Brus - fördel med ND-filter

[The_SuedeII]

PGA en annan diskussion här så tog jag lite provfoton för att demonstrera fördelen med ett bra ND-filter eller polfilter när man har tillräckligt med ljus. Ett sämre ND-filter tar tyvärr bort för mycket skärpa, så det både hjälper och stjälper i samma moment...

Teorin/tekniken bakom är att i skuggpartier så domineras kamerabruset av ljusets egna brus, "photon shot noise", vilket i sig beror på kvantfördelningen i ljuset... Mer ljus (fler fotoner) är lika med mindre brus.

Photon shot noise kommer från naturen, och har inget med kameran i sig att göra - alltså måste vi ta till hjälpmedel utanför kameran för att påverka det... Detta brus beror på mängden ljus som något avger (det motsvarar roten på totalt antal fotoner). ND-filtret hjälper här genom att helt enkelt "ta bort" en ganska stor del av ljuset som det man fotograferar avger, och framtvinga längre slutartider - mer ljus (fler fotoner) hinner avges från det du fotograferar, och andelen brus i ljuset minskar därmed. Dubbelt så mycket ljus är lika med √2 ggr mindre brus...

Exempelfotona är tagna med en D700 i väldigt svag halogenbelysning, och sedan har jag lyft skuggorna en del i efterbehandlingen för att göra resultatetn tydligare även på de små bilder man kan visa här.

Jag har klippt ihop bilderna FÖRST (16-bit tiff från LR till PS) och gjort efterbehandling SENARE för att det ska vara lika för alla tagna bilder, så eftersom jag bytt filter mellan de olika fotona kan vitbalansen och ljusheten i enskilda foton skilja lite.
Observera att alla foton ser ungefär lika exponerade ut när man öppnar dem i Lightroom, det är bara filter och slutartid som skiljer sig.

Siffran inom parantes är slutartiden.

 

[The_SuedeII]

Eftersom jag överdrivit en del i exemplen så är skillnaden mycket större än den man kan se i ett normalt foto taget god exponeringsplanering, men om ni tänker er att kameradetaljen på fotot är ett djur i ett skogsbryn på ett naturfoto, så förstår ni när man kan ha nytta av tekniken. Skuggpartier blir betydligt renare och färgexaktheten ökar dramatiskt. Man kan skärpa mer, och arbeta bilden hårdare om det skulle behövas.

Ett exempel till, med lite mer färg - återigen samma synbara exponering på fotona. Jag har lagt till först ett polfilter, sedan ett ND2, och i sista har jag "stackat" pol- och ND2-filtret.

Enda gången man har nytta av detta är om man fotar saker (natur/porträtt/sport) i direkt solljus, man har skuggpartier som är viktiga för bilden, och man känner att man skulle klara betydligt längre slutartider utan att låta andra saker bli lidande. Genom att förlänga slutartiderna med ett ND eller polfilter så får man alltså mindre brus i hela bilden... Det man närmast gör genom att skruva på ett ND1-filter är att sänka ISO ett steg, ND2 = 2steg osv...
Men man får se upp så man inte går för långt och får skakoskärpa istället!

 

[ebermark]

Intressant, men inte alltid så praktiskt

 

[sarnor]

Imponerande skillnad, men jag förstår inte hur det kan fungera. Sensorn måste väl fånga lika många fotoner i samtliga fall, annars skulle väl exponeringen skilja? Jag förstår att sensorn kan bygga upp laddningen under en längre tid, men hur kan de påverka bruset på detta sätt?

Nyfiken!

/Sara

 

[FrePe]

Sen ser det ut att vara betydlig skilldnad vaddet gäller skärpa/kontrast på bilderna, en svit av filtrena som döljer bruset något.

 

[iSolen.se]

Nu får du förtydliga matematiken och fysiken, lång tid lite ljus borde vara exakt samma som mycket ljus kort tid om exponeringen hålls konstant. Dvs samma mängd infallande fotoner. Avser du kamerans elektronikbrus borde bara tiden och förstärkningen avgöra. Dvs motsatt effekt m a p tiden.

Vad är bra filter? Jag kör Hoya och får inte till skärpan. Jag har ND4 och ND8-filter.

 

[The_SuedeII]

Först får jag be om ursäkt för att jag skrivit fel i bilderna, jag har nog TÄNKT ND-filter med 2stopp filtrering och skrivit dit en tvåa. Filtret är en ND4!!!

Kamerans elektronikbrus (eller egentligen bara mörkerbruset - förstärkningsbrus och utläsningsbrus påverkas inte) ökar med exponeringstiden, helt korrekt. Denna påverkan är dock ganska liten, mindre än att t.ex ha LiveView igång hela tiden.

