Шум на фотографии не зависит от размера сенсора
Я постоянно слышу фразы:
“фуллфрейм меньше шумит!”, “зачем ты взял D500, когда за те же деньги можно взять фуллфрейм?”, “фуллфрейм лучше во всём!”, “на фуллфрейме можно добавлять +1 стоп ISO и разницы с кропом не будет”
и т.д.
Так ли это на самом деле? И когда польза от фуллфрейма действительно есть.
FF меньше шумит?
В некоторых случаях FF действительно может дать пользу в виде более чистых снимков.
Это происходит при определенных условиях. Давайте разберемся, при каких.
Во-первых, нужно понять, чем отличаются FF и APS-C камеры. Главная и единственная характеристика формата кадра - размер светочувствительного элемента (в современных цифровых камерах это CMOS-сенсор или как еще говорят - "CMOS-матрица").
Фактические размеры могут немного отличаться в различных камерах. Давайте возьмем для примера две камеры Nikon - D850 (FF) и D500 (APS-C). Размеры их сенсоров соответственно: 35,9х23,9 и 23,5х15,7 в миллиметрах. Кроп-фактор округленно равен 1,5.
Как можно заметить, ширина APS-C меньше, чем высота FF! И если APS-C повернуть на 90 градусов, то можно поместить два таких сенсора на площадь FF и еще останется место!
Площадь FF матрицы в 2,33 раза больше, чем площадь APS-C матрицы.
Диагональ FF матрицы в 1,52 раза больше, чем диагональ APS-C матрицы. Именно этот параметр называют кроп-фактором.
Как это всё влияет на снимки?
Давайте взглянем на пример.
Условимся, что этот снимок сделан на фуллфрейм камеру. Тогда как же будет выглядеть снимок на APS-C в точно таких же условиях? Вот так:
“О! Увеличилось фокусное расстояние”, - скажут многие. “Нет, не увеличилось”, - скажу я им.
В данном случае увеличилось “эквивалентное фокусное расстояние” (ЭФР). Термин очень скользкий и часто вводит в заблуждение. На самом же деле это понятие позволяет оценить только итоговый угол обзора, но никак не фокусное расстояние объектива.
Да, при увеличении фокусного расстояния сужается угол обзора, если размер сенсора не меняется. Но при изменении размера сенсора, фокусное расстояние объектива остается неизменным, несмотря на изменение угла обзора! Об этом я подробно расскажу в следующем посте.
Для наглядности рамкой выделен участок, который будет соответствовать APS-C сенсору.
Про шум.
Для понимания нужно усвоить один тезис: “при равных технологиях и равных размерах пикселя, две матрицы будут обладать одинаковым уровнем шума при просмотре снимка со 100-процентным масштабом кадра”. Заметьте - ни слова о размере сенсора! Почему? Фоточувствительные элементы матрицы не знают о существовании “соседей”! Никаким магическим образом 20 миллионов пикселей, что окружены пятнадцатью миллионами других пикселей, не станут работать лучше тех, которые работают в одиночку!
И таких рассуждений можно встретить на форумах в сколь угодно больших объемах. Для тех, кто “учил в школе немецкий” - первый человек говорит, что многие из его знакомых используют Nikon D500, чтобы увеличить потенциал телеобъектива. (Об это в следующей посте.)
Другой пишет, что если кропнуть кадр с фуллфрейма до размера APS-C, то потеряется “преимущество фуллфрейма в 1 ступень ISO”.
Непонимание базовых принципов работы сенсоров приводит к тому, что некоторые люди покупают D500 и D850 вместе для съемок дикой природы из-за разницы в "1 стоп шума".
Давайте разберемся, так ли это.
Возьмем две матрицы. Одна имеет размер 100х100 см. Другая - 1х1 см. В остальном они одинаковые в плане технологии и плотности пикселей. Предположим, что существует объектив, который позволяет получить изображение, используя обе эти матрицы.
Используя этот объектив, делаем два кадра с одной и той же точки, но на разные матрицы.
Из большего изображения вырезаем часть, соответствующую картинке, полученной центральным участком, размером 1х1 см.
