  efektami  uzyskiwanymi  za
pomocą  cyfrowych  lustrzanek,  wystarczy  porównać  wymiary  sensorów  wykorzystywanych  w
aparatach kompaktowych.

Tradycyjnie  posłużę  się  przykładem  z  ogródka  Nikona.  Jeden  z  najwyższych  modeli  linii  Coolpix  –
oznaczony  symbolem  P5100  –  rejestruje  obrazy  za  pomocą  matrycy  w  rozmiarze  1/1,72  cala,  co
oznacza,  że  sensor  obrazowy  ma  wymiary  ok.  7,6  ×  5,7  mm.  Tymczasem  amatorska  lustrzanka
cyfrowa Nikon D60 jest wyposażona w matrycę formatu DX, czyli o wymiarach 23,6 × 15,8 mm. Jak
widać,  różnica  powierzchni  jest  ogromna.  Tym  większa,  że  Nikon  Coolpix  P5100  ma  na  matrycy  12
milionów  punktów  światłoczułych,  a  D60  10 mln.  Nie  dość,  że  fotodiody  są większe  ze  względu  na
różnicę  wymiarów  przetworników,  to  jeszcze  dochodzi  kwestia  mniejszej  liczby  komórek.  Nic
dziwnego, że zdjęcia wykonane tymi aparatami przy czułości ISO 800 są nieporównywalne.

Fotografując  fajerwerki  decydujemy  się  na  długie  czasy  ekspozycji.  Dlatego  wysoka  czułość  nie  jest
wskazana, ponieważ wiążę się z dużymi szumami.

Kiedy fotografujemy przy wysokich czułościach, niezwykle ważne jest właściwe naświetlenie zdjęcia.
Szumy pojawiają się najpierw na ciemnych obszarach, z których do matrycy dociera najmniej światła.
Dlatego też najważniejsze to postarać się, by do przetwornika obrazowego dotarła odpowiednia ilość
światła.  Nawet  najmniejsze  niedoświetlenie  zdjęcia  spotęguje  szumy  i  sprawi,  że  obraz  będzie
wyglądał źle – czasem ziarno pojawia się nawet na niedoświetlonych fotografiach wykonanych przy
najniższych czułościach.

Mimo  że  szumy  niekorzystnie  wpływają  na  oddawanie  szczegółów,  to  właśnie  zdjęcia  pełne
szczegółów mają szansę wyglądać lepiej przy wysokich czułościach. A to dlatego, że  cyfrowe ziarno
najłatwiej  zauważyć  na  gładkich  powierzchniach,  jednolitych  pla-  mach  barwnych,  na  których  kolor
przestaje być jednorodny i za- mienia się w masę kolorowych punkcików. Kiedy fotografujemy scenę
pełną szczegółów, niewielkie elementy składowe obrazu niejako maskują szumy.
Jak z nimi walczyć?

Jeśli nie fotografujemy akurat ruchomych obiektów, mocujemy aparat do statywu, ustawiamy niską
czułość  i  korzystamy  z  długiego  czasu  otwarcia  migawki.  Najsku-  teczniejszym  sposobem  na
uniknięcie  dużych  szumów  związanych  z  wysokimi  czułościami  jest  fotografowanie  przy  niskich
wartościach ISO. Czasem jednak nie ma wyjścia. Przede wszystkim należy wtedy zadbać o wła- ściwe
naświetlenie  zdjęcia,  ponieważ,  jak  już  wspomniałem,  niedoświetlenie  to  największy  sojusznik
szumów.  Warto  też  tak  kadrować  zdjęcia,  by  nie  było  na  nich  zbyt  wielu  gładkich  powierzchni,  na
których kolorowe plamki będą dobrze widoczne. Pamiętajmy też, że lepiej przy czułości ISO 800 lub
1600  zrobić  ziarniste  zdjęcie,  niż  nie  zrobić  go  w  ogóle.  W  pewnych  sytuacjach  liczy  się  przede
wszystkim  dokumentacyjny  aspekt  fotografii,  technika  i  estetyka  schodzą  na  dalszy  plan.  A  w
niektórych  przypadkach  szumy mogą  nawet  pozytywnie  wpłynąć  na  nastrój  zdjęcia  –  traktujemy  je
tak jak ziarno w czasach analoga.

Wykorzystywanie ziarna jako elementu budującego klimat zdjęcia sprawdza się zwłaszcza w fotografii
czarno-białej, np. podczas fotografowania w gęstej mgle, kiedy to odpowiednio pozbawione kolorów
szumy dodadzą kompozycji ciekawej faktury.

