Как работает матрица: шум — это недостаток света

Самое полезное убеждение, которое можно вынести из этой главы, звучит так:

Шум — это не то, что добавляет камера. Шум — это то, чего не хватает свету.

Из него следует всё остальное: почему бесполезно ругать «шумную матрицу», почему высокое ISO само по себе ни в чём не виновато и почему единственный настоящий способ снять чистый кадр — собрать больше света.

Как ячейка считает фотоны

Каждый пиксель матрицы — это фотодиод, работающий на фотоэффекте: пришедший фотон выбивает электрон, электрон накапливается в потенциальной яме. Чем больше фотонов пришло за время выдержки, тем больше накопленный заряд.

Два свойства этой конструкции определяют всё дальнейшее.

Ёмкость ямы конечна. Заполнилась — дальнейшие фотоны не считаются. Это и есть пересвет: ячейка отдаёт максимальное число независимо от того, залили её вдвое или в двадцать раз. Информации о том, насколько именно было ярко, там просто нет.

Фотоны прилетают случайно. И вот здесь начинается главное.

Дробовой шум: он не от камеры

Свет — поток частиц, и частицы приходят не равномерно, а случайно, подчиняясь статистике. Если в среднем на ячейку прилетает N фотонов, то реальное число в конкретном кадре колеблется около N с разбросом порядка √N.

Это называется дробовым шумом, и он не зависит ни от матрицы, ни от производителя, ни от года выпуска. Это свойство самого света.

Отношение сигнала к шуму получается таким:

SNR = N / √N = √N

К дробовому шуму добавляются два вклада от самой камеры: шум чтения (вносится электроникой при считывании) и тёмновой ток (тепловая генерация электронов, заметна на длинных выдержках). Они и есть та часть, которую инженеры улучшают от поколения к поколению. Но на нормально освещённом кадре доминирует дробовой шум, то есть физика, а не техника.

Тогда что делает ISO

ISO — это усиление сигнала после фотодиода, перед оцифровкой. Оно не добавляет ни одного фотона.

Подними ISO вдвое — камера умножит и полезный сигнал, и уже накопленный дробовой шум. Отношение между ними не изменится.

Небольшая оговорка в пользу техники: у большинства матриц усиление до оцифровки чуть «прячет» шум чтения, поэтому поднять ISO в камере обычно немного лучше, чем вытянуть тот же кадр яркостью в редакторе. Но выигрыш здесь — доли стопа, а не разница между чистым и грязным кадром.

Базовое ISO и двойное усиление

Базовое ISO — значение, при котором матрица работает без дополнительного усиления и отдаёт максимальный динамический диапазон. Обычно это самое низкое ISO в списке (часто 100 или 200), а в логарифмическом профиле — заметно выше, поскольку log-кривой нужен запас.

У части современных матриц есть два режима усиления — так называемое двойное базовое ISO. Начиная с некоторого значения схема переключается в режим с меньшим шумом чтения, и шум скачком улучшается вместо того, чтобы ухудшаться.

Практическое следствие: на такой камере ISO 1600 может быть чище, чем ISO 1250. Где именно у твоей камеры проходит вторая база, из рекламы не узнать — это ты измеришь в паспорте камеры.

Почему большая матрица «менее шумная»

Ответ уже виден из формулы. Большая матрица при том же угле зрения и той же диафрагме собирает больше света — просто потому, что у неё больше площадь. Больше фотонов — выше √N — чище картинка.

Это то же самое, что мы считали в статье фокусное — это точка зрения: матрица вчетверо меньшей площади собирает вчетверо меньше света, то есть проигрывает около двух стопов.