Omgaan met digitale ruis

Tijdens het fotograferen met hogere ISO waarden, onder minder goede lichtomstandigheden of met een compact camera krijg je te maken met digitale ruis, afwijkingen in de vorm van willekeurige blauwe of rode pixels die tussen de pixels met correcte kleuren komen te staan of extra pixels met verschillende grijswaarden. Hoe ontstaat digitale ruis en wat kun je er tegen doen?

Ruis ontstaat bij het omzetten van het analoge licht (de fotonen) naar een digitaal signaal (elektronen) op de sensor. Het licht dat op de sensor valt wordt opgevangen door miljoenen lichtgevoelige puntjes, pixels, die elk een klein deel van het licht opvangen. Hoe meer licht er valt op een individuele pixel, hoe beter het resultaat.

De sensor zet het licht om naar digitale signalen

De fotonen vallen echter niet met regelmaat op de pixels, maar arriveren willekeurig. De ene pixel krijgt dus meer fotonen te verwerken dan de andere pixel waardoor er kleine afwijkingen ontstaan tijdens dit omzettingsproces. Als de sluitertijd wordt verkort of de pixelgrootte wordt beperkt, dan zijn er minder fotonen om de afwijkingen uit ’te middelen’ en neemt de digitale ruis toe. Onder goede lichtomstandigheden met een juiste belichting zijn deze kleine afwijkingen niet zichtbaar.

Onder minder goede lichtomstandigheden worden deze afwijkingen echter zichtbaar in de vorm van willekeurige blauwe of rode pixels die tussen de pixels met correcte kleuren komen te staan (chromaruis, vaak ook zichtbaar op een afdruk) of extra pixels met verschillende grijswaarden (luminantieruis, vaak minder goed zichtbaar op een afdruk). Als je geen gebruik maakt van een RAW foto komen daar ook afwijkingen bij die zijn ontstaan bij het comprimeren van het beeld naar het JPEG formaat.

De verschillende vormen van ruis hebben gevolgen voor de scherpte en de kleuren van het beeld. Luminantieruis (korrels met grijstinten) gaat ten koste van de scherpte van een foto, chromaruis gaat ten koste van sommige kleuren. Ruis is trouwens niet gelijk over de gehele foto, de donkere delen hebben sneller last van ruis dan de lichtere delen.

Digitale ruis kan op verschillende manieren ontstaan: de sensorgrootte, de gekozen lichtgevoeligheid, de sluitertijd en de nabewerking.

Sensorgrootte

Een belangrijke factor is de sensor grootte. Hoe meer megapixels, hoe minder ruimte elke pixel op de sensor heeft, hoe groter de kans dat de beeldkwaliteit hier onder te lijden heeft. Kleinere pixels vangen minder fotonen op dan grotere pixels, hoe kleiner de pixels, hoe ruisgevoeliger de sensor is. Als twee camera’s dezelfde sensorgrootte hebben dan zal een 14 megapixel sensor meer ruis geven dan een 10 megapixel sensor.

Verschillende groottes sensors geven verschillende ruisprestaties

Over het algemeen is de stelregel dat voor een camera met een cropsensor het maximale aantal megapixels voor goede beeldkwaliteit 10 is, met wat marge door verbeterde sensortechnologie en nieuwe manieren van ruisonderdrukking. De stap van 10 naar 12 megapixels is bijvoorbeeld lang niet zo groot als je zou denken en de negatieve effecten van die stap worden met nieuwe technologie grotendeels teniet gedaan.

De site Petavoxel besteed behoorlijk wat aandacht aan de megapixel mythe (wel een beetje technisch), maar het komt er op neer dat je de volgende waarden kunt aanhouden om te bepalen of een sensor een goede beeldkwaliteit zal genereren (een minimale pixelgrootte van 6 microns), alles daarboven leidt tot een vermindering in de prestaties als je de extremen gaat opzoeken:

• Medium formaat (33.1×44.2mm sensor, 5517×7367 pixels) – 40.6 megapixels
• Full-frame formaat (24×36mm sensor, 4000×6000 pixels) – 24 megapixels
• APS-C 1.5x crop (2633×3933 pixels) – 10.4 megapixels
• Micro FourThirds (2250×3000 pixels) – 6.8 megapixels
• Typische 1/2.3″ compact camera (770×1028 pixels) – 0.8 megapixels

Sinds kort zijn er medium formaat camera’s die 40 megapixels halen (Pentax en Hasselblad), ook full-frame camera’s hebben pas recent 24 megapixels bereikt (Sony A900, Nikon D3x). Maar bij cropcamera’s zijn fabrikanten al over deze waarden heen gegaan. Bij de EOS 550D en 7D (18 megapixels) gaat Canon hier ruim overheen.

