Oorspronkelijk gepubliceerd in 2025
Ruis
Ruis is de afwijking van het echte signaal en-dat-is-het.
Neem 3 drinkbekers en zet ze tijdens een stevige regenbui op een rij in het gras, bedekt met een stuk karton. Klaar? Neem het karton 1 seconde lang weg en leg het terug. Hoeveel druppels zijn er tijdens die ene seconde in de bekers gevallen? Stel: 6 druppels in de ene beker, 4 in de tweede en 5 in de derde. De eerste bevat dus 1.5x meer druppels dan de tweede(!). Dat verschil is te beschouwen als ruis: het aantal druppels in elke beker varieert.
Herhaal het experiment, maar laat de regen nu een kwartier lang in de bekers vallen. Ze zullen tot op een vergelijkbare hoogte gevuld zijn, maar ook hier is er die variatie. De verschillen (in druppels) zijn zelfs veel groter dan daarnet, omdat het over meer water gaat, maar relatief gezien is de variabiliteit afgenomen. De ene beker heeft niet langer 1.5x meer druppels dan de andere.
Licht wordt op gelijkaardige wijze geregistreerd.
Licht
Licht valt met ongelijkmatige tussenpozen op ons netvlies, als een serie energiepakketjes (fotonen). Onze hersenen compenseren ervoor, zodat we de onregelmatigheden niet zien, maar ze zijn er wel. Deze variabiliteit is verantwoordelijk voor het merendeel van de ruis waarmee je te maken krijgt bij foto's. Je ziet het vooral in de minder belichte delen van het beeld. Een donker voorwerp stuurt immers minder fotonen uit, waardoor kleine afwijkingen (als pixels van een onverwachte helderheid of kleur) meer in het oog springen. In de heldere gedeelten van het beeld zijn deze afwijkingen groter in absolute termen, maar ze vallen minder op in de stortvloed van fotonen. Zoals met de druppels hierboven.
Het licht zelf is de belangrijkste bron van ruis in een beeld. Deze ruis noemt men "foton ruis". De verwerking van het licht in de camera doet daar nog een schep bovenop; dit is "elektronische ruis".
We bekijken nu meer in detail hoe en wanneer ruis wordt gecreëerd bij het maken van foto's (met de digitale camera).
Foton ruis
In het Engels: "Photon noise", soms ook "Shot noise".
Niemand ontsnapt aan foton ruis, want deze komt niet van de camera, maar (zoals gezegd) van het licht zelf. Foton ruis neemt toe met de vierkantswortel van het signaal, dus: hoe sterker het signaal, hoe meer ruis in absolute termen maar hoe minder hij opvalt (m.a.w. hoe beter de Signaal/Ruis verhouding).
Om deze ruisbron minder zichtbaar te maken, doe je er best aan om zoveel mogelijk licht te capteren. Dat doe je met een lange sluitertijd en een groot diafragma. In tegenstelling tot wat sommige mensen suggereren wanneer ze spreken over "de belichtingsdriehoek", verandert een hogere of lagere ISO-waarde niets aan de belichting.
Elektronische ruis ("Read noise")
"Read Noise" (upstream of downstream) wordt veroorzaakt door de camera. Je kan het vergelijken met de "brom" van een hifiversterker. Zodra je de versterker inschakelt, hoor je die brom. Je hoort 'm het best als je de volumeknop opendraait tijdens een stille passage.
> Elektronische ruis voor de versterking
In het Engels: "Upstream read noise", of "Front-end read noise".
"Upstream read noise" is de ruis die de camera veroorzaakt nog voordat het binnengekomen signaal analoog wordt versterkt. Dit is bv. de ruis die ontstaat door de opwarming van de onderdelen van de camera, of de imperfecties wanneer een pixel na de vorige uitlezing opnieuw op nul wordt gezet -want perfect 0.0000 is het nooit.
Deze bron van ruis is in praktijk eerder bescheiden; de elektronica in de camera's van nu staat doorgaans op een hoog niveau.
> Analoge versterking
Licht dat als pakketjes van fotonen op de sensor valt, laadt de pixels elektrisch op. De camera zet dit om in een analoog voltage. Is de ISO-waarde hoger ingesteld dan de basis ISO-waarde (bv. 400 i.p.v. 100), dan wordt dit voltage (analoog) versterkt.
Tezamen met het signaal wordt hiermee ook de reeds aanwezige ruis (photon noise + upstream noise) versterkt.
Digitale ISO
Je ziet soms digitale of gesimuleerde ISO-waarden geadverteerd voor een camera, bv. "tot 128000 ISO!". Dat is geen extra. Deze ISO-waarden worden gecreeerd door de digitale waarden helemaal aan het einde nog eens extra te vermenigvuldigen, zonder onderscheid des persoons. Alle bronnen van ruis worden mee versterkt. Je kan dit achteraf ook zelf doen in je software programma. Hier maakt het niet uit of de camera ISO-invariant is of niet.
> Elektronische ruis na de versterking
In het Engels: "Downstream read noise", of "Back-end read noise".
Na de eventuele versterking worden de voltages gedigitaliseerd. Het resultaat van de operatie is een lange reeks getallen die door de computer kunnen worden gelezen en vertoond worden als beeld. Maar ook deze A/D conversie brengt kleine afwijkingen met zich mee, met andere woorden: ruis. Deze bron van ruis noemt men "downstream read noise".
Als een camera niets van ruis toevoegt tijdens deze stap ("downstream read noise" is nul), dan is hij "ISO-invariant".
Bij een ISO-invariante camera mag de ISO-instelling permanent op de laagste waarde blijven staan; je kan de helderheid van het beeld achteraf "oppompen", tijdens de bewerking op de computer, zonder dat het iets kost. Je kiest sluitertijd/diafragma met het oog op maximale lichtinval (en andere vereisten) en als het eindresultaat te donker oogt, verschuif je in de nabewerking de "Brightness" slider in je fotobewerkingsprogramma. Qua ruis is het resultaat hetzelfde als wanneer je de foto had genomen met een hogere ISO-waarde.
Het voordeel hiervan lijkt ogenschijnlijk klein: je kan ISO vergeten op het moment dat je foto's neemt, in ruil voor wat extra muizenwerk achteraf. Maar het echte voordeel is dat je hierdoor meer dynamisch bereik krijgt in je beeld: meer gradaties en minder uitgebrande pixels. Sensoren hebben een maximale dynamiek bij "basis ISO". Daarenboven kan je achteraf nog geselecteerde zones oplichten zonder aan de witste plekken te raken. Met het verhogen van de ISO wordt elk beeldpunt verhelderd.
Daartegenover staat een praktisch bezwaar: het beeld in de zoeker of op het lcd-scherm zal donkerder zijn als je vrede neemt met een lage ISO en pas achteraf gaat verhelderen. Dat maakt het moeilijker om het beeld (compositie, scherpte, ...) te evalueren op het moment zelf: je ziet het niet goed.
Als er ook na maximale belichting geen kans is op overbelichting (bv. bij een uniforme scène of wanneer de scène sowieso te donker is om voldoende te belichten), dan maakt het (gegeven ISO-invariantie) niet echt uit of je de ISO-waarde verhoogt of alles aanpast nadien.
Kijk ook eens hier voor meer uitleg over de keuze van de ISO-instelling.
