Zaj a digitális fényképezésben

Öröm nézni, ahogy egymás torkának esnek emberek a fórumokon a digitális fényképezőgépek által készített képeken látható zaj miatt. Repkednek a válogatottabbnál válogatottabb kifejezések. Van, aki szerint a zaj teljes hiánya lenne az ideális állapot, van azonban aki azt mondja, hogy a zaj ugyanúgy hozzátartozik a képhez mint a színek vagy a formák. Ez utóbbi megállapításban lehet valami. Érdekes, ha a TV-ben filmet néz az ember, akkor elsőre meg tudja mondani, hogy azt a műsort valóban filmre forgatták, tisztán videóra vagy esetleg videóra és utólag adtak hozzá "film graint". Az előbbi valahogy kellemesebb a szemnek, pedig minden esetben ugyanazzal a felbontással van dolgunk. (Csak az előbbinél a film szemcsézettsége valahogy mégis csak átjön)

No de kicsit messzire kanyarodtam az eredeti témától. Nevezetesen a digitális fényképezés és a zaj kérdésétől. Ahhoz, hogy megértsük a dolgot, kezdjük a kályhától.

Miért van, honnan is ered a zaj a digitális fényképeken.

A digitális fényképezőgépek érzékelőinek alapvető építőeleme a photosite. A szenzornak ezen része érzékeli valójában a fényt. Minden pixelre legalább egy photosite jut (van ahol kettő). Ezek az elemi egységek a fényt olyan módon érzékelik, hogy az expozíció ideje alatt rájuk eső fotonokat elektronokká (töltéssé) alakítják. Ez a töltés az expozíció ideje alatt halmozódik fel és megőrződik az expozíció után. Ha az expozíció befejeződött, akkor minden egyes photosite töltését megmérik, majd a mért értéket digitális értékké alakítják (digitalizálják). Ezt a mérési folyamatot nevezzük kiolvasásnak.

A digitális fényképezőgépekben kétfajta érzékelő terjedt el. A CCD és a CMOS. Ezek az érzékelő típusok működésükben jelentősen eltérnek egymástól.

A CCD érzékelő esetén az egyes photosite-ok töltése a kiolvasás folyamán "végigcsorog" az érzékelő egyik szélére, ahol az erősítés és mérés történik. Emiatt a CCD kiolvasása maximum soronként (vagy oszloponként, attól függ, honnan nézzük) történhet. Viszont az egyazon kiolvasási sorba tarozó photosite-ok mindegyikének töltését ugyanaz az áramkör erősíti és méri.

A CCD esetében a kiolvasó áramkörök a photosite-ok felett helyezkednek el, és részben eltakarják azokat, azaz a beeső fény egy része nem jut hozzájuk. Ennek a problémának a kiküszöbölésére két módszert találtak. Az egyik esetben a CCD chip elkészülte után a hordozó réteget elvékonyítják és az érzékelőt a hátára fordítva szerelik be, azaz a fény a CCD chip hátoldala felől jut be a photosite-okba. Ezeket a "hátulról megvilágított" CCD-ket általában a nagyon drága kamerákban találhatjuk meg. A másik technika a sokat emlegetett mikrolencse, amikor az egyes photosite-ok és a hozzá tartozó kiolvasó áramkörök felett kialakított lencsékkel a fényt a photosite-hoz irányítják.

A CMOS szenzorokban minden egyes photosite saját kiolvasó erősítővel rendelkezik. Emiatt a szenzor területének jelentős részét - akár csak a CCD esetén - ezek a kiolvasó áramkörök foglalják el. Azonban az elfoglalt terület a CMOS szenzoroknál jóval nagyobb, mint a CCD-k esetében. Emiatt a mikrolencsés módszert általánosan használják ennek a problémának a kiküszöbölésére.

A zaj forrásai

A digitális fényképezőgépekkel készített képek zaja több különböző forrásból ered:

• Sötét Zaj: A Sötét Zaj (Dark Noise) a szenzorban (pontosabban a szilícium-szilíciumdioxid átmeneteknél) a hőtől keletkezett szabad elektronok felhalmozódása a szenzor photosita-jaiban. Ez jellegzetes "grízes" zajként jelentkezik a képen. Az ehhez kapcsolódó kifejezés még a "dark current", amely ezeknek az elektronoknak a keletkezési sebességét jelenti.
• Kiolvasási zaj (Bias Noise): Ahhoz hogy képet alkossunk a szenzor photosite-jaiban tárolt töltésekből, minden egyes photosite töltését meg kell mérni és a mért értéket digitalizálni kell. Ez a mérés a szenzor kiolvasási folyamatának része. Azonban az eljárás távolról sem tökéletes. Az egyes photosite-ok töltése túlságosan kicsi ahhoz, hogy erősítés nélkül meg lehessen mérni, és ez az erősítés a probléma (zaj) forrása. A kiolvasást végző erősítők valamennyi zajt elengedhetetlenül hozzáadnak a photosite által tárolt és általuk felerősített töltéshez.
• Foton zaj: A foton zajt a szenzorra érkező fotonok egyenetlen "érkezési ideje" okozza. Ha a fotonok konstans rátában érkeznének, (mintha csak egy szállítószalag szállítaná őket a photosite-okba) akkor nem lenne foton zaj. Azonban a valóságban a fotonok rendszertelenül érkeznek. Az egyik photosite elég szerencsés ahhoz, hogy az expozíció ideje alatt 100 foton találja el, addig előfordulhat, hogy a mellette lévőt, ugyanazon idő alatt csak 80 foton éri el. Ha egy egyenletesen megvilágított felületet fényképezünk, akkor a foton zaj, a szomszédjához viszonyítva, rendellenesen sötét pixelek formájában jelentkezik.
• Véletlen zaj: Az előbbi három okon felüli zajt általában a fényképezőgép elektronikájában fellépő feszültség vagy áramingadozások, elektromágneses interferencia és még sok más tényező okozhatja. A véletlen zaj képről képre más és más. Azonban bármi is okozza, általában elenyészően kicsi.

