Guide: Elektroner på avveie
En introduksjon til bildestøy – del 1
Støy er et av de mest grunnleggende begrepene i digital fotografering. Hva er det, og hvordan bør vi hanskes med det?
Side 1: Generelt om støy
Generelt om støy
Hva er støy? I hverdagen assosierer de fleste støy med uønsket lyd, med bråk. Men støy kan også opptre i visuell form. I fotografier, for eksempel. Der representerer støy vanligvis uønskede elementer som ikke fantes i det avbildede, som ikke var ment å bli en del av bildet, og som virker mer eller mindre forstyrrende på motivet. I ekstreme tilfeller kan denne visuelle støyen være så sterk at den setter store begrensninger for hva bildet kan brukes til. Men generelt er den mer et irritasjonsmoment enn et virkelig alvorlig problem.
I situasjoner der bildene kun er ment å fungere som uformelle minner, eller først og fremst skal formidle en nyhet, og bildekvaliteten ikke spiller så veldig stor rolle, kan man gjerne leve med en del støy. Selv høye støynivåer er ofte lite synlige så lenge utskriftene holdes små, eller er av lav kvalitet.
Men i en profesjonell eller fine art-sammenheng, der bildene kanskje skal printes ut i store størrelser, på papir av høy kvalitet, og man må regne med omfattende og kritiske inspeksjoner, vil man sannsynligvis ønske å holde støyen på et så lavt nivå som overhodet mulig.
I alle tilfelle representerer støy nesten alltid noe uønsket. Men det finnes unntak – det hender at støy benyttes som et kreativt virkemiddel.
I dagens digitaliserte fotoverden er det imidlertid ingen grunn til å benytte fotometoder som gir mye støy bare fordi man tror at det kanskje vil gjøre seg med mye støy i et gitt bilde. Det er to grunner til dette: For det første har digital støy generelt andre og mer negative karakteristika enn filmstøy (det vil si filmkorn) hadde, og for det andre er det enkelt å introdusere støy i etterkant av den digitale fotograferingen, ved hjelp av et bildebehandlingsprogram.
Tar man bilder med lite støy, kan man senere lage kopier av disse med så mye støy som man måtte ønske, og beholde originalene i upåvirket. Tar man derimot bilder med mye støy, er det nesten umulig å lage versjoner med lite støy uten å påvirke bildekvaliteten negativt.
Innen digital fotografering og bildebehandling kan vi snakke om tre ulike hovedtyper av støy – varierende støy (random noise), punktstøy (fixed pattern noise) og linjestøy (banding noise).
I tillegg kan disse støytypene opptre både som luminansstøy (lokale variasjoner i lyshet) og som fargestøy (lokale fargevariasjoner, chroma noise).
Disse begrepene er ikke perfekte, men gir en viss idé om hvordan den støyen vi snakker om ser ut. På de neste to sidene ser vi nærmere på disse tre typene.
Side 2: Typer støy – varierende støy
Typer støy – varierende støy
Egenskaper
Dette er den klart mest vanlige typen støy av de tre nevnt over. Den finnes i så godt om alle digitale bilder, men dens styrke og utseende varierer voldsomt. I noen bilder kan den være så svak at den i praksis kan anses som ikke-eksisterende. I andre bilder kan den være så sterk at den gjør bildet nesten ubrukelig.
Utsnitt fra et bilde tatt med Nikon D700 ved 3200 ISO. Her er naturligvis støyen lavere enn i bildet vist på forrige side, som ble tatt ved ISO 25.600, og til å være tatt ved 3200 ISO, er det meget lite støy i dette bildet. De fleste kompaktkameraer har 1600 eller 3200 som absolutt høyeste ISO-verdi, og bilder fra kompaktkameraer tatt ved slike ISO-verdier er ofte nesten ubrukelige.
I bildet over ser vi for øvrig igjen at støyen er klart mest framtredende i de mørke partiene i bildet. Den grå veggen til høyre har en "sagflisaktig" struktur som skyldes støy.
Varierende støy har flere interessante egenskaper – den opptrer gjerne som tilfeldige variasjoner i både farger og luminans, og det er ofte ulike mengder av den i de tre bildekanalene – rødt, grønt og blått. Som oftest er det mest støy i den blå kanalen.
Graf som viser støynivåene målt av Imatest i bilder fra et Panasonic Lumic DMC-ZX1 kompaktkamera. Linjen for støy i den blå kanalen viser at det er mer støy i den kanalen enn i de andre.
