Здравствуйте, уважаемые читатели моего блога!

Я уезжал на месяц в Индию, но теперь могу продолжить радовать вас своими статьями. Времени даром я не терял и привез некоторые интересные материалы, которые буду постепенно публиковать.

я в Индии. Местечко Ланавла, высоко в горах, недалеко от г.Пуне

Так, довелось мне немного поснимать на камеру Canon 1D X, нынешняя топовая камера Canon, которую я планирую себе в будущем купить, если не успеет выйти новая модель. Свои впечатления об этой камере я опишу в другой статье дабы быть ближе к теме данной статьи.

Немного технических и теоретических сведений об ISO (чувствительности)

Свет через объектив поступает на сенсор камеры. На сенсоре расположены микролинзы, которые фокусируют свет с бОльшей площади на фотоэлементы. Фотоэлементы конвертируют фотоны в электрический заряд, который накапливается в зависимости от длительности и интенсивности освещения. «Лишний», не помещающийся заряд, отводится с накопителя по специальным дорожкам (дренаж), дабы не создавать дополнительных искажений замера света.

На рисунке схематично представлены микролинзы и фотоэлементы под ними. в данном случае рекламируется уменьшение барьеров между микролинзами в новых камерах, что _должно_ вести к увеличению чувствительности матрицы.

Элементов, считывающих каждый свой цвет (R,G,B) по 3шт на условный пиксель (под одной линзой). В некоторых матрицах больше.

Заряд отдельного элемента усиливаются его индивидуальным предусилителем (матрица CMOS).

Камера делает каждый раз не 1 снимок, а 2 снимка. Один с открытым затвором, чтобы захватить изображение, а другой с закрытым, чтобы снять картину паразитных зарядов на предусилителях, которую камера вычтет из первого снимка и таким образом сильно снизит влияние неоднородности характеристик предусилителей (их столько же, сколько пикселей).

Иначе было на CCD матрицах, где был один предусилитель на всех и схема была весьма негибкая.

Далее данные о заряде фотоэлементов преобразуются в числовые данные посредством АЦП камеры с разрядностью 12 или максимум 14бит.

Разрядность АЦП обеспечивает нам точность измерения аналогового сигнала и преобразования его в числовое значение. Причем для измерений существует некое пороговое значение напряжения, относительно которого измеряется заряд. Если оно маленькое, то это с одной стороны позволяет измерять заряд очень точно при высоких ISO, но с другой стороны тут уже вся схема должна обеспечивать такие измерения, иначе вы рискуем получить уровень шума выше уровня измерений (плохой SNR).
Если же пороговое напряжение высокое, то мы не можем работать на высоких ISO (при низком сигнале) тк мы просто не сможем измерить его относительно порогового. Точность будет недостаточной.

Если напряжение некое среднее, то мы можем охватить достаточный динамический диапазон, а средние значения, на которые не хватает разрядности АЦП просто рассчитать.
Эти значения (честные ISO) вобщем-то для некоторых камер уже измерены и известны.

«Нечестные» значения ISO могут получаться как предусилителем сигнала, так и простой цифровой интерполяцией.
Соотношение влияния предусилителя и цифровой обработки мне неизвестно и имеет скорее научное значение, в отличие от известных «честных» ISO.

Насколько я замечаю, Nikon (или правильнее говорить про производителя сенсоров Sony) уже стал активно пользоваться адаптивной регулировкой предусилителей, так как у него при повышении ISO обрезание светов заметно уменьшилось и выгодно смотрится при сравнении снимков с камер Canon и Nikon «в лоб». Что же... Ответ от Canon, я думаю, не за горами.

Какие важные параметры влияют на наше восприятие шума на фотографии?

1. Количество шума по сравнению с полезным чистым сигналом (SNR — signal to noise ratio).
2. Характер шума. Шум бывает разной формы и цвета. Рисунок шума и его цвет воспринимаются нашими глазами/мозгом по-разному.

От чего зависят эти два предыдущих пункта?

