Redactie
6 augustus 2016, 10:00
Soms per ongeluk, soms bewust en soms onvermijdbaar; als je fotografeert krijg je te maken met ruis. De technische beeldkwaliteit van een foto hangt van veel factoren af; één daarvan is ruis. Om ruis te voorkomen of juist te gebruiken als creatief element is het handig eerst te weten wat ruis is en waar het vandaan komt.
Signaal
In een ideale wereld zou een foto een perfecte afdruk zijn van een onderwerp. De kleinste details zouden vastgelegd worden en ruis is afwezig. De foto bevat dan alleen maar signaal.
Denk aan licht als een stroom van gegevens (fotonen) die ontvangen wordt door je fotocamera. Het signaal is wat je zo goed mogelijk probeert te ‘ontvangen’ met je camera: een beeld met allerlei details aan kleuren en contrasten.
Vergelijk dit met een radio die probeert zo veel mogelijk signaal te ontvangen van de muziek.
Ruis
Bij het verzenden en ontvangen wordt een signaal verstoord door allerlei variaties in kleur en helderheid. Deze variaties maken het moeilijker om het signaal te herkennen bij ontvangst. Als je een foto maakt bij extreem weinig licht, camoufleert de ruis het onderwerp dat je eigenlijk had willen vastleggen. Net zoals een radio die niet goed is afgesteld alleen maar ruis lijkt te produceren.
Signaal-ruisverhouding
De hoeveelheid ruis bepaalt niet direct de beeldkwaliteit. Het gaat om de verhouding tussen het signaal en de ruis. Je kunt dus je best doen minder ruis te veroorzaken, maar je kunt ook meer signaal toevoegen bij dezelfde hoeveelheid ruis. In beide gevallen zal de beeldkwaliteit als beter ervaren worden.
De mate waarin je nog een signaal kunt herkennen uit ruis wordt uitgedrukt als: signaal-ruisverhouding. Er bestaan formules om deze verhouding te berekenen, maar dit begrip is vooral nuttig om over ruis en beeldkwaliteit te redeneren. Bij de eerder genoemde, hypothetische, technisch perfecte foto zou de signaal-ruisverhouding maximaal zijn.
In Figuur 1 zie je duidelijk het effect van ruis op het signaal (of details). De eerste foto is gemaakt met studio verlichting. Omdat er veel licht gebruikt werd, is er weinig ruis te zien. De scherpte in deze foto is prima zodat details als de oogwimpers duidelijk zichtbaar zijn. De twee andere foto’s zijn bewerkte versies van de linkse foto. Hierin heb ik kunstmatig ruis toegevoegd. Op de middelste foto maskeert de ruis veel details. Je ziet dat de kleuren minder duidelijk te onderscheiden zijn en details zoals de oogwimpers zijn al verloren. De signaal-ruis verhouding is op deze tweede foto dus een stuk lager dan in het origineel. In de laatste foto is de signaal-ruis verhouding het laagst. Hier herken je amper nog het gezicht in terug.
Fotonenruis
Licht bestaat uit een verzameling van lichtdeeltjes, ofwel fotonen. De pixels op de sensor kun je zien als opvangbakjes van deze fotonen. Zelfs als je een volkomen egale lichtbundel probeert vast te leggen, dan nog vallen de fotonen niet gelijkmatig op het sensoroppervlak. Fotonen verplaatsen zich zoals een regenbui. Als je een paar bakjes heel kort in de regen zet zullen niet alle bakjes even ver gevuld zijn. Dit is ook een vorm van ruis. Als je de bakjes voor een langere tijd buitenzet dan zijn de bakjes ook niet precies even ver gevuld, maar het verschil lijkt veel kleiner in verhouding tot de totale hoeveelheid. Bekijk ter illustratie Figuur 2.
Figuur 2
Iets anders uitgelegd: het signaal bij de korte belichting was klein ten opzichte van de hoeveelheid ruis. De signaal-ruisverhouding is laag. Bij de langere belichting is er wel wat meer ruis vastgelegd (variaties zijn groter), maar er is nog meer signaal bijgekomen. De signaal-ruisverhouding is dus groter geworden.