Nikon heeft een andere keuze gemaakt, niet voor megapixels, maar voor sensor prestaties onder mindere lichtomstandigheden. De meeste Nikon spiegelreflexen hebben tot 12 megapixels en de hogere megapixel waarden zitten in de full-frame hoek (hoewel de full-frame D3s bijvoorbeeld ook maar 12 megapixels heeft, deze wordt geroemd om zijn goede ruisprestaties onder donkere omstandigheden).

Een 100% ingezoomde foto genomen onder minder goede lichtomstandigheden op ISO 91 met een iPhone laat veel chroma ruis zien

Vooral bij compact camera’s gooien alle camerafabrikanten deze lijstjes in de wind. Veel gebruikers van deze camera’s selecteren de camera op het aantal megapixels, gemak en grootte van de afbeeldingen, niet op prestaties. Ze stellen minder eisen aan de beeldkwaliteit dan enthousiaste (amateur)fotografen. Compact camera’s zouden veel minder megapixels moeten bevatten dan spiegelreflex camera’s, maar in de praktijk hebben ze een vrijwel gelijk aantal megapixels. Die pixels zijn in een kwart (of minder) van de ruimte gepropt waardoor de ruiswaarden op ISO 200 bij een compact camera vergelijkbaar zijn met ISO 800 op een spiegelreflex camera.

Lichtgevoeligheid (ISO)

Een andere belangrijke rol speelt de lichtgevoeligheid die is ingesteld, de ISO waarde. Deze is ISO 100 op de meeste camera’s, ISO 200 bij Nikon, maar kan kunstmatig verhoogd worden tot soms wel ISO 6400 of 12800. Elke stap extra ISO (100, 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400, 12800) levert een verdubbeling van de hoeveelheid licht dat op de sensor op valt.

Een hogere ISO waarde versterkt alle digitale licht signalen zodat onder donkere lichtomstandigheden toch een scherpe foto kan worden gemaakt. Bij het versterken van de signalen wordt echter geen onderscheid gemaakt tussen de echte data van de foto en de ruis. Een hogere ISO waarde kan dus leiden tot meer zichtbare digitale ruis.

Op ISO 1250 (85mm lens, diafragma f/2 op 1/100s) toch een heel acceptabel resultaat, wel ruis in de donkere delen

Het is daarom altijd goed met een zo laag mogelijke ISO waarde te fotograferen, waarbij je natuurlijk er wel rekening mee houden dat je een scherp resultaat krijgt onder minder goede lichtomstandigheden. Soms moet je ook gewoon kiezen voor een compromis, ga je voor een scherpe foto met iets meer ruis of voor een ruisvrije maar bewogen foto.

ISO 640 is niet heel hoog, toch is er erg veel luminantie ruis te zien omdat het om een donkere omgeving gaat

Lange sluitertijden

Het omzetten van licht naar digitale data is een elektronisch proces en lang niet het enige elektronische proces dat aan de gang is in de camera. Tijdens het nemen van een foto zijn er allerlei elektronische handelingen aan de gang.

Tijdens normale handelingen in de camera hebben deze geen zichtbare nadelige invloed op het eindresultaat, maar bij langere sluitertijden (vanaf 0,5-1s) legt de camera sensor meer en meer van deze signalen vast. De camera weet niet hoe hiermee om te gaan waardoor er meer ruis ontstaat in de uiteindelijke foto. Dit is ook afhankelijk van de grootte van de sensor, hoe verder de lichtgevoelige pixels van elkaar afliggen hoe kleiner de kans dat ze ook ‘besmet’ worden.

Ruisreductie in de camera

Camerafabrikanten onderkennen het probleem van ruis en proberen dit in de camera op te lossen door een ruisreductie algoritme toe te passen op de foto. Deze wordt voornamelijk toegepast bij een langzame sluitertijd en/of hoge ISO waarden. Hoe succesvol dit is hangt van het algoritme af, maar vaak zullen ze niet alle ruis weg halen en daarnaast levert het iets minder scherpe beelden op, vooral zichtbaar in de delen met fijne details.

Een andere toepassing, die vooral wordt gebruikt bij lange sluitertijden, is de mogelijkheid bij een aantal camera’s om direct na de foto een tweede foto te laten nemen met dezelfde sluitertijd maar dan zonder beeld vast te leggen. Door deze twee foto’s in de camera te combineren ziet de camera in de donkere foto waar er ruis ontstaat bij die sluitertijd en kan dit zo corrigeren op de eerste foto. Dit werkt vooral bij ruis die elke keer op dezelfde plek voor komt.

Elke correctie in de camera heeft gevolgen voor de fijne details die worden vastgelegd, extra verscherping is dan achteraf vereist.

