Vi förklarar: Digitalt brus

Med analog fotografering finns inte något digitalt brus. Däremot finns ett sorts brus som beror på ljusets natur, det så kallad fotonspridningsbruset, något som vi aldrig kommer undan. Men när vi tittar närmare på ett analogt fotografi ligger problemet med brus snarare i hur filmens korn reagerar med det infallande ljuset.

Storleken på kornen kan liknas vid upplösning och pixlar, men brus på analog film är svårare att föra över till den digitala fotografins brus. Det de har gemensamt är hur det inkommande ljuset faktiskt skiljer sig mot den slutgiltiga bilden – det blir nämligen alltid fel i hur ljuset representeras och mäts, vare sig det handlar om kemiska processer eller digitala sensorer.

Om vi tittar närmare på vad digitalt brus är och hur det uppstår, så ser vi att det främst finns fem olika sorter som påverkar hur bruset ser ut i bilderna: spridningsbrus, utläsningsbrus, mönsterbrus, termiskt brus och slutligen responsivitetsbrus. Olika brus har olika karaktär eftersom de uppkommer på grund av olika orsaker. Här får du veta hur det går till.

Fotonspridningbrus

Fotonspridningsbruset kallas även »Poisson-brus« efter den franske matematikern Siméon-Denis Poissons teorier om hur saker och ting fördelar sig runt ett medelvärde. Inom fotografering kan man tillämpa hans teori på hur fotoner träffar en fotografisk film eller en digital sensor.

Om vi tittar på hur fotoner registreras på en viss del av en sensor under en viss tid, så kan man räkna ut ett medelvärde av hur många de är. Men det finns alltid en avvikelse från medelvärdet på vissa partiklar, vilket innebär att de hamnar på en annan del av sensorns yta än de flesta gör. Dessa partiklar följer teorin om Poisson-fördelning och skapar i sin tur det fotonspridningsbrus som är helt slumpmässigt, och följer därför inte något mönster – en del av pixlarna träffas av fler fotoner, en annan av färre –vilket ger en oregelbundenhet i bildens struktur även där det borde vara helt regelbundet. En himmel är ett sådant exempel.

Detta brus förhåller sig till hur många fotoner som fångas in i bilden, vilket innebär att en bild tagen i svagt ljus har förhållandevis mer av fotonspridningsbruset än en bild tagen i starkt ljus. På samma sätt har en sensor med stora pixlar mindre brus av denna typ.

Utläsningsbrus

Sensorn i dagens digitala kameror innehåller miljontals »fotonfångare« som i sin tur hjälper till att skapa en pixel i den digitala bilden. Denna fotonfångare kallas för »sensel« (förkortning av sensorelement) och omvandlar alla fotoner som den träffats av till en elektrisk spänning som är proportionell till fotonträffarna.

Skulle denna elektriska spänning sedan kunna hålla exakt samma värde i sin färd från sensors avläsning, förstärkning och digitalisering –ändå fram till kamerans bildbehandlingsprocessor – så skulle vi kunna behålla ett perfekt förhållande mellan fångade fotoner och hur den bildar en pixel i bilden. Men så är det inte.

Därför får vi ett så kallat utläsningsbrus. Bruset uppstår när vi leder den elektriska signalen genom kamerans olika kretsar och komponenter, som i sin tur leder till avvikelser i förhållande till den optimala och ursprungliga signalen. Förekomsten av utsläsningsbruset syns främst i de lägre lågdagrarna.

Bra komponenter och kretsar i din kamera ger alltså ett mindre utläsningsbrus.

Mönsterbrus

Beroende på hur de elektriska signalerna läses ut från kamerans sensor uppstår också en systematiskt upprepad skillnad i pixelvärdena som skapas av dels utläsningsbruset, men också det så kallade »responsivitetsbruset« (se nedan). Det som händer är att man kan se återkommande horisontella och vertikala linjer, så kallad »bandning«, som bildar ett eget mönster i bilden.

Bruset kallas för »mönsterbrus« och är egentligen bara något tiotal procent av det totala bruset. Men våra ögon känsliga för mönster, vilket innebär att dessa är lätta att identifiera. Fördelen är att mönstret är repetitivt, vilket gör det enkelt att ta bort i efterhand på ungefär samma sätt som man eliminerar termiskt brus (läs mer om detta senare).

Du kan själv testa din kameras utläsningsbrus och se både hur brusig bilderna blir, men också undersöka om den ger något mönsterbrus. Det hela är enkelt: exponera en jpeg-bild i snabbast möjliga exponeringstid på iso 800 med linsskyddet på objektivet. Inget inkommande ljus kommer att fångas, men däremot fastnar utläsningsbruset på bilden. För att se det måste du öppna bilden i Photoshop och göra en justering i Nivåer. Justera sedan Ingångsnivå för högdager till ett värde på runt 3.

Termiskt brus

Eftersom elektronerna som leder den elektriska signalen påverkas av värme, finns också möjligheten att vissa elektroner frigörs. Dessa elektroner påverkar i sin tur den elektriska signalen, och det är omöjligt att skilja en sådan från en elektron som frigjorts av ljus på sensorn.

Värmen beror oftast på infraröd värme från kamerans processor eller batteri. Tittar man på en bild tagen med lång exponering kan man se heta pixlar som fått förändrad ljusintensitet, främst i närheten av batteriet eller själva kretsarna i kameran. Dessa elektroner bidrar till det termiska bruset, som ökar med högre exponeringstid. Ju längre vi exponerar desto större blir avvikelsen hos pixlarna, vilket innebär att vi kan få så kallade »heta pixlar« i bilden, något som börjar bli ett problem i exponeringar över en sekund.

Detta problem minimeras genom att låta kameran ta en extra exponering med samma exponeringstid utan att ta in något ljus. De heta pixlar som då uppstår i den andra exponeringen kan tas bort från den första. För avancerade kameror löser man också problemet genom en speciell kylningsmetod.

Responsivitetsbrus

Alla sensorelement på sensorn har inte samma effektivitet i hur de fångar de inkommande fotonerna. Därför får vi också en variation i hur en sensel översätter ljus till ett värde för en pixel. Två pixlar som borde få samma värde kan alltså bli olika.

Förhållandet är kvadratiskt mot själva exponeringen: ju mer ljus en sensel exponeras för, desto högre blir också dess responsivitetsbrus. Liksom hos det termiska bruset syns detta brus som heta pixlar som avger för mycket ljus, eller döda, som bara blir mörka.

Allt brus förstärks

Brus på brus blir alltså mer brus. Som du ser så är det ofrånkomligt att få helt brusfria bilder eftersom det beror på både ljusets egenskaper och hur vi mäter ljuset i våra elektriska fotonfångare. I en ideal värld skulle vi också vilja ha ett äkta »1 till 1«-förhållande mellan fotoner och värdet på pixeln, något som tyvärr är omöjligt. Därför måste vi förstärka värdet på de fångade pixlarna, något som bestäms av ISO-inställningen. Ett högre iso-värde ger alltså skenet av att vi fångat in fler fotoner, något som är bra vid fotografering i svagt ljus, eftersom vi fortfarande kan få en bild. Nackdelen är att allt brus i hela ledet, från fotonspridningsbruset till responsivitetsbruset – också förstärks. På så vis ökar vi felet i pixlarnas värden, och gör skillnaderna mellan rätt värde och felaktigt värde större.

Det är därför som dina bilder blir så otroligt mycket brusigare när du höjer din kameras iso.