Ruído e granulação na fotografia digital e analógica

Diferença entre Ruído e Granulação

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Muito se fala em fotos com granulação, efeitos de um ISO alto, ruído ou interferência. Apesar de serem termos corriqueiros e darem um efeito de certa forma similar à imagem, muitas vezes são utilizados inapropriadamente.

Este artigo tem o objetivo não apenas de explicar quais são as diferenças entre granulação e ruído, mas também as suas similaridades. Além disso, é demonstrado o que causa cada um deles, como reduzir/retirar e dá dicas de como adicionar e remover granulação e ruído em fotografias digitais.

Este texto tem grande relevância para quem está estudando a compra de uma câmera digital nova. Ao entender o que causa ruído, fica mais fácil comparar entre modelos. O texto acaba sendo importante também para aqueles que estão buscando aprimorar conhecimentos em fotografia analógica, por discutir um efeito causado pelos grãos do filme fotográfico.


Qual é a diferença entre ruído e granulação

A principal diferença é fácil de entender:

  • Granulação é um termo relacionado à fotografia analógica, ou seja, quando a fotografia é exposta em um filme fotográfico.
  • O termo ruído (também denominado como interferência por algumas pessoas) deve ser utilizado para fotografia digital e se aplica, portanto, apenas a imagens feitas por câmeras digitais.

Enquanto granulação pode ser adicionada artificialmente em fotografias digitais durante o pós-processamento, adicionar ruído à fotografia analógica é incabível – não há como adicionar ruído ao filme fotográfico, nem ao papel (ou outro meio físico) onde a foto analógica foi impressa.

Uma diferença notável é que, enquanto o ruído digital tende a adicionar pontos com cores aleatórias à imagem (ruído cromático), a granulação do filme adiciona apenas pontos escurecidos.

A granulação depende do filme fotográfico utilizado em uma câmera analógica e, portanto, independe da câmera em si. Já o ruído da fotografia digital depende exclusivamente da câmera utilizada.

A granulação é mais facilmente notada em áreas claras de uma fotografia analógica, e o ruído é mais aparente em regiões escuras de uma fotografia digital.

Enquanto o ruído de uma fotografia digital tende a aumentar significativamente em exposições muito longas, a granulação de uma fotografia analógica independe do tempo de exposição da fotografia.


Similaridades entre ruído e granulação

Ambos ruído e granulação são igualmente decorrentes da sensibilidade ISO: quanto maior o ISO, maior tende a ser a granulação em uma fotografia em filme e maior tende a ser o ruído de uma fotografia digital.

Ao encobrir elementos da imagem com pontos randômicos, ambos reduzem a nitidez das fotografias.

Quanto menor o tamanho dos pixels em um sensor e quanto menores as dimensões do filme, mais pronunciáveis são os efeitos de ruído e granulação nas fotografias.

Dependendo do estilo e da intenção do fotógrafo, ruído e/ou granulação podem ser bem-vindos em sua arte se forem vistos como um efeito positivo.


Ruído em câmeras digitais

É bom notar que nem todas as câmeras digitais se comportam da mesma forma e que alguns fatores estão por trás deste comportamento diverso entre diferentes modelos. As causas que listamos abaixo independem do fabricante ou modelo, portanto, se aplicam a todas as câmeras digitais.


O que causa ruído na fotografia digital

Temos algumas regras gerais que nos ajudam a compreender o porquê de modelos diferentes de câmeras se comportarem de forma tão distinta quando o quesito é ruído e nitidez. Dentre muitos outros fatores, os seguintes se destacam:


1 – ISO

O motivo mais significativo de geração de ruído em fotografias digitais é a sensibilidade ISO. Quanto maior a sensibilidade ISO, maior tende a ser o ruído causado em uma imagem digital. Em uma relação logarítmica, o ruído aumenta significativamente com o aumento do ISO (não é uma relação linear).

