Šum digitalnih aparata

U digitalnim optičkim sustavima šum je definiran kao neželjeni nasumični signal.

U digitalnim optičkim sustavima šum je definiran kao neželjeni nasumični signal. Takav nepoželjni signal miješa se s korisnim signalom i utječe na njegovu kvalitetu. Može nastati bez djelovanja svjetla, a može biti i posljedica ekspozicije. Kod digitalnih optičkih senzora postoji više izvora šuma. Prvi je takozvana tamna struja ili tamni šum. On nastaje kada na pojedinom pikselu postoji signal iako senzor nije osvijetljen. Kako bi digitalni optički sustav uopće mogao funkcionirati on mora imati osobinu koja omogućuje da svjetlosna energija dovedena na senzor oslobodi dovoljno elektrona da ih elektronički sklop može izmjeriti i pretvoriti u korisni signal. U sustavu ovako podešene osjetljivosti postoji još jedan oblik energije koji može osloboditi elektrone u silikonskom poluvodiču, to je toplinska energija.

Toplinom oslobođeni elektroni ni po čemu se ne razlikuju od onih nastalih djelovanjem svjetla. Broj termički generiranih elektrona u pojedinom pikselu je naravno nepredvidiv. Osnovna karakteristika šuma je upravo nasumična fluktuacija, nepredvidiva promjena vrijednosti signala s vremenom. Zbog te nasumičnosti šum predstavlja toliki problem. Kad bi njegova vrijednost u određenim uvjetima bila konstantna uklanjanje bi bilo vrlo jednostavno jer bi ga mogli izmjeriti i matematičkim putem oduzeti od signala. Kao kod sata koji uvijek kasni npr. 5 minuta. Imamo li takav sat, možemo znati točno vrijeme iako ga on tako ne prikazuje, jednostavno na očitanu vrijednost dodamo tih 5 minuta kašnjenja. Analogija za naš slučaj je sat koji naizmjenično, ali nepredvidivo malo kasni, a malo ide naprijed, tako da mi nikada ne možemo znati točno vrijeme.

Termički šum, tj. tamna struja ovisi o temperaturi i u praksi se udvostručuje pri povišenju temperature za 10 celzijusovih stupnjeva. Znajući za ovaj podatak u nadolazećem ljetu ne ostavljajte svoje digitalne aparate na suncu i u pregrijanim automobilima. Kod CCD senzora u znanstvenim uređajima termički šum uklanjaju hlađenjem. U njima senzori u pravilu rade na temperaturama od – 60 celzijusovih stupnjeva. U digitalnim fotoaparatima nije moguće primijeniti takav oblik hlađenja te proizvođači koriste manje efikasan sustav. Po rubu CCD čipa nalaze se pikseli zaštićeni od upada svjetla. Oni služe za očitanje referentne vrijednosti šuma tj. trebali bi dati podatak o iznosu tamne struje u vrijeme ekspozicije. Tako izmjerena tamna struja oduzima se od ukupno izmjerenog signala i u teoriji daje sliku bez šuma. Kad bi ovaj pristup u potpunosti funkcionirao digitalna bi slika bila puno kvalitetnija. No šum se kao funkcija vremena ne mijenja isto za sve piksele, tako da je ovako jednostavan sustav daleko od savršenstva te uklanja samo dio tamnog šuma. Ako ste se ikad pitali zašto se broj piksela deklariran u specifikaciji nekog digitalnog fotoaparata ne poklapa s brojem piksela u slici upravo ste dobili odgovor na svoje pitanje. Proizvođači ove kontrolne piksele također deklariraju kao dio senzora ne spominjući pri tome da oni ne sudjeluju u stvaranju slike. Tako je fotoaktivna površina uvijek manja od ukupne površine CCD-a.

Termički šum je samo jedan oblik šuma koji se javlja u digitalnim optičkim sustavima. Drugi izvor šuma je tzv. stalni uzorak (fixed pattern noise). Zbog neravnomjernog rasporeda nečistoća i nehomogenosti poluvodičkog kristala iz kojeg je izrađen senzor njegova struktura sadrži određenu neodređenost, neefikasnost i nepreciznost. Stoga nisu svi pikseli jednako osjetljivi na svjetlo te tako nastaju područja manje i veće osjetljivosti na istom čipu. Da bi stvar bila još lošija pikseli i razmaci među njima nisu jednake veličine, pa svaki piksel u principu daje pomalo različiti signal za isti ulazni nivo svjetla. Te su varijacije reda veličine nekoliko postotaka, najčešće između 1 i 3 posto. Ako se na čipu nalazi piksel koji je izrazito manje osjetljiv od prosječne osjetljivosti senzora on će se na slici manifestirati kao tamna točkica. Takvi su pikseli dobili naziv mrtvi pikseli.

Ako se na čipu nalazi piksel koji je izrazito osjetljiviji od prosječne osjetljivosti senzora on će se na slici manifestirati kao svjetla točkica. Takvi su pikseli dobili naziv vrući pikseli (hot pixel). Što je ekspozicija duža, ovaj tip šuma je izraženiji. Neki proizvođači ugrađuju kompenzaciju elektroničkim putem. Za one uređaje koji nemaju kompenzaciju, korisnik se može pobrinuti i sam, tako da snimi stalni uzorak (pri istim uvjetima koje je koristio kod fotografiranja) i kasnije ga oduzme od slike.

Kao što smo već objasnili tamnu struju generira toplinska energija, no glavni su uzrok povećane osjetljivosti na toplinu defekti u kristalnoj rešetci silicija. Vrući pikseli posljedica su nečistoća u siliciju. Na mjestima vrućih piksela pronađeni su tragovi metala. Iz ovog proizlazi da termički šum, iako ovisan o temperaturi, u prvom redu ovisi o kvaliteti početnog materijala i načina njegove obrade za vrijeme izrade foto osjetljivog čipa.

Zadnji izvor šuma u digitalnim sustavima je šum elektronike, ponajviše pojačala. Nakon očitavanja naboja kojeg je generirao čip signal treba pojačati na upotrebljivu vrijednost. Takvo pojačanje generira šum, slično kao i kod elektronike u audio sustavu. Čip ima samo jednu osjetljivost. Promjenom ISO vrijednosti mi samo mijenjamo pojačanje elektronike koja pri tome unosi još više šuma. Tu se javlja još jedan problem. Elektronička pojačala ne mogu neograničeno pojačavati signal. Linearnost pojačala je ovisna o količini pojačanja, kako kod većeg pojačanja dolazi do nelinearnog odziva dolazi i do pomaka reprodukcije boje, najčešće se javlja jaki pomak k plavom djelu spektra.