Videre kan vi si at varierende støy ikke bare defineres av styrke, men også av frekvens, som i praksis handler om graden av finkornethet. Lav frekvens innebærer en grovkornet støy som betrakteren trolig vil oppfatte som stygg, mens en høy frekvens innebærer et finkornet utseende som de fleste vil synes er mindre sjenerende.
Dette gjør at det ikke nødvendigvis er en klar sammenheng mellom målt støy og den bildekvaliteten vi opplever med øyet. Et bilde kan ha en støy som et testprogram oppfatter som høy, men støyens faktiske utseende vil også avhenge av frekvensen, som testprogrammet kanskje ikke er i stand til å vurdere. Derfor bør målinger av støy tas med en liten klype salt, og suppleres med visuell inspeksjon av de aktuelle bildene.
Til sjuende og sist er det bare det menneskelige øye som kan avgjøre om støyen utgjør et reelt problem, og siden vurderinger gjort med øyet nødvendigvis inneholder et element av subjektivitet, er det vanskelig, kanskje umulig, å gjøre kvantifisere støy på en fullt ut tilfredsstillende måte.
Årsaker
Hva forårsaker varierende støy? Svaret ligger i det faktum at ingen elektronisk enhet er perfekt. I tilegg påvirkes elektronikken av ytre forhold som temperatur og stråling. Varierende støy er et aspekt knyttet til elektronikken og formidlingen av elektriske signalene som det ikke er mulig å eliminere hundre prosent.
Når så elektronikken i et kamera skal fange opp et signal (lys – fotoner) og gjøre det om til data (bits – et digitalt bilde), er det uunngåelig at signalet i løpet av denne prosessen blir påvirket av den tilstedeværende støyen. Men jo sterkere signalet er i utgangspunktet, dess mindre påvirket vil det bli. Det blir litt som med lyd – en svak lyd kan lett forstyrres av andre lyder, mens en kraftig lyd kan overdøve alt annet.
Dette forholdet mellom signal og støy kalles signal til støy-forholdet – på engelsk signal to noise ratio, og forkortes ofte som SNR. Mange forbinder nok dette begrepet med audio, og især hi-fi, der det er vanlig å oppgi SNR-et til ulike enheter i ulike situasjoner, men det er like relevant for digital fotografering. Jo høyere SNR, dess sterkere er signalet i forhold til støyen.
For å bedre forstå hva vi snakker om, kan man tenke seg følgende eksempel, som de fleste kan prøve ut hjemme: Man tar et system med høytalere og skrur det på slik at det er aktivt, men sørger for at ikke noe spilles av. Så skrur man opp volumet en del, og lytter. De fleste vanlige høyttalere vil da avgi en hørbar susing, en støy som ideelt sett ikke skulle ha vært der. Men så lenge man spiller av noe, overdøver signalet (forhåpentligvis) denne støyen, slik at man ikke merker noe til den.
Når man fotograferer med digitale kameraer, er mengden lys som fanges opp i løpet av eksponeringen avgjørende for signal til støy-forholdet, og det bør derfor ikke komme som noen overraskelse at det er en direkte sammenheng mellom eksponering og varierende støy, og at det er mer slik støy i mørke bildepartier enn i lyse.
Det de fleste er klar over, er at det er en sammenheng mellom støy og ISO (lysfølsomhet). Jo høyere ISO, dess mer støy, er regelen. Årsaken til dette er at høye ISO-innstillinger innebærer at kameraet forsterker signalet mer enn ved lave ISO-innstillinger. Men når signalet forsterkes elektronisk, forsterkes også støyen, slik at signal til støy-forholdet blir dårligere.
Lave temperaturer kan faktisk bedra til å forebygge støy. De som overklokker PC-er, vet at det ofte er en sammenheng mellom temperatur og hvor hardt man kan presse elektronikken før det oppstår problemer. Generelt er det slik at lave temperaturer tillater elektronikk å yte bedre enn ved høye temperaturer, og dette gjelder også elektronikken i digitale kameraer.
Støy og sensorstørrelser
Det er også en sammenheng mellom støy og størrelsen på sensoren (bildebrikken). De fleste faste lesere av akam har vel fått med seg at det generelt er mer støy i bilder fra kompaktkameraer enn i bilder fra speilreflekskameraer, og at kompaktkameraer gjerne produserer langt mer enn støy enn speilreflekskameraer når man bruker høye ISO-verdier eller lange eksponeringer.
En av årsakene til dette er at de fleste kompaktkameraer (det finnes enkelte unntak) har bildebrikker som er vesentlig mindre enn dem som sitter i speilreflekskameraer. I mange vanlige kompaktkameraer er ikke bildebrikken større enn en lillefingernegl. I speilreflekskameraer, derimot, kan den være like stor som en tradisjonell 35 mm filmrute (speilreflekskameraer med såkalt beskjæringsfaktor eller crop-faktor har en brikke som er en del mindre enn dette).
