Mitä on digitaalikameroiden kuvan kohina?

Kun puhutaan digitaalikameroiden kuvan kohinasta, tarkoitetaan rinnakkaista ilmiötä filmin rakeisuudelle. Tulokset muistuttavat toisiaan, vaikka lähtökohdat ovat erilaiset.

Filmin rakeisuus

Herkällä filmillä tarkoitetaan sitä, että filmi vangitsee yksityiskohtia vähemmälläkin valolla tai nopeammilla valotusajoilla. Filmin herkkyyttä mitataan ns. ISO-luvulla. ISO400:sta ylöspäin filmi on varsin herkkää, taas ISO50–100 vaativat enemmän valoa.

Herkällä filmillä kuvattaessa muodostuu kuvaan rakeisuutta: väripinnat eivät ole tasaisia vaan näyttävät muodostuvan pienistä värirakeista. Tähän on syynä se, että filmin valoherkät hopeayhdistekiteet kiinnittyvät toisiinsa ja herkässä filmissä muodostavat suurempia rakeita. Vastineeksi ne valottuvat nopeammin ja muodostavat suurempia kontrasteja kuvaan.

Digikameran kohina

Vaikka digikameralla kuvaisi täysin tasaväristä pintaa, niin kohinan seurauksena kuvaan muodostuu pieniä värimuutoksia eri pikseleihin. Vahvana ilmiö näyttää siltä kuin väripinnan päällä olisi värillistä pölyä tai epätasaisuutta. Digitaalisessa kuvassa tätä kutsutaan kuvan kohinaksi. Suhteellinen kohina lisääntyy kun kennon herkkyyttä kasvatetaan tai kun kuvataan hämärässä – myös kennon valotusajan pidentäminen lisää kohinaa.

Digikameran kennon valoherkät pisteet mittaavat itseensä tulevaa valoa ja muuttavat tämän sähköiseksi jännitearvoksi. Syntyvä jännite on kovin pieni ja sitä vahvistetaan, jotta sitä voisi mitata. Mittauksessa arvo muutetaan digitaaliseksi numeroarvoksi, jota sen jälkeen käsitellään kuin dataa tietokoneessa.

Niin kauan kun mittausarvo on jännitteenä, siihen vaikuttaa erilaisia häiriöitä. Yksi suurimmista häiriölähteistä on ns. sähköinen kohina, jota esiintyy kaikessa elektroniikassa. Kohina aiheuttaa sen, että johtimessa tai komponentissa oleva jännite vaihtelee satunnaisesti. Kohinan lähteenä on toisaalta aineessa aina tapahtuva elektronien liike ja toisaalta viereisistä komponenteista ja muista radiotaajuisista lähteistä tulevat häiriöt. Osan kohinasta aiheuttaa myös lämpösäteily.

Kohina ei välttämättä ole kovin voimakasta, mutta kun mitataan pieniä jännitteitä, siitä alkaa tulla merkitsevää. Erityisesti kun jännitettä vahvistetaan, vahvistetaan samalla siinä olevaa kohinaa.

Kohina ja herkkyys

Digikennollekin voidaan asettaa ISO-herkkyys – arvot ovat vertailukelpoisia filmin arvoihin – asetus onnistuu suoraan kameran säädöistä. Herkkyyden kasvatus tapahtuu kuitenkin eri tavalla.

Muutettaessa kennon ISO-herkkyyttä kasvatetaan itseasiassa pikseleiden tuottaman jännitteen vahvistusta – itse pikselien toiminta ei muutu mitenkään. Kohinataso pikseleissä pysyy suunnilleen vakiona koko ajan, mutta kun valoa tulee vähemmän kennolle, niin kohinan suhteellinen osuus koko signaalista kasvaa. Lisättäessä vahvistusta kohina tuleekin näkyviin selkeämmin.

Sähköisen kohinan vahvistumisen voi kuulla esim. radiossa. Kun siirrytään kauemmaksi lähetyspaikasta, lähetyssignaali heikkenee. Radio pyrkii vahvistamaan signaalia enemmän ja samalla se vahvistaa ilmakehän sähköistä kohinaa ja tämä alkaa kuulua suhinana radiolähetyksessä.

Koska kohina aiheuttaa kennon jännitteessä kokoajan vaihtelevaa heilahtelua, niin pitemmällä valotusajalla kohinaa kertyy enemmän. Sinänsä kohinan aiheuttamat virheet kyllä summautuvat ja kompensoivat toisiaan, mutta kohinan satunnainen jakauma myös leviää ja mahdollistaa suurempia satunnaisia kohina-arvoja. Pitkä valotusaika myös lämmittää kennoa. Lämpö aiheuttaa lisää kohinaa kennossa.

Kohinan vähentäminen

Kohinan suhteellista osuutta voidaan vähentää parantamalla kennon pikselin valon vastaanottokykyä. Käytännössä tämä tehdään suurentamalla yksittäisen pikselin läpimittaa. Tämä on pääsyynä siihen, että digijärjestelmäkameroiden suurempi kenno antaa puhtaampia kuvia.

Toinen tapa poistaa kohinaa on mitata pikselissä syntyvää kohinaa kuvaamalla samalla pikselillä mustaa pintaa ja vähentämällä tässä syntyvä kohina varsinaisesta valonmittauksesta. Tämä perustuu siihen, että kennon antureita ei saada valmistettua aivan samanlaisiksi. Niiden oma virhe keskitasoon nähden voidaan poistaa tällä tavoin.

Uusin tapa vähentää kohinaa fyysisesti on muuttaa se numeeriseksi tiedoksi jo kennon anturissa. Tällöin valoisuustiedon siirrossa syntyvät häiriöt saadaan pois. Ensimmäisiä tälläisiä kokeiluja on tehty uusilla CMOS-kennoilla. Vastaavanlaiseen ideaan perustuu digiradio ja -tv. Kun lähetyksen signaali on numeerisena, ei siihen enää vaikutakaan ilmankehän sähköiset häiriöt.

Digipokkarissa kohina pysyy kurissa kuvaamalla mahdollisimman pienellä herkkyydellä ja pyrkimällä saamaan kuvaan mahdollisimman paljon valoa.

Kohinaa saattaa vahvistaa myös erilainen kuvankäsittely. Esim valoisuuden lisääminen tai värilämpötilan muuttaminen kuvankäsittelyssä saattaa tuoda kohinan esille pahasti. Värilämpötilan säätö jo kamerassa tuottaa usein paremman tuloksen.

Kohinaa voidaan poistaa kuvankäsittelyssä, ohjelman omalla toiminnolla tai ulkoisella ohjelmistolla. Esimerkiksi Neat Image -ohjelmistolla on saatu hyviä tuloksia. Ohjelmisto pyrkii etsimään tasaisia väripintoja ja poistamaan näistä pikselien välisiä vaihteluja. Toinen tapa on jättää kohina kuvaan, mutta poistaa siitä väri, jolloin tulos muistuttaa filmin rakeisuutta, eikä yksityiskohtia menetetä.

Myös kameroiden oma ohjelmisto tekee kuvalle kohinanpoistoa. Tulokset vaihtelevat, joskus kuva menettää varsin paljon terävyyttään. Jos kamerassa on säädettävissä kohinanpoiston voimakkuus, kannattaa kokeilla itse, miltä tulokset näyttävät.

Aina valo ei riitä. Silloin herkkyyttä pitää nostaa ja sietää jonkinlaista kohinaa kuvassa. Filmipuolella rakeisiakin kuvia arvostetaan harkittuna tehokeinona.