A valódi zajforrásokon felül további pszeudo-zajt okozhat az egyes photosite-ok eltérő érzékenysége, vagy a szenzorra rakódó por, kosz által okozott árnyék. Azonban ezt a fajta áll-zajt a DSLR gépek legtöbbjében jól kezelik. (És a szenzor tisztításról is esett már pár szó.)

Végül pedig ha a kozmikus háttérsugárzásból származó nagyenergiájú részecske éri a szenzort az expozíció során, akkor az fényesen világító pixel vagy sáv formájában jelenik meg. Bár ez zajnak látszik, igazából a szenzor normál működésének tekinthető. (Tenni egyébként sem tudunk ellene sokat.)

A foton, sötét és kiolvasási zaj jellemzői

A foton zaj pszeudo-véletlen szerű, képről képre változik. Az expozíció után gyakorlatilag semmit nem tehetünk a foton zajjal. Azonban érdemes szem előtt tartani, hogy a ez a fajta zaj szignifikáns lehet rövid záridő, gyenge megvilágítás és/vagy nagy jelerősítés (magas ISO) esetén. Azaz a foton zaj láthatóságát jelentősen csökkenthetjük hosszabb expozíciós idővel, fényesebb megvilágítással és alacsony ISO beállítással.

A sötét zaj mennyisége egyenesen arányos az expozíciós idővel, azaz kétszeres hosszúságú expozíció alatt nagyjából megkétszereződik a zaj mennyisége is. Emiatt a digitális fényképezőgépekkel készített hosszú expozíciós idejű képek, mindig is problémásak voltak. A sötét zaj jellemzői azonban lehetővé tesznek egy egyszerű megoldást.

A sötét zajt a hő által generált elektronok okozzák, azaz a szenzor hőmérséklete jelentősen befolyásolja a képekre kerülő sötét zaj mennyiségét. Minél magasabb a szenzor hőmérséklete, annál több lesz a zaj. A különböző szenzorok eltérően viselkednek, de általánosságban elmondható, hogy a szenzor hőmérsékletének 6-10 fokos emelése megkétszerezi a zaj mennyiségét. (Bár a hő/zaj összefüggés nem lineáris, ökölszabálynak elfogadható az előbbi megállapítás.)

A sötét zaj nem véletlenszerű, gyakorlatilag egy adott photosite pontosan ugyanannyi sötét zajt fog összeszedni minden egyes expozíciónál. Feltéve, hogy a hőmérséklet és az expozíciós idő nem változik. Ebből adódóan a sötét zaj kiküszöbölésére a DSLR kamerákban (és egyes Bridge gépekben is) a "dark frame" módszert alkalmazzák. Amikor is egy hosszabb expozíció után egy megegyező hosszúságú fekete képet (a zárat nem kinyitva) exponálunk. A második "fekete" kép csak az adott expozícióra jellemző fekete zajt fogja tartalmazni, amit egyszerűen kivonunk az első expozícióból. Sajnos ha a kivonást nem tesszük meg a fényképezőgépen belül, akkor a módszer hatékonysága jelentősen csökken, mivel a feldolgozott képeken (demosaic, jpg) a képtartalomtól függően megváltozik a zaj karakterisztikája. Egyetlen olyan programról tudok, amely képes a dark frame kivonását a nyers (RAW) képen elvégezni (még a demosaic előtt). Ez az Iris nevű ingyenes, digitális csillagászati fényképezést támogató alkalmazás.

A kiolvasási zaj szintén állandó és mivel a szenzor kiolvasása során keletkezik, nem függ az expozíciós időtől vagy a hőmérséklettől. Az egyetlen tényező amitől befolyásolja az a kiolvasáskor alkalmazott erősítés mértéke (név szerint az ISO beállítás). ÿltalánosságban elmondható, hogy kétszeres erősítés kétszeres mennyiségű zajt generál. (Ebből következik hogy, alacsony ISO == kis kiolvasási zaj)

Egy adott ISO beállítás mellet készült képen megjelenő kiolvasási zaj mennyisége és eloszlása állandó, az adott fényképezőgépre jellemző. Ezt használják ki a különböző zajszűrő programok, amikor az adott kamerára jellemző zajprofilokat alkalmazva szűrik ki a képen lévő zajt. Általános profilok használata helyett azonban jobb eredményeket érhetünk el, ha a saját gépünk különböző ISO beállításaihoz tartozó zajprofilt elkészítjük.