A zaj nem is a fényképezőgépben van. A foton-zaj - 1.

Fotográfiában a zaj nem jó, vagy rossz, hanem olyan amilyen. De legalább lehet vele számolni. Közhely, hogy a digitális fotográfiában többnyire környezetéből kiugró fényességértékű (sötétebb vagy világosabb) pixelként jelentkezik ott, ahol homogén felületet várnánk. Persze ez leginkább (vannak kivételek, pl. hot pixel) a sötétebb zónákban fordul elő és a hasznos jel értelmezhetőségét rontja le, vagyis a sötét részletek belebukhatnak a zajba. A DXOMark egyik megfogalmazása szerint a dinamika pont a szaturáltsági megvilágítás és az a megvilágítás aránya, amelyiken a jel/zaj arány  belebukik a zajba,  lehet, hogy csak rosszul fordítottam. A kész JPEG kép már annyi feldolgozáson esett át, hogy az egyes zajforrásokat nehéz rajta egymástól elkülöníteni. Ez a domain a demozaikolatlan nyers képeken elemezhető, és ott sem egy sétagalopp. Nem is fogunk túl mélyen belemenni, mert a mindennapi fotográfiában nincs akkora nagy jelentősége, mint az egyes alkalmazott fotográfiai ágazatokban (leginkább asztrofotó, mikrofotó, meg ilyenek). A sokféle lehetséges zajforrásokból ma kifejezetten a foton zajt próbáljuk megérteni.

Forrás

A photon noise, shot noise (a fotonágyú miatt), Poisson noise (az eloszlás miatt), Schottky noise (a felfedezőjéről), jelfüggő, kevés fényben hangsúlyosabb a hatása. Ha speciel nem kutatsz utána, nem fogsz kezdő fotós anyagokban belefutni. De azért magyar bloggerek is írtak már róla. Kifejezetten asztrofotósok játéka, de nem a star-trail divat-timelapseseké, akik inkább művészek, mint tudósok, hanem az igazi csillagászoknak, akik alacsony megvilágítás mellett, sokszor pixel-nagyságrendű objektumokkal kell dolgozniuk, ahol a zaj nem pusztán esztétikai tényező, hanem mondjuk egy egész galaxist takarhat. Pattern nélküli fehér zaj, kifejezetten random eloszlású, ami szerencsére nem idegesít annyira, mint a textúrázott pattern zajok. A wiki szerint nem függ a hullámhossztól sem. 

Na mit szóltok, gyakorlatilag egy kvantumszámlálónk van fényképezőgép kasztniban. Persze aki nem a fizika csecsén nevelkedett azt hiheti, hogy a fényképen a zaj a töketlen mérnökök, olcsó anyagok, esetleg béna fotós miatt keletkeznek. Pedig egyik (leg)jelentős(ebb) zajforrás nem is a kamerából jön. A fény, bár nem látszik, attól még kvantumosan viselkedik. Mármint a fény az látszik - érted - a kvantumosság nem látszik.* Na mindegy, a fotonok érkezése/nem érkezése egymástól független esemény,  egy valószínűségi eloszlás mentén történik. Erre a pénzfeldobást szokták példaként emlegetni, pár dobás esetén még durva aránytalanság lehetséges, pl. 7 fej/3 írás, de a dobások számával egyre kevesebb a fej/írás különbsége (átlaghoz közelít).  A képlet szerint a jel/zaj arány SNR=N/sqrt(N), ahol N az egyes események száma (pl. fotonbecsapódás). A SignNoiseRatio azt mutatja meg tehát, mennyire jól mértünk meg valamit. Minél jobb az arány, annál tutibb a mérés, ezért törekszünk magasan tartani ezt a számot.

A D5000 Sensorgen adatai 

A NikonD5000 pixele kb. 28284 elektront képes összegyűjteni (FWC). Ha majdnem szaturáltra exponálunk egy ilyen pixelt, akkor az SNR=28000/sqrt(28000)=167.33, egy világos homogén képrészletben (jegesmedve tejszínhabbal) az egyes pixelekben 27833-28167 között bármennyi elektron lehet, nyilván szélső értékek ritkábban fordulnak elő, haranggörbe eloszlás szerint. Ha csak tizedéig exponáljuk (kb. -3EV), mondjuk középszürkének, akkor 2800/sqrt(2800)=52,9. 2748-2852 között bármennyi elektronunk lehet egy pixelben. Az előző esetben, bár számszerűen több a zaj, a jel is jobban dominál, tehát jobb a jel/zaj arány. Míg -6EV esetén az SNR=400/sqrt(400)=20, ami teljesen kiexponált pixel SNR-jének csak 10 százaléka. 