Når man på en liten brikke prøver å få plass til mange ”megapiksler” (egentlig "hulrom" for oppsamling av lyspartikler, ”fotonbrønner”, for på dette stadiet eksisterer det ingen piksler i vanlig forstand), blir det veldig lite plass mellom hver enkelt ”piksel”. Dermed skal det relativt lite til før det oppstår interferens. Hver enkelt fotonbrønn produserer støy, og dersom avstanden til brønnene rundt er liten, vil brønnene kunne forstyrre hverandre. Elektroner på avveie forurenser signalene.
Et annet moment er at brikkens areal i seg selv har en innflytelse på hvor mange fotoner sensoren kan klare å samle. Jo mindre arealet er, dess færre vil fotonene som treffer sensoren være. Et lite areal bidrar dermed til et svakt signal til støy-forhold.
Videre har en liten bildebrikke gjerne mindre fotonbrønner enn en stor bildebrikke, og dersom fotonbrønnene er små, blir de raskere ”fylt opp” av fotoner. Fotonbrønner som fylles opp helt, og begynner å ”flomme over”, innebærer overeksponering, og dette er derfor noe som man helst vil unngå.
Dersom bildet inneholder både lyse og mørke partier, har man et problem. For eksponeringen må være kort nok til at fotonbrønnene for de lyse partiene ikke blir ”overbelastet”. Men da rekker ikke fotonbrønnene for de mørke partiene å samle noe særlig lys. Resultatet blir et svakt signal til støy-forhold, og mye støy, i skyggepartiene i bildet.
En brikke med store fotonbrønner, derimot, har en større toleranse når det gjelder lys, hvilket innebærer at brønnene for mørke partier rekker å samle flere fotoner før eksponeringen må avsluttes av hensyn til de andre. Dermed blir støyen i skyggepartiene forholdsvis svak.
Mikrolinser og støyreduksjon
Teknologien blir imidlertid stadig bedre. Såkalte mikrolinser er ett eksempel på oppfinnelser som gjør sensorer i stand til å utnytte det innkommende lyset bedre. Ved hjelp av mikrolinser kan man øke antallet brønner på sensoren, og minske størrelsen, uten at støynivået øker.
Støyreduksjon ved hjelp av programvare i kameraet er også med på å muliggjøre flere megapiksler og mindre støy. Men slik støyreduksjon har ofte sterkt negative bivirkninger, i form av tap av fine detaljer i bildet, siden det er svært vanskelig for programvare å skille mellom motivdetaljer og støy.
Et forhold som kan komplisere sammenhengen mellom støy, brikkestørrelse og fotonbrønn-utforming ytterligere, er at et bilde fra et kamera med mange fotonbrønner, og dermed mange megapiksler, kan inneholde flere detaljer enn et bilde fra et kamera med få megapiksler. Og selv om det kanskje er mer støy i det førstnevnte bildet, kan det hende at det bildet vil tåle støyreduksjon bedre enn det sistnevnte bildet fordi man har mer å gå på i forhold til detaljgjengivelse.
Varierende støy i film
Varierende støy er for så vidt ikke noe nytt. En form for varierende støy fantes også i bilder tatt med film.
Sammenhengen mellom ISO og støy var også til stede. Jo høyere ISO filmen hadde, dess mer støy ble det i bildene.
Men i filmens dager brukte man ikke ordet støy, man snakket om korn (på engelsk grain). Dette fordi all film var basert på korn, egentlig krystaller, av sølvsalter (sølvhalogenider – silver halides). Når disse ble truffet av lys, skjedde det en kjemisk reaksjon der halogenid-ioner ble eksitert og avga elektroner, som så ble fanget opp av sølv-ionene, som i samme øyeblikk gikk over til å være sølvatomer. Eksponering handlet med andre ord om konvertering av sølvsalt til sølv ved hjelp av energien i lys. Og jo større saltkrystallene var, dess mer lysfølsom (raskere) var filmen. Ulempen med store krystaller i filmen var at man fikk en lett synlig kornstruktur i bildene.
Noen filmer, som Fuji Velvia 50, hadde imidlertid svært lite korn. Og det var flere fordeler med filmkorn sett i forhold til digital støy: Filmkorn involverte ikke fargevariasjoner i den formen man kan ofte kan se i digital støy, og mange vil si at filmkorn generelt hadde et mer estetisk tilfredsstillende utseende enn digital støy.
