О «шумных высоких ISO»

Чем дальше в лес - тем толще!

Одним из самых распространенных заблуждений среди (цифровых) фотографов является такое:

Высокие ISO – шумные! Больше ISO – больше шум!

Это – очень вредное заблуждение (которое, в частности, загубило часть моих ночных кадров), типичный случай перестановки причины и следствия. Хуже всего то, что это заблуждение проникает во всякие фотографические курсы и ранит неокрепшие души фотографов-новичков.

Давайте разбираться на конкретных примерах.

Говорить о влиянии ISO имеет смысл, если мы зафиксировали остальные параметры, а именно:

• Снимаемую сцену и ее освещение, чтобы можно было нормально сравнивать
• Экспозицию (количество света, попадающего на сенсор/отдельный пиксель), а именно
  • Выдержку
  • Диафрагму

Обычно в тестах так не делают, вместо этого фиксируют сцену и освещение и начинают перемещаться по треугольнику экспозиции и, таким образом, путают естественный шум самого сигнала (о котором мы чуть подробнее поговорим позже) с шумами, создаваемыми камерой («за счет повышения ISO»). Мы эту ошибку повторять не будем.

В интернете уже есть приемлемо аккуратно снятые примеры и там уже все ясно без слов. Вот, к примеру, скриншот с DPReview (тест Canon 5D Mark IV, страница про ISO invariance, но я покликал по странице и загрузил тестовые файлики от Canon 6D, где разница видна получше):

(кликабельно)

Это 4 кадра одной сцены с одинаковой освещенностью, показан один и тот же фрагмент Color Checker, снятый с одной парой выдержка/диафрагма, но на разных ISO (и далее яркость приведена к одинаковой при процессинге). Как мы видим, чем выше ISO – тем меньше шум (при «прочих равных»!).

Совершенно аналогично ведет себя Sony A7S:

Да, ISO100 (+6 в конверторе) выглядит получше, чем у 6D, но это мы и так подозревали (мегапикселей поменьше, отдельный пиксель - покрупнее, ну и вообще шумит A7S тоже меньше 6D).

Справедливости ради: мы знаем, что изрядный вклад в шум вносит постпроцессинг (raw-конвертор или прошивка камеры). На скриншотах DPReview мы видим результаты этого процессинга, которые могут быть (мягко говоря) «не оптимизированы» для больших движений слайдера экспокоррекции.

Имеет смысл смотреть непосредственно на RAW-данные (при помощи RawDigger), например просто на стандартные отклонения на плоских плашках, благо все RAW-файлы доступны для скачивания.

Однако примеры с DPReview имеют два недостатка:

Сцена освещена недостаточно равномерно:

Это хорошо видно прямо в браузере, правый край светлее левого:

При анализе маленьких патчей (и их сравнении) это, скорее всего, неважно, но пуристы могли бы придраться.

Есть единственная экспозиция - вот эта претензия, по мне, важнее: мы можем посмотреть зависимость шума от ISO, но не можем зависимость шума от количества света.

Поэтому я попросил Илью Борга, благо у него все готово в студии для съемки мишеней, снять набор тестовых кадров. Вот таких:

Для проверки равномерности освещения, я накидал «самплов» (RawDigger-а) по верхнему краю колочекера (по рамке):

И вот как выглядят эти замеры:

Если смотреть, к примеру, на зеленый канал, то там разброс среднего от 1001 до 1099 т.е. +-5%, то есть чуть больше 1/15 фотографического стопа (можно было бы оценить, насколько такой разброс объясняется естественной дисперсией постоянного сигнала, но я не буду, точность в любом случае более чем достаточная)

В эксперименте 8 кадров:

• 4 пары с разной экспозицией, 1/50, 1/100, 1/200 и 1/400, f/5.6
• В каждой паре одно значение ISO «нормальное» (соответствует выбранной экспозиции и освещению), а второе – на 3 стопа ниже (т.е. будет – для этого ISO – три стопа недодержки).

Я взял самый темный квадратик на ColorChecker, расположил на нем Selection (RawDigger-а) и смотрю на сигнал и шум в синем (самом шумном) канале:

Отношение среднего значения (Avg) к стандартному отклонению (σ) – это отношение сигнал-шум.

Результат замеров приведен на графике:

Как мы видим:

1. При одной и той же экспозиции, более высокое значение ISO дает меньший шум (отношение сигнал/шум – выше). Разница не очень большая (кроме пары 100/800), но всегда в одну сторону
2. График «для высокого ISO» начинается с ISO800 (слева), а для «низкого ISO» - заканчивается на ISO800 (справа). При этом S/N отличается практически втрое (что ожидаемо, экспозиция в 8 раз ниже).
3. Кроме того, для низких ISO присутствует артефакт, шум на 1/50-ISO100 практически такой же, как на 1/100-ISO200, несмотря на то, что исходный сигнал – вдвое выше. Такое бывает, такое мы видали и на, к примеру, Canon 6D (и, пожалуй, в еще более выраженной форме, там на ISO200 /и экспонировании «по экспонометру» т.е. вдвое меньшем количестве света/ тени даже чище, чем на ISO100. А для данной камеры – они «примерно такие же».
   Вот данные sensorgen.info, действительно на ISO100 шум чтения (см. ниже) у Nikon Df вдвое выше, чем на ISO200.

Таким образом, при одной и той же экспозиции, использование более высоких значений чувствительности дает лучшее отношение сигнал/шум т.е. более чистый снимок.

Объяснение у данного феномена достаточно простое:

• Суммарный «шум на снимке» - это смесь шумов из нескольких источников, в частности:
  • Фотонного шума (или shot noise) – это свойство самого сигнала (потока фотонов)
  • «Шума чтения» (read noise) – шум, возникающий при оцифровке сигнала.
  • «Теплового шума» - пропорционального длительности выдержки.
• У фотонного шума отношение S/N будет равно корню квадратному из количества попавших на пиксель фотонов (точнее, из количества образовавшихся электронов). При одинаковой экспозиции («произведении» выдержка*диафрагма) – эта составляющая будет одинаковой.
• Шум чтения – как правило уменьшается при увеличении значения ISO
• Тепловой шум – при одинаковой выдержке будет, опять же, одинаков. Так как мы, в данном примере, управляли экспозицией путем уменьшения выдержки, то при движении по графику слева направо (в сторону укорочения выдержки), тепловая составляющая должна уменьшаться, но при таких выдержках она настолько невелика, что это никак не должно быть заметно (вот оценки теплового шума для Sony A7R-II для этой камеры ростом теплового шума на выдержках до четверти секунды можно смело пренебречь даже на высоких значениях ISO).

P.S. Впрочем, сказанное выше не всегда верно. Есть ряд камер (например, Sigma Merill, или Fuji X-T1 на высоких ISO, много их), где крутилка ISO не делает вообще ничего (кроме записи тега ISO в метаданные). В этом случае - ничего и не происходит, Signal/Noise от положения крутилки ISO не зависит. 

P.P.S. Камер, у которых было бы поведение, обратное рассмотренному в статье (то есть где крутилка ISO увеличивала бы шум с повышением цифры чувствительности), среди современных серийных не замечено.