Сравниваем с целым кадром матрицы 1х1 см.
Картинки будут на 100% идентичны по уровню шума.
Аналогичный результат получится, если матрицу 100х100 см заклеить непрозрачным материалом и оставить лишь окошко 1х1 см в центре. Матрица не обидится на вас и не станет работать хуже на этом квадратном сантиметре! Вы просто потеряете часть информации с участка вокруг этого квадрата.
Это всё равно, что подойти к распечатанной фотографии, висящей на стене и закрасить её, оставив прямоугольник ровно в её центре. Да, фотография поменяется. Но та часть, которая осталась не закрашенной, будет ровно такой же, какой была до покраски!
Строго говоря, матрицу большего размера сложнее охлаждать и это может привести к более “шумному” результату. Но зачастую это заметно лишь при техническом анализе в лабораторных условиях. Или при съемке в условиях крайне низкой освещенности. Например, в астрофотографии.
В каком случае FF будет действительно менее шумным?
Возьмем для примера две матрицы, которые идентичны во всём, кроме размера - одна FF, другая APS-C. Важно: одинаковой должна быть плотность пикселей, а не их количество!
Сделаем два кадра с одной и той же точки, с использованием одного и того же объектива. Условия освещенности, температура воздуха и прочее остаются неизменными. Естественно, параметры экспозиции должны быть одинаковые. Какие различия мы увидим?
1. Снимок на FF захватит больший угол, чем APS-C. Это разобрано выше.
2. …всё! Больше различий нет!
Если обрезать итоговый кадр с FF до размера APS-C, то получатся две одинаковые на 100% картинки! Никаких на “1 стоп меньше шума”! Просто одинаковые во всех отношениях кадры.
В данном случае кадрирование имеет ровно такой же эффект, какой имело бы физическое уменьшение размера матрицы. Если уж совсем просто сказать: отломав от FF матрицы лишние пиксели и сделав её по размеру равной APS-C матрице, вы получите… APS-C матрицу! Абсолютно идентичную по свойствам той, которая изначально была задумана таковой. Конечно, если у вас получится сохранить её работоспособность :) Я снова повторяюсь, но хочу, чтобы вы поняли эту идею.
Это происходит потому, что независимо от размера сенсора, на одни и те же участки фокальной плоскости падает "один и тот же свет", если всё прочее оставить неизменным. Только маленький сенсор захватывает меньшую часть света, а больший сенсор - большую. Логично же?!
Так как же заставить FF меньше шуметь, но при этом не тронув остальные аспекты картинки? Очень просто. Нужно скомпоновать кадр так, чтобы он полностью соответствовал по углу обзора и перспективе кадру с APS-C.
Для этого нужно использовать объектив с иным фокусным расстоянием, и с аналогичным значением относительного отверстия. Сможете ли вы сами догадаться, чему должно равняться фокусное расстояние такого объектива? Вспомните про ЭФР, о котором говорилось выше. Да, нужно взять объектив с ФР, равным пресловутому ЭФР.
Например, снимок на APS-C был сделан через объектив 50 мм f/1,4. Тогда для соблюдения условий нам понадобится объектив 75 мм f/1,4. Он даст точно такой же угол обзор, что и был на первом снимке. (При условии, что кроп-фактор равен точно 1,5).
За счет сохранения диафрагменного числа на прежнем уровне, мы получаем аналогичное количество фотонов на единицу площади. Но площадь FF матрицы больше площади APS-C матрицы. Значит общее количество квантов света увеличилось. И этот свет собран ровно с того же объекта и в том же масштабе, что и в первом случае.
Увеличение общего количества света никаким образом не сказывается на абсолютном уровне шума. А значит и соотношение сигнал/шум (SNR) растет. Полезного сигнала стало больше и он “задавил” шум. Итог: визуально менее шумный снимок.
(Получившийся снимок будет отличаться в плане ГРИП и боке. Но речь сейчас про шум.)
Но за счет чего увеличилось общее количество света?
Как говорят клетки нашего организма: “Давайте займемся делением!”. Делить мы будем фокусное расстояние объектива на диафрагменное число. В ответе мы получим диаметр входного зрачка объектива.
