25-01-2016, 08:05

Светлината има двойствена природа, фотони или вълна. Като следствие от дискретната и природа шумът присъства винаги, във всеки кадър, някога е незабележим, друг път дразнещ и натрапчив. Фотографите още от първата снимка са в постоянна борба с шума.

Но днес ще пиша за друг шум, онзи, който е свързан с апарата и апаратурата, с която работим. Шумовете генерирани по разни причини в една камера сa много и различни, ще анализирам тяхното влияние върху крайния резултат.

В една съвременна камера без значение каква е технологичната и схема (без огледална или DSLR), свето приемникът е, т.н. матрица, която по същество, са милиони разположение един до друг фотоелектронни преобразуватели. Няма да се спирам подробно върху отделните конструктивни реализации, общото помежду им е, че всички те са аналогови.

Да, малко е куриозно, но всъщност така наричаните цифрови камери са по същество аналогово цифрови. След като фото приемникът, без значение от неговата конкретна технология натрупа определен потенциал, матрицата бива “прочетена” и данните изпратени АЦП. (Аналогово, цифров преобразувател) Този АЦП измерва натрупаният потенциал във всеки отделен фото приемник и преобразува резултата в цифров вид, т.е. в някакво число. Оттук насетне, можем да казваме, че камерата е цифрова, защото всички последващи действия са само с цифрови данни и в цифрова среда.

Тази статия няма за цел да анализира методите и начините за цифрова обработка на сигналите. Ще се спра основно на проблема със шумът и причините за неговата поява в аналоговата част, тоест в матрицата и преди преобразуването в числова стойност.

Откъде се взема привнесеният допълнително шум все пак? Фотоелектронният преобразувател има за цел да приеме един фотон и да го преобразува в електрон. Дотук добре, идват определен брой фотони, те се преобразуват в някакъв потенциал, тоест някакъв брой електрони. По същество конструктивно, можем да оприличим тази конструкция на един кондензатор с определен капацитет.

Но електроните могат да се появят на същото място и по други причини определени от физиката. Основен фактор е температурата. От началните класове по физика всички помнят предполагам, че температурата по същество е средната кинетична енергия на атомите и молекулите от една система. Колкото е по-висока температурата толкова повече се увеличава шанса случайни електрони да бъдат натрупани в нашия хипотетичен кондензатор, без да са дошли отвън като фотони. Или с други думи, ако нагряваме една матрица, със сигурност колкото по-висока става температурата, толкова повече ще нараства броят на натрупаните електрони, които не са били фотони. И сега започва моето повествование, конкретно насочено към камерите.

Температурата на матриците естествено се определя от температурата на цялата камера и заобикалящата я среда. Но има и друг фактор, който е особено важен. Сериозна причина за покачване температурата на матрицата е нейната работа, както и на електроника около нея. Насоченото движение на свободни електрически заряди, или просто казано протичането на ток в една верига е съпроводено с отделяне на топлина поради загубите, освен ако веригата не е от свръх проводници, каквито все още в камерите не съществуват. И тези загуби по законите на физиката са всъщност топлина.

Написаното дотук всъщност може да се съкрати и още по просто се каже, че работи ли една камера то тя неминуемо се загрява, оттам и шумовете се повишават при еднакви други условия. Всъщност причината да се занимая с този проблем, беше анализът дали и колко всъщност се повишават шумовете и как това на практика се отразява върху крайния резултат – фотографията.

Имам на разположение идеална постановка за определяне на влиянието на температурата – Pentax K-3II. Камерата е перфектна за целта, защото е DSLR, така че мога да я тествам и в режим кратковременна работа на матрицата и в режим продължителна работа, т.н. live view, така че да видя разликата.

Разбира се, непременно ще проверя и как се държи апарата при температури на корпуса под нулата, нормална стайна температура и също така около максималните стойности, до които производителят му гарантира обичайно функциониране.

Зима е, удобно време за тестове в реална обстановка на камерата и на студено.

Стайната температура от 20 градуса Целзий е лесна за осигуряване, повече внимание обръщам на горната граница, която според Ricoh е допустимо да е до 40 градуса по Целзий.

Гледам да не разчитам много на термостата на печката, защото е твърде голям неговият толеранс, затова контролирам внимателно с ръчен термометър. И разбира се, изчаквам 30 минути на тази температура, за да съм сигурен, че апарата е нагрят равномерно и във вътрешността си.

Следва снимков материал с цел да онагледя резултатите. Резултатите са очевидни и показателни, но не съм си поставял като изискване да са в точни числа. Това вероятно ще е предмет на бъдещо изследване, за момента това което виждам е повече от достатъчно като подкрепа на тезата ми. За да имаме съпоставимост, всички снимки, които цитирам като сравнение една с друга, са обработени в един и същи конвертор RAW -> JPG с едни и същи параметри, като коригиране на експонацията нагоре и прочeе.

За да избегна възможни проблеми като влизане на светлина покрай капачката на обектива всяка от тестваните камери е била с добре затворен обектив, на максимална бленда и преди снимката е затваряна в 100% непрозрачна кутия.

При приблизително -5 градуса температура на тялото, експонация 30 сек./ISO 100/~+4stops

При приблизително +40 градуса, експпонация 30 сек./ISO 100/+4stops

При стайна температура 20 градуса по Целзий.

