Odšumovací software v praxi

V dnešní době se slovo šum v digitální fotografii skloňuje čím dál častěji. Snímač, jako zařízení snímající světelné záření a převádějící jej z formy vygenerovaného elektrického náboje na digitální číslo, je hodně citlivý na nejrůznější formy šumu, tedy generování nepatřičného náboje, který by zde vůbec vzniknout neměl. Tento šum vzniká vždy, nyní je ale otázkou, jak je velký. V tomto článku se podíváme na problematiku šumu i jeho eliminace. Nejprve se podívejme na problém šumu.

Jak vzniká šum?

Pokud máme velké světlocitlivé buňky (typicky zrcadlovky s velkým čipem a malým rozlišením), dopadne na buňku spousta fotonů (světla) a náhodně vygenerovaný šum je vůči tomuto užitečnému signálu velmi malý. Malý je tedy i šum.

Nicméně u kompaktů máme velmi malinké čipy se zbytečně vysokým rozlišením. Kvůli tomu jsou světlocitlivé buňky opravdu miniaturní a při expozici snímku poberou jen velmi malé množství fotonů. Poměr náhodně vzniklého šumu k užitečnému signálu je tedy podstatně větší než v předchozím případě. Proto kompakty tak moc šumí. Zvýšením citlivosti ISO se toto napětí zesiluje, a tedy i zvyšují rozdíly v jasech jednotlivých pixelů. Když to zjednodušíme, pokud při ISO 100 je rozdíl jasových hodnot jedna, u ISO 3200 bude tento rozdíl díky zesílení signálu mnohonásobně vyšší. Celý obraz se rozšumí a rozehraje nepatřičnými barvami. Je-li jeden pixel při ISO 100 trochu zelenější, při vyšší citlivosti bude výrazně zelenější a podobně.

Zkusme si to převést do konkrétnějších čísel, máme např. snímek při ISO 100. Nasnímali jsme jas 200 a šum třeba 2, výsledkem je hodnota 202. U vedlejšího pixelu můžeme nasnímat třeba 199 a šum 1, dostaneme hodnotu 200. Jde vidět, že hodnoty se příliš neliší (202 versus pixel vedle s hodnotou 200) a třeba takto zaznamenaná obloha nebude úplně hladká, ale příjemně strukturovaná s hezkou kresbou, dá-li se tomu tak říci.

Budeme-li fotit ale v mnohem vyšší citlivosti ISO 800 s 8krát kratším časem, nasnímáme jas např. 25 a opět šum 2. To je 27 a po vynásobení 8 (tj. ISO 800) dostáváme 216. Je vidět, že šum se stává podstatně výraznější složkou výsledného signálu. Teď uvažujme pixel hned vedle, do kterého dopadne třeba o trochu méně fotonů a naměříme jas 24 a např. i menší šum 1. To je 25, po vynásobení osmi dostáváme 200. Nyní už máme dva pixely třeba na obloze, kde jeden má jasovou hodnotu 216, druhý 200. Obloha bude zašuměná a různě flekatá. Toto je samozřejmě jednoduchý matematický model, v praxi jsou závislosti mezi šumem a množstvím světla kvadratické.

Toto je ale jen jeden druh šumu, který vzniká díky vyšší citlivosti. Nazývá se zesilovací šum a jde v podstatě o zesílení šumu náhodného. Velmi známý je také temný šum, který vzniká zejména při delších expozicích a je relativně stálý. Jistě jste si všimli, že fotoaparát po dlouhé expozici ještě velmi dlouho zpracovává snímek. V podstatě řekněme půl minutu fotí danou scénu, pak zavře závěrku a vyfotí ji znovu (vlastně fotí temný šum). Ten pak od vyfoceného snímku odečte a vy máte poměrně málo zašuměný snímek. Dalším typem je tzv. fixed-pattern šum, který je vždy stejný. Stačí tedy snímač nakalibrovat tak, by tento vzorek šumu vždy odečítal. Tento šum je daný různými odchylkami při výrobě čipu a dalšími nesrovnalostmi tohoto typu.

nezašuměný snímek na ISO 100
vyfocený snímek při ISO 3200	odšuměný snímek při ISO 3200

Na těchto ukázkách vidíte fotografie pořízené Micro Four Thirds přístroje Panasonic Lumix GF1. Při citlivosti ISO 100 je snímek krásně čistý, bez chybičky. Když ale citlivost zvýšíte na ISO 3200, můžete si všimnout obrovské množství barevných fleků a slabší detaily, které jsou právě narušovány šumem. Stále jsou však linie poměrně ostré. Po odšumění je šum výrazně nižší, ale všimněte si také méně ostrých kontur. Odšumování totiž snímky trochu rozmazává.

Podívejte se dále na další dva snímky. První z nich je pořízen s fotoaparátem Panasonic Lumix LX3, který má na kompakt poměrně velký 1/1,63" CCD čip, malé rozlišení 10 megapixelů a slabší redukci šumu. Druhý snímek je pořízen fotoaparátem Olympus mju-9000, který má větší rozlišení 12 megapixelů. Teoreticky by měl dávat detailnější snímky než Panasonic. Jenže má mnohem menší snímací čip s 1/2,33" úhlopříčkou a silnější odšumování. Zatímco Panasonic má 24 megapixelů na cm², testovaný Olympus zde disponuje celými 43 megapixely na cm². Jeho světlocitlivé buňky mají tedy skoro poloviční plochu vůči LX3!
Ještě si pořád naivně myslíte, že větší rozlišení se rovná lepším fotografiím? Na to zapomeňte! Pokud snímky nemají být tak šíleně flekaté jako na ukázkách CD disků, je nutné odšumovat. Čím menší jsou pixely snímače, tím silnější odšumování musí být, a tím více rozpatlanější snímek bude. Proto jsou dnešní 14MPx kompakty s 1/2,33" snímači doslova pitomostí. V dalších kapitolách článku se podíváme na programy, které odšumování provádí a zkusíme najít návod, jak co nejlépe odstranit ono zrnění a šumění a přitom nerozpatlat detaily. Vzhůru do toho.

Testovací snímky

V této kratší kapitolce si představíme testovací snímky, na kterých jsem zkoušel chování programů. Na nich si ukážeme, kde mohou vznikat problémy a jak je pokud možno efektivně řešit. První snímek byl pořízen zrcadlovkou Sony Alpha A230 (APS-C snímač, 10 MPx) při citlivosti ISO 1600. Při této citlivosti je výstup v JPEGu silně barevně zašuměn, snímek je různě barevně flekatý. Jedná se o konverzi z RAWu, tedy bez zásahu odšumovacího algoritmu v zrcadlovce.
Druhou fotografii jsem pořídil při testování fotoaparátu Olympus mju-7010. Ten má maličký 1/2,33" CCD snímač s rozlišením 12 megapixelů. Podstatně lépe však zachází s detaily než první 12MPx Olympusy. Zkusíme se podívat, jaké vyhlazení mírného zrna je ještě akceptovatelné. Byla použita citlivost ISO 64.
Tento výřez z budovy jsem pořídil stařičkým ultrazoomem Panasonic Lumix FZ7. Jak je vidět na ostrosti snímku, optika fotoaparátu byla skutečně vynikající a odšumování překvapivě slabé. Použil jsem zde citlivost ISO 80 a je vidět silný barevný šum, což je bohužel problém tohoto jinak velmi dobrého přístroje. Má 1/2,5" čip a 6MPx rozlišení.