Side 3: Typer støy – punktstøy og linjestøy
Typer støy – punktstøy og linjestøy
Punktstøy – egenskaper
Dette er en type støy som man sjelden ser noe særlig til i bilder som er tatt i dagslys eller vanlig innelys, men som kan opptre i betydelige mengder i nattfotografier og andre bilder som er resultatet av lange eksponeringer. Punktstøy har et helt annet utseende enn varierende støy – punktstøy opptrer som små punkter eller prikker i bildet, på størrelse med én eller noen få piksler. Av den grunn kalles denne støyen ofte for ”hot pixels”. På norsk kan man kanskje kalle det overopphetede piksler.
Disse punktene har ofte en sterk farge som avviker klart fra fargen til den delen av motivet der de befinner seg, slik at det er åpenbart at de ikke hører hjemme der, men de kan også være rent hvite.
Punktstøy er ofte ikke så alvorlig som varierende støy, siden det gjerne er mulig å fjerne punktene manuelt, ved hjelp av forsiktig kloning, uten at motivet blir nevneverdig påvirket.
Det hender imidlertid at punktstøyen er så omfattende at den utgjør et alvorlig problem. Slik punktstøy forekommer i dag stort sett bare i nattfotografier tatt med kompaktkameraer eller eldre speilreflekskameraer. I bilder fra nyere speilreflekskameraer er det vanligvis bare moderate mengder punktstøy, selv når de er resultatet av eksponeringer på flere minutter.
Et felt der selv moderate mengder punktstøy kan utgjøre et problem, er astrofoto. Det kan rett og slett være vanskelig å skille mellom punktstøy og faktiske astronomiske objekter.
Årsaker
Punktstøy har en tendens til å øke med økende eksponeringslengde, og skyldes nok som oftest at enkelte punkter på sensoren begynner å svikte og oppføre seg unormalt når de utsettes for et ”press” som er høyere enn vanlig (lange eksponeringstider i svakt lys).
En del hevder dessuten å ha observert at punktstøy øker etter hvert som kameraer eldes, hvilket tyder på at aldring og ”slitasje” (krevende bruk) kan føre til at en sensor akkumulerer flere og flere av de svakhetene som ved lange eksponeringer fører til ”hot pixels”.
Kameraløsninger
Punktstøy opptrer gjerne på nesten samme måte fra bilde til bilde, så lenge faktorer som ISO, temperatur og lukkertid forblir de samme. Dette elementet av forutsigbarhet gjør det mulig å benytte ulike former for automatisk fjerning, deriblant såkalt ”dark frame subtraction”.
Denne metoden går kort fortalt ut på det følgende: Man tar to bilder, ett uten å slippe lys inn til sensoren, og ett av det man faktisk vil fotografere. Det førstnevnte bildet, som definerer utseendet og mønsteret til støyen (”the dark frame”), kan så brukes til å fjerne denne støyen fra bilde nummer to.
I dag finnes det en rekke kameraer som utfører støyreduksjon av denne typen automatisk, men man kan også gjøre det selv, ved hjelp av programmer på PC-en.
Lange eksponeringer og film
Også når det gjelder punktstøy finnes det en antydning til en parallell mellom digitale kameraer og film: Mens lange eksponeringer med digitale kameraer kan føre til elektroniske feil og punktstøy, kunne lange eksponeringer med film resultere i resiprositetsfeil – unormal (men repeterbar og dermed forutsigbar) filmrespons og skjemmende fargestikk.
Linjestøy
Dette er en form for støy som nok er mest utbredt i digitale bilder som stammer fra scannere. Men den kan også forekomme i bilder fra digitale kameraer. Den opptrer gjerne som hårfine, parallelle linjer som krysser hele eller deler av bildet i horisontal eller vertikal retning, men er ofte usynlig for øyet inntil man prøver å lysne mørke skygger.
Årsaker
Denne typen støy er knyttet til kameraets (eller scannerens) innhenting av data fra sensoren.
Side 4: Preventive tiltak
Preventive tiltak
Det er mulig å fjerne støy ved hjelp av særskilte programmer, noe vi vil se nærmere på i del 2 av denne guiden. Men støyfjerning kan være tidkrevende, og kan påvirke motivdetaljene negativt.
Det aller beste er å unngå at støy i det hele tatt oppstår. Nå lar det seg knapt gjøre å unngå støy helt, men man bør uansett sette inn det man kan av forebyggende tiltak, slik at støyen blir lavest mulig.
Skritt 1
Bruk lav ISO, dersom situasjonen tillater det.