1. Количество шума зависит от:
— достаточности/недостаточности освещения сцены. меньше света — больше шума в ТЁМНЫХ областях. Рекомендую обратить внимание, что в светлых областях может быть очень мало или вообще не быть шума на высоких ISO и ,наоборот, на ISO 100 в тёмных областях шума довольно много.
— Плохой АЦП. Некорректная обработка сигнала с фотоэлементов, паразитные заряды и тд. С этим производителя борются, но не слишком активно так как данный вид улучшений может сильно повлять на цену камер (сравните цену бытового усилителя и высококачественного, с очень высоким SNR).
— Низкая чувствительность матрицы (в свою очередь зависит от чувствительности фотоэлементов, их расположения, микролинз и барьеров между фотоэлементами). Затрудняюсь сказать, что препятствует большим улучшениям по данному пункту, но факт в том, что чувствительность матриц повышается крайне медленно.
— Нагрев матрицы при длительной работе. С переходом на CMOS-технологию матриц вопрос стал менее острым, но все равно актуален для астрономов и съемок на больших выдержках.

2. Характер шума зависит от:
— Устройства АЦП
— Структуры матрицы и расположения фотоэлементов на ней
— Фильтра, расположенного перед матрицей

Я решил написать этот абзац потому как и среди русскоговорящих тестеров, которые писали статьи на эту тему «разброд и шатание» в понимании как работает алгоритм повышения чувствительности на современных цифровых зеркальных камерах. Я не претендую на абсолютное знание алгоритма (можете смело и аргументированно меня поправлять и уточнять), но тем не менее я приведу факты, которые свободно доступны от производителей камер и не только.

По своему тесту я буду делать выводы визуально. Частично по общему количеству шума, а частично по детализации снимка на которую этот шум непосредственно влияет. Второй критерий гораздо более точно описывает происходящее при усилении шума.

Камера Canon 1D X

Выражаю огромную благодарность Станиставу Л., предоставившему для тестов свою камеру (но само собой не только за камеру, а много за что).

камера Canon 1D X

Вообще принцип камер 1D мне знаком по камере Canon 1D mark II N, которая честно служила мне долгие годы. Принцип заключается в бескомпромиссном качестве для проф.камер, которыми являются только камеры серии 1D у Canon. Именно по этой причине и интересно сравнить шумы на камере 1D X с шумами на камере Canon 5D mark II, которая уже является заслуженным «старичком» и принадлежит к любительскому сегменту камер. В том, что Canon 5D mark II является любительской камерой нет ничего плохого. Наоборот, она весьма хороша как любительская и потому многие пользуются ей профессионально, для коммерческой съемки. В том числе так делаю и я.

Ранее я уже публиковал статью Цифровой шум (сравнение Canon 1d Mark II N, Canon 20D, Canon 5D, Canon 5D mark II где видно, что большого преимущества в предыдущих поколениях не было, вопреки заявлениям маркетологов.

Посмотрим, есть ли улучшения в современной топовой камере.

Камера на штативе, объектив Carl Zeiss Makro-Planar 50/2 ZE, диафрагма везде F8.

Результаты теста

Сначала я попробовал добавить к правильной экспозиции Canon 1D X 2 ступени, чтобы высветлить темные области и сделать видимыми шумы, а потом поставить те же настройки в Adobe Camera RAW для Canon 5D mark II. Но посмотрите результат.

Canon 1D X, F8, 1/30 +2EV, iso 100

Canon 5D mark II, F8, 1/30, +2EV, iso 100

Баланс белого одинаковый, шумодав отключен в камере и конвертере.

По картинкам явно видно, что ISO100 понимается камерами по-разному. Картинка я Canon 1D X явно темнее из-за чего пересвеченное фото с Canon 5D mark II смотрится совсем нехорошо, с большими пересветами.

Вобщем-то это меня и не удивляет. Я давно это чувствовал. Да и не я один. Тот же DxO публикует соотношение заявленных производителем камеры ISO и реально измеренных. На их тесты я ссылать не буду тк это «кот в мешке», они публикуют только результаты, а сделаю свои, прозрачные/понятные для читателя замеры.