Forrás Na jó itt hatvanezres a FWC, mi csórók vagyunk a D5000-el.
Annak a 2-3 olvasónak nem rajzolok sajátot :)

Gyakorlatilag minél világosabbra exponáljuk a pixelünket, a shot noisenak annál kevésbé van hatása a képre. Emiatt észleljük ezt a zajt a sötétebb zónákban. Szóval ez az a zajtényező, amelyiket nem lehet "jobb" géppel kicselezni.
Valójában lehet, pl. APSC helyett fullframe, úgyhogy megint nem a jók, szépek és okosok, hanem a  gazdagok járnak jól, mert a kvantumfizika is az ők pártjukat fogja. Egy fullframe lapka illetve egy APSC lapka is ugyanazt a fényességű képet kell létrehozza, ugyanannyi idő alatt, ugyanakkora átmérőjű rekeszen át. Viszont a fullframe sokkal nagyobb felületen kapja az ehhez való fényt, akár 100000 elektronos is lehet a szaturációs szintje. Ugyanakkor a lapkák paraméterei ennél komplexebbek azért, arányaiban ezt a különbséget még sok minden árnyalja a képeinken.

Magyarul: jobbra exponálással lehet küzdeni ellene, tágabb rekesszel vagy hosszabb idővel. Az ISO gain egyértelműen rossz hatással van rá, tehát egyes kollégák véleményével, hogy az ISO növelése nem okoz zajosodást, nem értünk teljesen egyet, inkább egy klikkvadász kijelentésnek tartjuk. Ugyanis az ISO gain, bár a jel/zaj arányt nem változtatja, de mivel kisebb full well capacityből erősít (kisebb dinamika - lásd DXOMark megfogalmazás), ezért jobban érvényesül ez a típusú zaj (persze vannak más zajtípusok is, amire jó az ISO növelése).

Pl. amíg a D5000 ISO 100-n 28000 elektronnál szaturálódik, addig ISO800-on ez már 6500 elektron körül megtörténik (lásd a táblázatban), és ezt fogja felerősíteni annyira, mintha ISO100-on hosszabb idővel, tágabb rekesszel, vakuval szaturáltattuk volna a pixelt. Csak ebben az esetben a zaj is felszorzódik. Így a teljesen szaturált pixel SNR-je ISO800-on olyan lesz, mint egy -3EV-vel alulexponált pixelé ISO100-on. 

* Házi módszerekkel elég nehéz megfogni ezt a témát, ugyanis a digitális kamera rengeteg más zajtípussal is terhelt. Egyes fotonok szelektív detektálására nem is nagyon tudnék példát, talán a Geiger-mérő gamma mérése, ha jó példa. 28 dollárért már vásárolható geiger-számláló-készlet, de nem olvastunk mélyebben utána, hogy gamma fotonokat detektál e. Ha valakinek van valami jó házi kísérlet-ötlete, mondjuk lézerrel, szívesen kipróbáljuk.

A szabadszemes észlelésről is társalkodtak már kollégák, például itt, ahol látással kapcsolatos érdekes kísérleteket is meghivatkoznak, mennyi fotonból mennyi az, ami valójában a pálcikákban elnyelődik, stb. Ugyanakkor, a kísérletek szerint igen kevés foton/ingerelt pálcikasejt képes már észlelést kelteni. Sajnos (szerencsére) a látás is igen komplex folyamat, eleve lassú (mozgásérzékelés), van benne kiolvasási zaj, deadpixel retus (vakfolt) és mindenféle intelligens zajszűrés, a content aware fillingről nem is beszélve, amit leginkább hullafáradtan sötétben észlelhetünk, pl. éjszakai autózás közben az elalvás határán. A megismerési vágytól hajtott kollégák azt is firtatták, talán valami pszichedelikus anyag segítene a szem RAW állományához hozzáférni, ebben tényleg van potenciál, de mi nem igazán hisszük, hogy objektív eredményre számíthatunk ezektől, viszont nem vagyunk neurobiológusok, sem szemészek.