Anledningen till brusminskningen i detta fall finns redan i avgivandet av ljuset!:

Om en viss punkt på ett fotograferat objekt reflekterar 400 fotoner (detta är ~7stopp ner från mättad sensor på en D700) som träffar en viss punkt på sensorn så är "felmarginalen" på detta ljus √400=20 fotoner. Detta har inte med kameran att göra, det har med ljusets kvantmekaniska beskaffning att göra. Ljus är inte en perfekt linjär energikälla, den har en minstabeståndsdel (fotonen) som liksom alla naturliga energifenomen har en normalfördelning - den är inte perfekt jämnt fördelad över tid.

Så... 400 fotoner avges "mot" en viss sensel under en viss tid, och felmarginalen är 20 (detta ger ett brusavstånd på 1:20, eller ca 4.3Ev). Ett ND-filter som "tar" 2 stopp ljus tar dessa siffror och filtrerar helt enkelt bort 3:4 fotoner.

För att få samma exponering fyrdubblar vi slutartiden (eller ökar bländaren två steg), och från samma punkt på det fotograferade objektet reflekteras då under denna tid 400x4=1600 fotoner att mäta, vilket ger ett brus på √1600=40 fotoners "felmarginal". ND-filtret tar fortfarande bort 3 fotoner av 4, kvar finns 1600/4=400 fotoner med en felmarginal på 40/4=10 fotoner - vilket är ett brusavstånd på 1:40, eller ca 5.3Ev.

Vi har nu höjt brusavståndet från 4.3Ev (1:20) till 5.3Ev (1:40), och detta är ett helt stopp brus - vilket vi upplever som ännu mer (pga av att detta brus dessutom kommer orsaka ett färgfel i bayerinterpoleringen), speciellt i skuggområden.

Det kanske är lättare att se principen om man tänker "ljus över en viss tid" snarare än bara "totalmängd ljus". Att mäta ljusmängden över en längre tid (längre slutartid) eller över en större area (större bländare) ger en mindre felmarginal.

"Bra" ND-filter...? Det finns nog ingen tumregel där, jag har haft filter som fungerat med bra skärpa och liten AF-påverkan på vissa objektiv, men varit märkbart sämre på andra... (???). Jag har nåt Hoya HMC, nåt Tiffen, och nåt äldre Nikon orginal.

 

[The_SuedeII]

Den största anledningen till skepticism ang dessa effekter beror att man helt felaktigt tror att det mesta av bruset i en bild kommer av elektronik i kameran och vald ISO-förstärkning. Det gör det inte.

Det största brustillskottet i kameror idag är faktiskt moder natur, och det begränsade antal fotoner vi mäter när vi fotograferar något i mörker (högt ISO) eller i djupa skuggpartier. Att en FF-kamera har mindre brus än en kompaktkamera har inte med någon magisk tillverkningsprocedur att göra, det är helt enkelt en effekt av att en större area = fler insamlade fotoner = mindre felmarginal på mätningen = mindre brus. Bruset per insamlad foton är faktiskt LÄGRE i en normal kompaktkamera än i de dyraste DSLR-kamerorna, det är mängden fotoner som gör skillnaden!

 

[iSolen.se]

Anledningen till brusminskningen i detta fall finns redan i avgivandet av ljuset!:

Tack för förklaringen.

Om jag fattade det rätt:

Ren statistik helt enkelt, 1600 sampel ger ett värde närmare medelvärdet än 400 sampel. Sen att vi i ena fallet plockar bort 75% spelar ingen roll.

 

[iSolen.se]

Den största anledningen till skepticism ang dessa effekter beror att man helt felaktigt tror att det mesta av bruset i en bild kommer av elektronik i kameran och vald ISO-förstärkning. Det gör det inte.

Det största brustillskottet i kameror idag är faktiskt moder natur, och det begränsade antal fotoner vi mäter när vi fotograferar något i mörker (högt ISO) eller i djupa skuggpartier. Att en FF-kamera har mindre brus än en kompaktkamera har inte med någon magisk tillverkningsprocedur att göra, det är helt enkelt en effekt av att en större area = fler insamlade fotoner = mindre felmarginal på mätningen = mindre brus. Bruset per insamlad foton är faktiskt LÄGRE i en normal kompaktkamera än i de dyraste DSLR-kamerorna, det är mängden fotoner som gör skillnaden!

Det här förklarar varför mina studiobilder på prylar på något egendomligt sätt blir brusfriare än utomhusfoto.

Jag har bara några 150W-dagsljuslampor och eftersom jag behöver stort skärpedjup har jag bländat ner till kanske f18 och kört med stabilt kort stativ. Macroobjektiv klarar detta bättre än vanliga objektiv av någon anledning. Slutartider på flera sekunder.