Пришлось для правильного теста настраивать одинаковую яркость фото по цифрам черного, белого и серого для каждого фото, чтобы в одинаковых местах они максимально совпадали по яркости.
Про черный и белый не нужно понимать буквально тк это цвета условные, а мне было нужно лишь привести снимки к одинаковой яркости. Сами же черный и белый зависели полностью от настроек в конвертере.
Снимки я недоэкспонировал и позже вытянул в среднесерые тона, чтобы получить побольше шумов, которые и будем анализировать.

Я и раньше замечал, что ISO разные производители понимают по-разному, но чтобы у одного производителя они отличались — увидел впервые.

Оказалось, снимок с Canon 1D X темнее снимка с Canon 5D mark II примерно на 0.55 EV. Плюс при одинаковом балансе белого снимки отличаются по цветовой гамме. Снимок с Canon 5D mark II имеет больше красных оттенков, а снимок с Canon 1D X более достоверен (напоминаю — одинаковый баланс белого! 4450К, +49).

ISO 100

Чтобы было хорошо видно, привожу осветленные кропы.

Здесь видно, что характер шума не изменился (рисунок), интенсивность тоже. Зато изменился цветовой баланс шума (стало меньше красного, а больше зеленого) и контраст шума стал меньше.
В целом это нам обещает прогресс в плане шумов. Да даже по контуру горы видно, что шум стал меньше влиять на резкость фото, контур горы более четкий на 1D X.

ISO 200

Canon 5D mark II, iso 200

Canon 1D X, iso 200

После подстройки по цифрам получилось +3EV для Canon 1D X и +2.65EV для Canon 5D mark II.

Гора стала «читаться» похуже. Шума стало больше. Фрагмент с Canon 1D X выглядит гораздо менее шумным, чем с Canon 5D mark II благодаря тому, что шум здесь менее контрастный и меньше мешает видеть сам объект съемки.

ISO 400

Для выравнивания яркости снимков коррекция составила опять +0.55 EV для снимка с Canon 1D X.
В целом снимки осветлены так:

Canon 5D mark II: +2 EV
Canon 1D X: +2.55 EV

Canon 5D mark II, iso 400, +2.00 EV

Canon 1D X, iso 400, +2.55 EV

Обратите внимание на «читабельность» линии горы. На Canon 5D mark II шум уже почти убил детали в тенях, а на Canon 1D X детали в тенях еще сохраняются.

Данные о шуме без коррекции яркости снимов в конвертере:
Canon 5D mark II, SNR=21.78/1.45=15.02
Canon 1D X, SNR=20.76/1.07=19.40

Измерения проведены по большому однородному участку неба.
В данном случае на 1D X шумов гораздо меньше.

ISO 800

Canon 5D mark II, iso 800

Canon 1D X, iso 800

Как-то всё не так пошло...Проигра-а-аююю...!

Дальше я запорол тест тем, что поменял значения выдержки.
Выдержку менять в таких тестах ни в коем случае нельзя, так как если попадает на сенсор больше фотонов, то и соотношение сигнал/шум сильно улучшается.

Так что далее можно сравнивать только некоторые снимки и не между камерами, а для каждой камеры отдельно.

Но вобщем тестировать далее ISO 800 может и интересно, но практического смысла несет мало. ISO 800 на всех этих камерах предельное для съемок в сумерках по моему мнению. Крайнее значение 1000. Но я стараюсь далее 800 не уходить, чтобы шумы еще были полностью устранимыми почти без потерь детализации картинки.

Canon 5D mark II

Вот, к примеру, кропы 100% снимков с Canon 5D mark II на ISO 3200 и ISO 4000 с одной выдержкой 1/2s, диафрагма как и выше F8.

Для выравнивания яркости я поднял в конвертере значение экспозиции:

для ISO 3200 на +1.45 EV
для ISO 4000 на +1.00 EV

ISO 3200 +1.45 EV

ISO 4000 +1.00 EV

Контур горы, который тут есть, уже так плохо «читается», что сложно сказать какой фрагмент шумнее. На глаз я уже не решусь вынести вердикт.

Но в Adobe Photoshop есть такой параметр как Std Dev, который описывает разброс яркостей во фрагменте.

