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.

Ćwiczenie

Wykonaj zdjęcia porównawcze przy tej samej wysokiej czułości (od ISO 800 wzwyż), jedno przy
dobrym oświetleniu (np. w dzień), drugie w oświetleniu słabym (np. wieczorem, we wnętrzu).
Porównaj rezultaty. Na którym zdjęciu szumy są bardziej widoczne? Na którym bardziej
przeszkadzają?

Tekst: Łukasz Kasperczyk
Zdjęcia: Krystian Bielatowicz