Цифрова фотографія Чутливість, динамічний діапазон та тепловий шум
Чутливість ЕОП є інтегральною характеристикою та залежить від чутливості кожного пікселя. Чутливість пікселя в абстрактному розумінні аналогічна ККД (коефіцієнту корисної дії), тобто є деяким дробовим співвідношенням. Знаменником цього співвідношення буде загальна кількість фотонів, що потрапили на світлочутливу область пікселя, а чисельником - обсяг електронів, згенерованих фотоелементом матриці і потрапили до потенційної ями. Таким чином, що вище цей уявний ККД, то вище чутливість матриці. Однак для отримання якісного кадру має виконуватися ще одна умова.
Щоб сенсор міг працювати і в сутінках, і на яскравому сонці, від кожного пікселя потрібна досить «ємна» потенційна яма. Ця яма, з одного боку, повинна «утримати» мінімальну кількість електронів при слабкому освітленні, а з іншого - вмістити великий заряд, що отримується при попаданні на сенсор потужного світлового потоку. Слід пам'ятати також, що кадр може містити як яскраво освітлені ділянки, так і глибокі тіні, і бажано, щоб усі їхні відтінки відображалися на сформованому сенсорному зображенні.
Здатність накопичувати електрони називається граничним рівнем заряду (quantum efficiency), саме від цієї характеристики залежить динамічний діапазон сенсора.
ПРИМІТКА Динамічний діапазон — здатність ЕОП відрізняти темні відтінки від найсвітліших. Залежить від граничного рівня заряду, що накопичується елементом ЕОП. Чим ширший динамічний діапазон, тим більше відтінків буде присутній на знімку.
У деяких випадках мінімального заряду, який утримала яма, все-таки недостатньо для подальшої обробки. І тут у хідйде збільшення чутливості.
На відміну від світлочутливості фотоплівки, яка не може змінюватися від кадру до кадру, чутливість цифрової камери може налаштовуватись індивідуально для кожного кадру. Робиться це шляхом простого посилення сигналу на виході з матриці, така процедура чимось схожа на поворот регулятора гучності радіоприймача.
Збільшення чутливості дозволяє отримати нормальну експозицію кадру в тих випадках, коли один або інший експо-параметр (а часом і обидва) не може бути більшим або меншим за певне значення. Найбільш поширений приклад — необхідність мати більшу глибину різкості (малу діафрагму) при зйомці об'єктів, що рухаються («коротка» витримка). Проте застосування високої чутливості має зворотні сторони.
У звичайній фотографії світлочутливі плівки мають підвищену зернистість. У цифровій фотографії є інший неприємний ефект - розкидані по всьому кадру пікселі різного кольору. Виною тому тепловий шум.
Під цією назвою мають на увазі паразитні заряди, які при закритому затворі хаотичним чином накопичуються в елементах матриці під впливом ефекту термогенерації електронів. При зчитуванні сигналу вони додаються до заряду пікселя, спотворюючи справжнє значення. Саме вони є причиною точок сторонніх кольорів, що розкидані по кадру.
При збільшенні чутливості, тобто посиленні сигналу, що йде з матриці, кількість значно зростає. Дотримуючись аналогії з радіоприймачем - чим вище гучність, тим сильніший шум від перешкод.
Крім того, тепловий шум зростає при великих витримках - чим більший час експонування, тим більше "теплових" електронів встигає "набитися" в потенційну яму.
Таким чином, користувач можезіпсувати кадр двома способами - або збільшити чутливість, або вибрати "довгу" витримку. Заради справедливості варто сказати, що великий час експонування все-таки менше спотворює кадр, ніж маніпуляції із чутливістю.
У будь-якому випадку із тепловим шумом треба боротися. І щоб мінімізувати цей шкідливий вплив, застосовується низка заходів.
Іноді проблему вирішують «у лоб». Щоб зменшити вплив термоелектричних ефектів використовують різні схеми тепловідведення. Зокрема, іноді як теплообмінник використовується металевий корпус камери, в студійній фототехніці працюють складніші схеми. Однак цей підхід не застосовується до аматорських камер, обмежених за вагою та габаритами.
Для визначення усередненого значення теплового шуму застосовуються «чорні»- пікселі – стовпці і рядки на краях матриці, покриті темним світлофільтром. Середнє значення заряду, знятого з «чорних» пікселів, називається рівнем чорного кольору. Зрозуміло, що за різних умов експлуатації (температура навколишнього середовища та самої камери, струм акумуляторів тощо) рівень чорного кольору буде різним. Якщо брати його значення за «нульову позначку», можна визначити справжній заряд «робочих» пікселів.
Однак проблема в тому, що в кожному пікселі по-різному протікають процеси термогенерації, тому чорні пікселі панацеєю не стали.
Для вирішення проблеми фотографи почали застосовувати «народний засіб» — зйомку кадру при закритому об'єктиві. У цьому випадку користувач отримує на чорному тлі маску, яку можна використовувати для віднімання теплового шуму із зображення. Цей спосіб зарекомендував себе настільки добре, що використовується як штатна система шумоподавлення в деяких нових моделях аматорських камер. При включеннірежиму придушення шумів методом темного кадру (dark frame) камера спочатку фотографує кадр, а потім при закритому затворі знімає маску з матриці при тих же значеннях чутливості і витримки. Звичайно ж, цей метод неприйнятний для безперервної зйомки, проте незамінний для фотографування при слабкому освітленні.