Описание методики в следующей статье С какого ISO старые и новые камеры начинают «шуметь» на светлых участках снимка

Вставляем кадры в один PSD файл, выравниванием (без масштабирования), выделяем одинаковый равномерный участок, без деталей и смотрим по Std Dev разброс яркостей, отключая верхний слой и включая его. Также смотрим уровень сигнала — Mean.
После считаем по формуле SNR = Mean / Std.Dev

Итак, для фрагмента на ISO 3200 я получил SNR=50.37/5.03=10.01, а для ISO 4000 SNR=51.36/4.69=10.95

Получается кадр, снятый на ISO 3200 и подтянутый в конвертере шумнее, чем кадр снятый на ISO 4000, но меньше подтянутый в конвертере.

Это интересный момент. Беру еще два кадра. ISO 400 и ISO 800. Сняты с одинаковой выдержкой и диафрагмой. И прочим.
Кадр на ISO 800 будет без подтягивания экспозции в конвертере, а ISO 400 с подтягиванием на 1 стоп, чтобы идеально сравняться с ISO 800.

для ISO 400 на +1.00 EV: SNR=30.89/2.29=13.48
для ISO 800 на +0.00 EV: SNR=30.68/1.94=15.81

Однако!
Получается повышать ISO выгоднее в плане шума, нежели тянуть из конвертера недоэкспонированные снимки. Прямо противоположный результат предыдущим испытателям.

Дабы не быть голословным прилагаю два RAW файла соответственно. Курочьте их как хотите — убеждайтесь или опровергайте, если сможете.

[download id=92]
[download id=93]

Также не забудьте отключить шумодав в конвертере и усиление резкости.

[download id=94]
[download id=95]

Ну что же... Хороший повод проверить нашу находку и на другой камере.

Canon 1D X

Имеются два кадра. Оба сняты на F8, ½сек. Только один кадр на ISO 3200, а другой на ISO 6400.
Объектив все тот же: Carl Zeiss Makro-Planar 50/2 ZE.

Коррекцию экспозиции ставим такую (чтобы было хорошо видно шум и чтобы по яркости снимки совпадали):

ISO 3200: +4.00 EV
ISO 6400: +3.00 EV

Выделил фрагменты 600×388 пикс. Поднял одинаково контраст по цифрам.

На глаз победителя выбрать сложно, так что будем судить как в прошлый раз по разбросу яркостей.

ISO 3200 + 4 EV : SNR=59.23/12.43=4.76
ISO 6400 + 3 EV : SNR=59.72/11.65=5.12

Отсюда вывод — выгоднее поднимать ISO в камере, нежели потом надеяться на конвертер.

Но в целом не стоит полагаться на высокие ISO. Старайтесь хорошо экспонировать снимок, применять мультиэкспозицию, брекетинг и т.д. Крайне рекомендую штатив при слабом освещении везде, где это возможно (например, в репортажном фото совет не годится).

Вывод

Камера Canon 1D X имеет менее шумную матрицу, чем Canon 5D mark II. Но это преимущество не такое значительное, как хотелось бы владельцу такой дорогой камеры.

К логичному совету правильной экспозиции снимка добавлю теперь рекомендацию не надеяться на RAW конвертер и повышать ISO по необходимости, если нет возможности снимать на более открытой диафрагме или с более длинной выдержкой.

В ближайшее время надеюсь дополнить эту статью второй частью, где проанализирую ISO для обеих камер Canon 1D X и Canon 5D mark II до максимума их возможностей.

Canon 5D mark II до ISO 25600, а Canon 1D X до ISO 204800.

Вопрос будет стоять так: при каком значении ISO начинаются шумы на светлых областях кадра (для темных понятно более менее, но когда предусилители сигнала начинают вредить по-настоящему?). Какое максимальное ISO считать рабочим для репортажной съемки в этом плане?

Ну и постепенно буду радовать читателей снимками из последней своей поездки.

Индия, местечко Ланавла

Я не стал убирать мусор из кадра, так как он дополняет впечатление об Индии. Пусть всё будет правдоподобно — красивая природа и местный мусор, оставленный не иностранными туристами, а местными.