Напълно темпериран апарат, който не е включван поне един час.
Експонация 30сек,/ISO 100/+4stops

Камерата работи приблизително 50 минути в режим live view, веднага след което се прави цитираната снимка.
Експонация 30сек,/ISO 100/+4stops

И още малко по темата, направих с Pentax K-3II четири последователни кадър при еднакви условия ISO 100, затворена предна капачка и на тъмно. Единствената разлика е, че са с експонации съответно 1/100сек., 1 сек, 15 сек., 30 сек. Камерата е при стайна температура от приблизително 20 градуса по Целзий и не е работила преди снимките поне един час. Корекция на експонацията 5 stops+ (еднаква за всички кадри) Корекцията тук е +5 стопа за да е видима разликата.

На последната снимка, можете ясно да видите и как точно започва да се нагрява матрицатата, повече от краищата и в средата…

Дотук всичко това беше свързано с една конкретна камера Pentax K-3II. Възможно ли е, всичко това да не е валидно за други камери?

Едва ли, физиката е еднакава за всички поне засега… 😉 но добрата практика изисква и проверка!

Помолих приятел, (фотограф Събин Коларов) с неговото Fuji X-T1 да направим същите тестове като по-горе. Тестовете бяха със същите времена за експонация и прочие условия като с Pentax K-3II. Не правихме пълният спектър от тестове при всички температури (-5C…+40C), а се концентрирахме върху теста при стайна температура и отново при стайна температура, но след като камерата е работила 50-на минути.

Резултатите ги обработи фотограф Събин Коларов и за да бъде по-ясен извода е с графично представяне, след анализ със RAW Digger върху RAW файловете.

Ето и след 50-на минути работа, при еднакви други условия. Отбелязвам, че от външната страна на корпуса, температурата се покачи с 6 градуса. Камерата междувременно не беше държана в ръка, а стоеше на масата.

Разбира се, направихме и поредица от тестове с продължителност на експонацията от 1/100, 1 сек., 15сек., до 30сек. Като всяка от експонациите съответно на базово ИСО, на ИСО 400 и на ИСО1250. Няма да отегчавам читателите с цитати от резултатите, накратко, категорично има ясно видима пряка връзка между температурата на матрицата и паразитният шум. Което е още по-важно има също толкова ясна връзка между продължителността на работа на апарата и крайният резултат като паразитен шум при една и съща температура на външната среда.

​
Тази констатация поражда много въпроси. Тя е сериозно основание да поставя под въпрос всички тестове публикувани някъде, касаещи динамичен диапазон и шум, в които не е цитирано каква е била температурата на камерата и колко време е работила преди тестовата снимка.

Още по-голям въпрос са и сравненията между отделни типове конструкции. Естествено е, че един DSLR дори при часове работа, ако не е бил в режим live view ще работи в много по-благоприятни условия, отколкото еквивалентния по данни, без огледален апарат, който междувременно се е загрял и електрониката му е работила без прекъсване тези същите часове. В такъв случай си поставям въпроса, а кога точно ще премерим динамичният диапазон на единия и на другия апарат? И кой от резултатите ще е верният? Защото както виждате, само поради едно изчакване от час работа, резултатите на един апарат приблително могат да се “върнат” няколко поколения назад..,

Тази статия се надявам да послужи и за конкретни изводи на мои колеги фотографи. Познавайки проблема, всеки от колегите може сам да си направи тези сравнения, които съм цитирал по-горе и то конкретно за техниката с която работи. Това ще му позволи в много случаи да избегне влошаване на резултатите и по-добро използване на фотоапаратурата.

Идейна основа за този анализ бяха принципите, по които се правят астро снимки в големите телескопи, където матрицата е задължително охлаждана и то до много ниски температури, което ме наведе намисълта за същите проблеми при фотоапаратите.

Сигурен съм, че скептиците дочитайки дотук статията вече се усмихват и се питат, добре де, никой ли досега не е сетил за проблема, а как работят видео камерите тогава. Там матрицата е натоварена постоянно и цялата електроника също. Това е един сериозен аргумент и аз проучих как стои въпроса като се консултирах с колеги от сервиз за видеотехника на една от водещите световни фирми. Оттам получих ясен отговор, да, проблемът е известен отдавна и е много сериозен при видео камерите. За решаването му, във всички сериозни видеокамери, матрицата ЗАДЪЛЖИТЕЛНО СЕ ОХЛАЖДА МНОГО ИНТЕНЗИВНО. И ми пратиха снимка, как изглежда радиаторът, на който се монтира матрицата на конкретен модел професионална видео камера. Ето го:

Вероятно подобни решения могат да бъдат приложени и при фотоапаратите но имайки предвид, размера на сензорите, това ще е непосилно като общо повишаване на размера на камерата, разход на енергия и прочее. В тази връзка за някои конкретни задачи е очевидно преимуществото на DSLR-и (когато не са в режим live view), а собствениците на безогледални камери ще трябва да обмислят стратегия при снимки изискващи по-дълго време работа на сензора. Това разбира се касае най-вече онези апарати, които са по-голям сензор. Естествено има значение и то голямо, какъв е корпуса, от какъв материал, размерите му, а също дали и колко добре разсейва топлината.

По време на изследването с колегата забелязахме и някои признаци, които ни навеждат на мисълта, че има производители на камери, които внасят корекции в шумоподтискането в зависимост от температурата на сензора. Тази статия няма за цел да изследва това явление, но непременно за в бъдеще ще обърнем внимание върху този проблем, още повече че той бе видим в RAW файловете, нещо, което не може лесно да бъде избегнато.

А всъщност много ли са сериозни щетите върху снимките от изложените в тази статия ефекти?

Зависи много от конкретната ситуация, но дори на 1/100 сек. са според мен напълно в състояние да “съсипят” иначе успешен кадър.. Във всеки случай добавеният шум и намалена динамика като следствие от загряването, са съпоставими с поколения назад в технологичен аспект.

Съавтор Фотограф Събин Коларов