Kiedy  jednak  nie  możemy  zaakceptować  szumów  na  danym  zdjęciu,  a  jesteśmy  zmuszeni  do
skorzystania z wysokiej czułości, z pomocą przychodzi wbudowana w wiele aparatów funkcja redukcji
szumów. Jest to programowy filtr, który analizując ziarnistość obrazu, zmniejsza ją m.in. przez pewne
rozmycie  szczegółów.  Skuteczne  systemy  wprowadzają  niedużo  zmian,  ale  przy  najwyższych
czułościach  (zwłaszcza  w  kompaktach)  istnieje  ryzyko  wystąpienia  niepożądanego  efektu  akwareli.
Zdjęcie wygląda wtedy jakby zostało namalowane farbami wodnymi – jest nienaturalne, składa się z
gładkich  plamek  o  jednolitych  kolorach  i  jest  pozbawione  szczegółów  (patrz  ramka).  Jeśli  nie
zamierzamy obrabiać później zdjęć na komputerze i zdecydujemy się na oglądanie ich na ekranie lub
niewielkie wydruki, możemy bez obawy stosować redukcję szumów w aparacie.

W  celu  uchronienia  początkujących  użytkowników  sprzętu  przed  efektem  cyfrowego  ziarna,
producenci  ograniczają  zakres  czułości  dostępny  w  trybie  auto  ISO,  kiedy  to  aparat  sam  dobiera
czułość  w  zależności  od  poziomu  oświetlenia.  Zaawansowane  modele  pozwalają  fotografującemu
samodzielnie  ustalić  maksymalną  czułość  dostępną  w  tym  trybie,  dzięki  czemu  możemy  mieć
pewność, że zdjęcie nie przekroczy akceptowanego przez nas poziomu zaszumienia.

Ciągły  postęp  technologiczny  sprawia,  że  aparaty  cyfrowe  –  zarówno  lustrzanki,  jak  i  kompakty  –
coraz  lepiej  radzą  sobie  z  wysokimi  czułościami.  Nadal  jednak  producentom  sprzętu  nie  udało  się
wyeliminować  cyfrowego  ziarna.  Dlatego  tak  ważne  jest,  by  zrozumieć  zasadę  jego  powstawania  i
nauczyć się radzić sobie z nim lub, w niektórych sytuacjach, przeciągnąć na swoją stronę i zmusić do
współpracy.  Nie  ma  bowiem  takiej  “wady”,  której  nie  można  by  wykorzystać  w  świadomym
fotografowaniu. Ale to już temat na osobny artykuł.

Warto wiedzieć

Stosując funkcję redukcji szumów zdjęć wykonywanych przy wysokich czułościach, należy zastanowić
się,  jak  ważne  są  dla  nas  dane  fotografie.  Jeśli  zależy  nam  na  nich  na  tyle,  że  dopuszczamy myśl  o
późniejszej  komputerowej  obróbce,  najlepiej  wyłączyć  odszumianie  w  aparacie.  Istnieje  wiele
dedykowanych  rozwiązań  programowych,  które  dają  użytkownikowi  dużą  kontrolę  nad  całym
procesem i umożliwiają zachowanie większej  liczby szczegółów. Obraz odszumiony bezpośrednio w
aparacie może być pozbawiony detali, których nie uda się odzyskać.

Zaawansowane  aparaty  dają  użytkownikowi  możliwość  włączenia  i  wyłączenia  systemu  redukcji
szumów. W lustrzance Nikon D60 w menu znajdziemy krótkie wyjaśnienia dotyczące wybranej funkcji.

Warto widzieć

Użytkownicy cyfrówek mogą spotkać się z szumami nie tylko podczas fotografowania przy wysokich
czułościach. Zakłócenia obrazu pojawiają się też przy długich czasach ekspozycji (już od kilku sekund).
Są to zazwyczaj pojedyncze jasne plamki na ciemnym tle oraz rozjaśnione rogi kadru – w niektórych
aparatach jeden z nich, w innych dwa lub więcej. Powodem jest rozgrzewanie się matrycy aktywnej
przez dłuższą chwilę. Niektóre aparaty (np. Nikon D60 przy ekspozycjach od 8 s)  radzą sobie z tym
problemem w taki sposób, że zaraz po naświetleniu zdjęcia wykonują jeszcze jedno, przy zamkniętej
migawce  i  takim  samym  czasie  aktywności  sensora,  tworząc  w  ten  sposób  wzorzec  czerni,  który
następnie  porównują  ze  zdjęciem  i  programowo  eliminują  zakłócenia.  Czasem  ten  sposób
odszumiania  ma  swoją  osobną  pozycję  w  menu  –  jest  oddzielony  od  odszumiania  związanego  z
wysokimi czułościami. Informację na ten temat znajdziemy w instrukcji obsługi aparatu.