Объектив, использованный на APS-C камере: 50 / 1,4 = 35,71 мм
Объектив, использованный на FF камере: 75 / 1,4 = 53,57 мм
!!!Чем больше диаметр входного зрачка объектива, тем больше света он собирает!!!
Не нужно путать диаметр передней линзы с диаметром входного зрачка. В многолинзовых оптических схемах это совсем не одно и то же.
Строго говоря, нужно считать площадь входного зрачка, но т.к. подавляющее большинство объективов имеет круглые линзы, то для простых сравнений можно обойтись и диаметром.
Так почему же я приплел сюда объективы, если речь идёт о форматах матриц?
Дело в том, что больший размер матрицы лишь позволяет добиться условий, при которых два снимка будут отличаться по шуму (и только по шуму) при прочих равных. Даёт больше возможностей. Но само по себе это не происходит при изменении размера матрицы. А реальное изменение происходит из-за объектива, а не размера матрицы.
Именно объектив собирает свет от объекта съемки. И размер матрицы никак на это повлиять не может!
Да, если использовать один и тот же объектив на FF и APS-C камерах, то FF сенсор соберет больше света в абсолютном значении. Но от интересующего вас объекта в обоих случаях придет одинаковое количество света. Что не решает задачу уменьшения шума. Если же вы хотели получить больший угол обзора - вы добились своего.
Представьте, что вы ждёте дождь, чтобы он полил огород. Вам не важно, будет ли дождь идти над всей деревней, над вашим и соседними участками одновременно или только над вашим. Главное, чтобы он полностью захватил ваш участок. А эффективность полива будет зависеть от интенсивности дождя над вашим огородом.
Общая площадь осадков - аналог размера сенсора. Интенсивность дождя - интенсивность света или количество фотонов на единицу площади.
Обратно?
Возьмем обратный пример. Попытаемся получить полностью одинаковые снимки (в плане угла обзора, перспективы и уровня шума) с использование FF и MFT (кроп-фактор 2, для пущей наглядности).
Сделаем кадр на FF и объектив 20 мм f/1,4.
Чтобы получить аналогичный угол обзора на MFT-камере, нам понадобится объектив с ФР 10 мм. Что касается относительного отверстия, то здесь нужно компенсировать размер матрицы. Ведь нам нужно набрать точно такое же общее количество света. Иначе сигнал/шум не будет соответствовать фуллфрейму.
Давайте снова делить. И здесь снова всё просто. Вычисляем диаметр входного зрачка объектива 20 мм f/1,4:
20 / 1,4 = 14,29 мм.
Для MFT нужно получить такой же диаметр входного зрачка, чтобы собрать такое же общее количество света, что и FF. Объектив с ФР в 10 мм будет обладать диаметром входного зрачка в 14,29 мм только в том случае, если на нем будет стоять справедливая маркировка “f/0,7”. Здорово, правда?! Но есть один нюанс! Такой объектив не существует! А если и появится когда-нибудь, то будет стоить космических денег.
Из этого и следует, что FF-сенсор лишь даёт возможность получать определенные результаты с использованием подходящих для этого объективов. Но если увеличивать лишь размер сенсора, то получить менее шумное изображение конкретного объекта невозможно. Камера будет лишь захватывать всё больший и больший угол, если это позволит объектив. Но SNR части изображения, в которой находится объект съемки, останется прежним!
Для запредельной наглядности можно сравнить Full Frame с камерой смартфона.
Основная камера моего смартфона обладает сенсором с размером 8х6,4 мм (1/2"). Кроп-фактор 5,41.
Объектив этой камеры: 4,77 мм f/1,75.
Диаметр входного зрачка: 4,77 / 1,75 = 2,73 мм
ЭФР: 4,77 * 5,41 = 25,8 мм
Следовательно, чтобы получить аналогичный угол обзора на FF-камере, нужно взять объектив 25,8 f/1,75. Точно такой объектив в реальности найти сложно, но близкие по значению объективы вполне доступны. Но мы будем оперировать именно расчетными данными.