Men mina dagsljus ND4 och ND8 går inte få så skarpa som jag vill, färgerna avviker också men det går ju inte göra något åt. Ska prova att hänga en vikt under stativet för att få bort felkällan.

 

[iSolen.se]

Måste tacka The_SuedeII igen, en hel radda poletter har ramnat ner.

 

[The_SuedeII]

Jupp - felet, eller bruset som naturen står för är alltid följande en gaussisk fördelning, med en normalfördelning som är roten av det man mäter (i detta fallet fotoner) - när man går ner mot väldigt små mätvärden är detta tydligt.
http://en.wikipedia.org/wiki/Shot_noise

√1600 = 40
√400 = 20

ND-filtret tar bort 3/4 av ljuset, och 3/4 av felmarginalen. Kvar finns 400/10 istället för orginalet som var 400/20.

Sen - detta är som sagt bara användbart till något praktiskt när man har mycket mer ljus än vad man behöver. Strålande solsken ute (om jag hamnar på typ 1/800s i tid) - då har jag alltid ett ND-filter eller ett polfilter på. Som kommentar från förra tråden ska jag tillägga att jag väntar på ett FLD-filter till för att laminera en pol-FLD-kombination inför sommaren. Detta blir ungefär 2 stopp, och kombinerar polfiltret med minimal ljusförslust (i solljus dominerar grönt ganska starkt, FLD-filtret blockerar mest grönt - mindre brus i blått och rött)

 

[Makten]

Mycket intressant! En ytterligare positiv aspekt med ND-filter borde kunna vara att objektivets interna glasytor utsätts för mindre brutala ljusflöden. Det skulle kunna minska motljusproblem, om jag tänker rätt, eftersom flares och dylikt mest verkar uppkomma när ljuset är riktigt starkt.
Kan man tänka sig att antireflexbehandlingarna inte är helt linjära inför olika starkt ljus? En lampa i ett visst hörn av bilden orsakar sällan i närheten av lika stora problem som solen, trots att bilderna kan vara likvärdigt exponerade.

 

[The_SuedeII]

Ola, se om du inte kan hitta "HMC"-varianterna på dina Hoya-filter, de är faktiskt en bra bit bättre än standardversionerna som antingen är enkelcoatade eller två-lagers-coatade. HMC-versionen är väldigt lik Pentaxobjektivens antireflexbehandling, och ska vara en av de bästa. DMC ska vara ungefär likvärdiga, men "digitalanpassade" - vad de nu menar med det... (?)
LITE lägre än F/18 borde du kunna prova (beroende på vilken kamera du mest använder) - F/11 ger skarpare bild "mitt-i-fokusplanet", och denna effekt sträcker sig ganska långt ut mot ändlägena av (det lite kortare) DoF. Förlåt om jag trampar på någon fotograftå här nu, men jämför två lika uppställningar tagna på F/11 och F/18 nån gång när du har tid/ork och grejorna uppställda, jag tror det kan vara lönt! Nånstans vid F/11-18 börjar DoF och diffraktion ta ut varandra, man får välja var man vill ha skärpan - mitt i fokusplanet eller sämre, men jämnare skärpa över hela DoF.

ND-filter är inte så bra att kombinera med jättesmå bländare, de fungerar ju som absorbenter av ljus. Små små partiklar i glaset absorberar fotoner och omsätter dem till värmeeffekt. Tyvärr är inte absorbtionen 100%-ig per partikel, vissa delar av ljuset studsar istället för att absorberas, och detta ger en viss spridning av ljusstrålen. Ju mindre bländare man använder, desto mindre area av ND-filtret används för att "skicka" ljus till varje enskild pixel i bilden, och effekten av de fotoner som "studsat" istället för att absorberas blir då tydligare och tydligare. ND4 på F/2.8 = väldigt liten påverkan på skärpan, ND4 på F/18 = ganska stor inverkan på skärpan (eller lokal kontrast, hur man nu vill uttrycka det!)

 

[The_SuedeII]

Antireflexbehandlingar ÄR inte linjära med ljusstyrka, de avtar i (den synbara!) effekten med mängd instrålat ljus pga mättningseffekter, mest då av diffraktion mellan de olika lagren av coating. Ett polfilter har ungefär samma effekt, c-pol diffrakterar - eller egentligen mer korrekt dispergerar - (synbart) mer vid högre ljuseffekter, vilket man kan se runt t.ex starka ljuspunkter. Tyvärr en ofrånkomlig bieffekt av det nödvändiga fasinverteringslagret - det som gör att polfiltret blir "cirkulärt". Jag använder gamla billiga linjära polfilter på mina helmanuella objektiv av denna orsak. Jag brukar träffa rätt exponering ändå... Jag är inte så bra på att ha bråttom när jag fotograferar!