Med mindre man skal fotografere objektiver som er i bevegelse, håndholde kameraet i svakt lys, eller benytte en kraftig tele, kan man sannsynligvis klare seg med ISO 100 eller 200.
Objektiver som har en stor største blenderåpning (såkalte lyssterke objektiver) gir den fordelen av man kan bruke en opptil flere trinn lavere ISO-verdi enn man ville ha kunnet med et vanlig, ikke så lyssterkt objektiv (med mindre man trenger mye dybdeskarphet, og dermed ikke kan bruke store blenderåpninger uansett).
Et stativ gjør det mulig å holde kameraet bom stille under eksponeringen, og å bruke lange eksponeringer, hvilket også muliggjør bruk av lave ISO-verdier.
Skritt 2
Eksponer mot høyre, især dersom du kan lagre i RAW-format og er kjent med mulighetene som etterbehandling i RAW gir.
Expose to the right, som teknikken kalles på engelsk, handler om å eksponere slik at histogramkurven, som viser fordelen av dataene i bildet på en x-akse fra svart til hvitt, blir liggende nær, men ikke helt inntil, høyre kant. (Man kan prøve å la histogrammet touche høyre kant, men det er risikabelt, og krever kunnskap om bruk av RAW.)
Man eksponerer altså noe lysere enn man normalt ville ha gjort. Tar man utgangspunkt i en lysmåling, vil expose to the right sannsynligvis innebære det å overeksponere rundt ett eller to trinn i forhold til målingen.
Advarsel: Dette er en metode som krever en viss erfaring med det å vurdere motiver, eksponeringsinnstillinger og histogrammer. Går man for langt, vil man kunne ende opp med bilder der de lyseste partiene er så utbrent at de ikke kan repareres.
For å gardere seg mot utbrente partier, bør man bruke kameraets eksponeringskompensasjon (også kalt AEB, automatic exposure bracketing), satt til for eksempel pluss ett EV-trinn og minus ett EV-trinn. Så kan man heller plukke ut det best eksponerte bildet når man kommer hjem, og kan vurdere detaljene i bildene på en stor og pålitelig skjerm.
Brukt riktig er imidlertid expose to the right en overraskende effektiv metode for minimalisering av støy og maksimalisering av datakvalitet.
Et annet eksempel: Tar man to bilder, ett ved ISO 400 med standard eksponering, og ett ved ISO 800 ved høyre-eksponering, vil faktisk ISO 800-bildet kunne ha mindre støy enn ISO 400-bildet.
En annen fordel med dette er at kameraet fungerer slik at det registreres langt flere tonegraderinger i den lyseste delen av bildet enn i den mørkeste. Og mange graderinger innebærer liten fare for posterisering i jevne flater.
Hvis vi for demonstrasjonsformål antar at kameraet har et dynamisk omfang på fem eksponeringstrinn, og at det har en A/D-konverter (som gjør om analoge signaler til digitale data) med 12 bits presisjon, slik at kameraet kan registrere 4096 toneoverganger, vil den lyseste femtedelen av bildet inneholde halvparten av disse overgangene (2048). Det nest lyseste trinnet vil inneholde halvparten av de gjenværende, altså 1024. Det tredje lyseste trinnet vil inneholde 512, det fjerde lyseste 256, og det femte 128. (Kilde: Luminous Landscape) Hvis det dynamiske omfanget er større enn fem trinn, vil forskjellen mellom de lyseste og de mørkeste delene bli enda mer ekstrem (tenk større brødskive, men samme mengde syltetøy). Av den grunn kommer en rekke speilreflekskameraer nå med A/D-konvertere som har 14 bits presisjon, som gir 16384 nivåer til fordeling.
På grunn av fenomenet beskrevet over, vil et undereksponert bilde aldri kunne få den samme datakvaliteten som et lyst eksponert bilde, uansett hva man gjør av bildebehandling senere.
Sagt på en annen måte: Det er mye bedre å eksponere bildet lyst, og så eventuelt mørkne det på PC-en senere, enn å eksponere normalt eller mørkt, slik at man risikerer å måtte lysne bildet etterpå.
Det er altså viktigere enn mange kanskje tror å eksponere riktig med digitale kameraer – faktisk er det minst like viktig som da man brukte film.
Men en optimal digital eksponering innebærer ikke de samme innstillingene, eller det samme bildeutseendet, som en optimal filmeksponering. Med digitale kameraer bør man, dersom man har kunnskapen til det, eksponere mot høyre.
I del 2 av denne guiden, som kommer om noen uker, vil vi se nærmere på støyreduksjon ved hjelp av programmer som Adobe Photoshop, Neat Image og Noise Ninja.