Осталось посчитать диаметр входного зрачка:
25,8 / 1,75 = 14,74 мм,
что в 5,41 раза больше диаметра входного зрачка камеры смартфона!
Но это еще не весь масштаб трагедии. Общее количество собранного света зависит не от диаметра, а от площади входного зрачка!
Оные равны соответственно 5,84 мм^2 и 170,7 мм^2. Разница в 29 раз!
В 29 раз больше света собирает объектив FF-камеры при том же угле обзора, что и камера смартфона! Именно поэтому смартфоны никогда не догонят реальное качество фотографий с полноценных камер. Вычислительная фотография это хорошо, но против физики не попрёшь.
Ради интереса можно посчитать, на каком значении диафрагмы нужно сделать кадр на FF, чтобы он опустился по количеству света до уровня смартфона. При ФР в 25,8 мм, относительное отверстие нужно выставить на значение 9,45, оставив параметр выдержки на прежнем уровне.
А чтобы поднять смартфон до уровня FF, нужен объектив с пометочкой f/0,32.
Таких объективов, как ни трудно догадаться, не существует. И, к сожалению, даже если и появятся вопреки всем законам оптики, сенсор смартфона не выдержит такого потока света и кадр получится полностью пересвеченным. Но это уже совсем другая история (см. full well capacity).
“Зум ногами”
Среди некоторых фотографов распространено мнение, что сокращение дистанции до объекта съемки в два раза, полностью аналогично использованию объектива с вдвое большим фокусным расстоянием (или зум-объектива на соответствующем ФР). Это неверно. При изменении расстояния до объекта меняется перспектива. Поэтому в полной мере компенсировать малый размер сенсора таким образом не получится.
Просмотр и печать
Как вы знаете по своему опыту, при просмотре снимка не в 100%-ом масштабе, он выглядит менее шумным. И это действительно так. При масштабировании происходит "усреднение" значений каждого пикселя изображения с соседними, что приводит к уменьшение шума.
Если стоя на одном месте снять одну и ту же сцену на один и тот же объектив, но на разные по размеру матрицы, то распечатанные в одном размере снимки будут выглядеть по-разному. Внезапно, да? "Попиксельный" уровень шума кадра с большей матрицы будет меньше, чем на кадре с меньшей матрицы. Т.к. произойдет то самое "усреднение".
Но снимок с большей матрицы захватит больший угол. То есть, в кадре будут те объекты, которых вообще нет на кадре с меньшей матрицы.
Если размер печати снимка, сделанного на меньшую матрицу, уменьшить пропорционально разнице в размерах матрицы, то и "попиксельный" уровень шума обоих кадров будет одинаковый.
Как вы поняли, это лишь следствия из того, что было сказано ранее. Но для полноты картины посчитал нужным объяснить.
Выводы
- Невозможно с использованием одного объектива и двух матриц различного размера получить на 100% одинаковые снимки:
- Если делать кадры с одной точки, то будет отличаться угол обзора
- Если с камерой с меньшей матрицей отойти назад так, чтобы углы обзора сравнялись, то будет отличаться перспектива
- Если на камере с меньшей матрицей использовать объектив с пропорционально уменьшенным фокусным расстоянием и тем же относительным отверстием, что и у объектива на камере с большей матрицей, то общее количество света будет меньше на меньшей матрице из-за разницы в диаметре входного зрачка объектива
- Для того, чтобы получить одинаковый видимый шум на объекте съемки, нужно собрать одинаковое общее количество света от этого объекта. При равенстве времени выдержки это можно сделать только соблюдая одинаковый диаметр входного зрачка и никак иначе
- Объективы с одинаковым значением относительного отверстия, но с разными значениями фокусного расстояния собирают разное общее количество света, но при этом одинаковое количество света на единицу площади сенсора
- Общее количество света, собранное объективом никак не зависит от размера сенсора!
- Лишь общее количество света, собранное от одного объекта влияет на шум в изображении этого объекта. Единственный способ получить менее шумное изображение этого объекта с сохранением перспективы - использовать объектив с большим диаметром входного зрачка.