Att bilderna (med mer "normala" bländare) kan se skarpare ut utan ND-filter beror också lite på skärpningstekniken - en bild men mindre brus kan/ska skärpas på ett lite annat sätt... Brus "lurar" hjärnan att tro att bilden är skarp. Mindre brus = man kan skärpa mer, men man måste göra det på rätt sätt för att de inte ska se onaturligt ut... Bilderna i mina exempel ovan är skärpta exakt lika mycket allihopa, men det finns gott om utrymme att skärpa bilderna med mindre brus betydligt mer!

Bilderna under är EXAKT SAMMA kopia, men jag har lagt till lite,lite brus i den högra. Skillnaden är inte stor, men visst upplever man bilden med brus som lite skarpare/kontrastrikare? Brus = fler pixel-till-pixel-övergångar med högre kontrast = det synbara intrycket av "mer skärpa".

 

[alterschwede]

att öka kontrast brukar i generell ge intryck till bättre skärpa

 

[Makten]

att öka kontrast brukar i generell ge intryck till bättre skärpa

Om du kikar på histogrammet för respektive del av bilderna som Joakim visade, så har kontrasten inte ökat. Man kan skönja en liiiiten ökning av lågdagrar på grund av bruset, men totalkontrasten är likvärdig.

Tillägg: Här är respektive histogram:

 

[jakobnev]

Du kan måla mig skeptisk

Jag ska försöka mig på en förklaring:

Säg att vi singlade slant 400 ggr. och räknade 1 för krona och 0 för klave och sedan räknade ihop summan. Om vi sedan upprepade detta ett oändligt antal gånger skulle summorna ha ett väntevärde på 199 och en standardavvikelse proportionell mot sqrt(400).

Om vi gjorde samma sak fast med 1600 slantsignlingar per summa skulle vi få ett väntevärde på 799 och en standardavvikelse proportionell mot sqrt(1600).

Nu kommer vi till det lite svårare:

Säg att vi först singlar slant 1600 ggr och sen väljer ut 400 av dessa resultat slumpmässingt(igen ett oändligt antal ggr), väntevärdet av summorna kommer att vara 199, men vad blir standardavvikelsen?

(tänk ett tag)


(..lite längre)


När man kommer på svaret så måste man ju dra slutsatsen att trådskaparen har begått ett mistag och att förklaringen till det minskade bruset beror på nåt annat.*

Min egen hypotes är att lågbrusbilderna helt enkelt är lite rikligare exponerade, kanske p.g.a. att exponeringtiden var lite längre än den skulle varit, ocg kanske p.g.a. att filtren inte tar bort så mycket ljus som de lovar.



*)För den som inte kom på svaret än: Kom ihåg att varje utvald slantsingling fortfarande är just en slantsingling, med exakt samma statisktiska egenskaper som i det första examplet där man bara hade 400 från början. (Samma gäller fotoner)

 

[iSolen.se]

Jag ska försöka mig på en förklaring:

Säg att vi singlade slant 400 ggr. och räknade 1 för krona och 0 för klave och sedan räknade ihop summan. Om vi sedan upprepade detta ett oändligt antal gånger skulle summorna ha ett väntevärde på 199 och en standardavvikelse proportionell mot sqrt(400).

Om vi gjorde samma sak fast med 1600 slantsignlingar per summa skulle vi få ett väntevärde på 799 och en standardavvikelse proportionell mot sqrt(1600).

Nu kommer vi till det lite svårare:

Säg att vi först singlar slant 1600 ggr och sen väljer ut 400 av dessa resultat slumpmässingt(igen ett oändligt antal ggr), väntevärdet av summorna kommer att vara 199, men vad blir standardavvikelsen?

(tänk ett tag)


(..lite längre)


När man kommer på svaret så måste man ju dra slutsatsen att trådskaparen har begått ett mistag och att förklaringen till det minskade bruset beror på nåt annat.*

Min egen hypotes är att lågbrusbilderna helt enkelt är lite rikligare exponerade, kanske p.g.a. att exponeringtiden var lite längre än den skulle varit, ocg kanske p.g.a. att filtren inte tar bort så mycket ljus som de lovar.



*)För den som inte kom på svaret än: Kom ihåg att varje utvald slantsingling fortfarande är just en slantsingling, med exakt samma statisktiska egenskaper som i det första examplet där man bara hade 400 från början. (Samma gäller fotoner)

Vad jobbig du är

Funkar filtret verkligen som en slumpmässig samplare?

Jag har ju nämnda filter så...

Om jag riktar kameran mot himlen och tar en bild med filtret och en utan med samma bländare men kortare slutartid...