Nabewerking

De juiste belichting is belangrijk, veel ruis wordt zichtbaar bij het lichter maken van de donkere delen in nabewerking. Het RAW formaat is hiervoor minder gevoelig dan het JPEG, omdat hier meer lichttinten beschikbaar zijn, maar als je bewerking extremer wordt zul je sneller de nadelen zien. Bijvoorbeeld HDR foto’s, waarbij drie beelden worden samengevoegd, geven relatief veel ruis te zien.

Tijdens het fotograferen kun je al rekening houden met de nabewerking door ‘naar rechts te belichten’. Rechts slaat hierbij op het histogram van de foto, waarbij de rechterkant staat voor de lichte delen van de foto en de linkerkant voor de donkere delen.

Door iets over te belichten, maar wel de grafiek net van de rechterrand te houden, kun je in nabewerking door de foto weer correct te belichten ruis beperken

Hoe verder naar rechts je het histogram kunt krijgen zonder dat de grafiek rechts het beeld uit loopt (en er lichte tinten verloren gaan), hoe beter voor het voorkomen van ruis in de nabewerking achteraf. Je kunt beter een licht beeld meer contrast geven en donkerder maken dan een te donker beeld lichter. Let wel op dat je niet te ver overbelicht, controleer de belichting met het histogram en de overbelicht indicator die rood knippert als er geen detail meer te zien is in de lichte delen.

Als je met het RAW formaat werkt, dan speelt ook mee hoe goed de RAW engine de RAW foto’s kan converteren. Adobe brengt bijvoorbeeld eens in de zoveel tijd een aanpassing van hun Camera Raw engine uit die meestal ook verbeterde ruisprestaties geeft. Hoe goed zo’n RAW engine is kan per camera merk en type verschillen.

Ruisreductie in software

Naast ruisreductie in de camera kun je ook achteraf ruisreductie toepassen in software, waarbij je er ook hier rekening mee moet houden dat er altijd iets van de foto verloren gaat bij het bewerken. Het verwijderen van luminantieruis (korrels met grijstinten) gaat ten koste van de scherpte van een foto (natuurlijk ook weer te corrigeren), het verwijderen van chromaruis gaat ten koste van sommige kleuren.

Het reduceren van ruis in de foto is een balans tussen hoeveel verzachting en beschadiging van kleurgegevens je wilt accepteren ten opzichte van hoeveel ruis je acceptabel vindt. Het ligt er dan ook een beetje aan waar je de foto voor wilt gebruiken. Als je een grote poster wilt maken is dit kritischer dan als je een 750x500px webafbeelding wilt maken. Als je een kleiner bestand maakt zul je merken dat de ruis minder zichtbaar is (net zoals bijvoorbeeld problemen met de scherpte) dan in een groter bestand, soms kan het dus al helpen om de foto te verkleinen.

Er zijn veel verschillende softwarematige oplossingen voor het reduceren van ruis. Fotobewerkings- en organisatieprogramma’s zoals Adobe Photoshop (Elements/CS), Paint Shop Pro, Lightroom en Aperture komen met functies om ruis te onderdrukken. Hoe meer lichtinformatie er in een foto beschikbaar is, hoe eenvoudiger de digitale ruis kan worden onderdrukt, het loont dus om in RAW formaat te fotograferen.

Neat Image ruisreductie software

Er zijn ook gespecialiseerde programma’s die ruisreductie als enige functie hebben. Voorbeelden zijn bijvoorbeeld Neat Image, Noise Ninja en Noiseware, maar er zijn er nog veel meer. De meeste programma’s werken met een database van ruispatronen van camera’s om de ruis te reduceren. Doordat ruis vaak een willekeurig karakter heeft zal de effectiviteit per foto verschillen. Let er bij het bewerken wel op dat de reductie niet te ver gaat of je krijgt onnatuurlijk plastic-achtige en/of onscherpe resultaten.

Je kunt er trouwens ook voor kiezen geen ruisreductie toe te passen, maar het beeld zwart-wit te maken zodat de chromaruis niet meer opvalt en het beeld meer op korrel in een oude foto lijkt. Sterker nog, de Lightroom 3 beta heeft specifiek een mogelijkheid om extra korrel (grain) aan een foto toe te voegen!

Camera sensors worden met de jaren beter en het is te hopen dat meer fabrikanten er voor kiezen om het aantal megapixels te beperken ten bate van de prestaties onder donkere lichtomstandigheden. Hoewel technologische ontwikkelingen, ruisreductiesoftware en het slim om gaan met camera instellingen zeker kan helpen om ruis tot een acceptabel niveau te beperken, ontkom je er niet aan om enige ruis in je foto te accepteren, net zoals dat je met film korrel ziet.

In een toekomstig artikel wil ik nader in gaan op de verschillende gespecialiseerde ruisreductie programma’s. Gebruik je zelf zo’n programma, laat het weten in de reacties en ik zal proberen het programma mee te nemen in de test.

[poll id=”14″]