Dit betekent ook dat donkere gebieden in je foto eerder ruis zullen vertonen dan lichtere gebieden. Fotonenruis is een fysisch verschijnsel en je zult er altijd mee te maken hebben, of je nu een Nikon, Canon, Sony, analoge, of iPhone camera gebruikt. Met een grotere sensor zal je wel meer licht vangen en dus wat minder snel last hebben van fotonenruis.
Onthoud vooral dat deze soort ruis dus geminimaliseerd kan worden door zo veel mogelijk licht in je camera binnen te laten zonder over te belichten. (Een zo lang mogelijke sluitertijd, een zo groot mogelijk diafragma of zo veel mogelijk licht toevoegen met bijvoorbeeld een flitser).
Ruis door warmte
De temperatuur van de sensor heeft ook invloed op ruis. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer ruis. De sensor kan warmer worden als je de camera urenlang in de zon hebt laten liggen. Maar ook bij extreem lange sluitertijden wordt de sensor warmer zodat er ook meer ruis gaat ontstaan.
Ruis door versterking
Eenvoudig gezegd telt elke pixel op een sensor het aantal fotonen dat erop valt tijdens de belichting. De fotonen maken elektronen vrij waardoor een kleine spanning ontstaat. Deze spanning is klein en zal soms versterkt moeten worden (door een hogere ISO te kiezen). Een versterker zal bij dezelfde lading niet altijd precies dezelfde versterking geven. Dit zorgt voor ruis. Omdat bij een CMOS sensor elke pixel een eigen versterker heeft die niet allemaal precies hetzelfde reageren, krijg je ook extra variaties in het beeld, te zien als ruis. Bij een CCD sensor, tegenwoordig minder gebruikt, versterkt 1 versterker het hele beeld, zodat je van dit laatste verschijnsel geen last hebt.
De invloed van belichting op ruis
Tijdens de belichting leg je een scene vast op de sensor. Zoals hiervoor uitgelegd zijn er nu meerdere momenten waarop ruis toegevoegd wordt. Als eerste krijg je te maken met fotonenruis van het te vangen licht. Belangrijk om te onthouden is dat de signaal-ruisverhouding die je hier vastlegt niet meer gaat verbeteren tijdens de volgende stappen van het proces.
Op de belichting zijn ten eerste 2 instellingen van belang op de hoeveelheid fotonenruis: sluitertijd en diafragma. De ISO instelling gaat pas later van invloed zijn. Alleen sluitertijd en diafragma bepalen namelijk hoeveel licht er op de sensor gaat vallen. Hier geldt: hoe meer licht, hoe beter de signaal-ruisverhouding. Bij meer licht krijg je ook wat meer ruis, maar de hoeveelheid ruis neemt minder toe dan de hoeveelheid signaal.
Na belichting komt de ISO instelling in beeld. De gemeten helderheden zijn soms nog te zwak en zullen, afhankelijk van de gekozen ISO waarde versterkt worden. Het signaal zou dan worden versterkt en de ruis precies evenveel. Echter, als er tijdens de belichting te weinig licht was gevangen, zal de ISO waarde hoger moeten staan. Dit betekent dat het vastgelegde beeld eigenlijk bestaat uit te donkere gebieden, waar meer ruis in zit door fotonenruis. Het beeld is nu dus gebaseerd op minder signaal dan bij een lagere ISO waarde. De signaal-ruisverhouding van het beeld na versterking is dus lager geworden. Het beeld ziet er slechter uit dan wanneer er meer licht was gevangen tijdens belichting.
Om het nog erger te maken geeft de versterking op zich al extra ruis. Ook andere onderdelen van de sensor en elektronica introduceren nog wat extra ruis. Het is per camera verschillend hoeveel van deze ruis er nog bij komt.
Tot slot
Figuur 3
Door ISO 3200 heeft deze foto relatief veel ruis, maar het geheel is prettig om naar te kijken.
Hopelijk wordt het met deze achtergrond wat voorspelbaarder wanneer je nu veel of juist weinig ruis kunt verwachten. Fotograferen is keuzes maken, dan kun je maar beter weten wat de gevolgen van die keuzes zijn. Aan de andere kant geldt ook hier: gebruik deze kennis, maar staar je er niet blind op. Het doel is een aantrekkelijke foto te maken, niet om een foto met zo weinig mogelijk ruis te maken. Laat je niet tegenhouden om soms ISO 3200 te gebruiken zodat je de sluitertijd onder controle hebt.