Quando aumentamos o ISO da câmera, estamos “aplicando um ganho” na iluminação recebida no sensor. Isto significa que estamos aumentando artificialmente a intensidade da luz que atinge o sensor.

O gráfico genérico a seguir não se refere a nenhum modelo específico de câmera digital, mas serve o propósito de demonstrar esta relação não-linear, na qual um pequeno incremento de um ISO já alto, leva a um aumento substancial do ruído.

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Modelos de câmeras diferentes reagem de forma diferente ao aumento da sensibilidade ISO.

Por exemplo, para algumas câmeras, trabalhar com um ISO 800 rende fotografias com pouco ruído, enquanto para outras, as fotos já perderam muito de sua nitidez devido ao ruído.

 


2 – Tamanho do sensor e densidade de pixels

Quanto maior é a densidade de pixels em um sensor, menor é o tamanho de cada pixel. E quanto menor é o tamanho de cada pixel, menor é a sua área disponível para captar luz durante a exposição da fotografia.

No pixel, quanto menor é a área para captar luz, a tendência é que maior seja o ruído gerado por este sensor.

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Para ficar mais claro, seguem dois exemplos concretos:

Exemplo 1: Sensores do mesmo tamanho, mas com quantidade de pixels diferente
Digamos que um sensor full frame tem 16MP enquanto outro tem 36MP.

Sensores full frame têm área de 36mm x 24mm = 864mm2

 

O sensor de 16MP tem aprox. 18.518 pixels/mm2    –     Menor densidade de pixels

16.000.000 pixels / 864mm2 = 18.518 pixels/mm2

 

O sensor de 36MP tem aprox. 41.667 pixels/mm2    –     Maior densidade de pixels

36.000.000 pixels / 864mm2 =  41.667 pixels/mm2

 

Conclusão: Cada pixel do sensor de 16MP tem uma área que é maior do que o dobro da área de um pixel do sensor de 36MP. E, por causa da área maior, cada pixel do sensor de 16MP tem capacidade muito superior de captar luz do que os pixels do sensor de 36MP.

 

Exemplo 2: Sensores de tamanhos diferentes, mas com quantidade de pixels igual
Digamos que um sensor full frame e um sensor de uma câmera compacta têm 16MP cada.

Sensores full frame têm área de 36mm x 24mm = 864mm2

 

O sensor de 16MP tem aprox. 18.518 pixels/mm2 – Menor densidade de pixels

16.000.000 pixels / 864mm2 = 18.518 pixels/mm2

 

Digamos que o sensor da câmera compacta (tipo smartphone) tenha 5,16mm x 6,25mm = 32,3mm2.

 

O sensor de 16MP tem aprox. 495.356 pixels/mm2 – Maior densidade de pixels

16.000.000 pixels / 32,3m2 = 495.356 pixels/mm2

 

Conclusão: Cada pixel do sensor full frame tem uma área que é mais do que 26X maior do que um pixel no sensor da câmera compacta! E, por causa da área maior, cada pixel do sensor full frame tem capacidade muito superior de captar luz do que pixels do sensor da câmera compacta.


3 – Tecnologia embarcada – idade da câmera digital

Conforme a tecnologia avança, os circuitos eletrônicos evoluem, assim como a capacidade de processamento e o número de pixels no sensor aumentam (aumentando a densidade de pixels).

Para os fabricantes, cada novo modelo apresenta uma oportunidade de aplicar aprendizados, para em seguida resolver problemas evidenciados nos modelos anteriores. Por isso, a tendência é que, com o passar do tempo, mesmo com a densidade de pixels aumentando, o ruído permaneça em níveis bem aceitáveis.

Exemplo comparativo entre os ruídos gerados pelas câmeras Nikon D3s e D5 para diferentes ISOs.

Modelo D3s D5 Notas
Lançamento Out 2009 Jan 2016  
Megapixels 12,1 20,8  
Densidade de pixels 14.004 pixels/mm2 24.074 pixels/mm2 Área dos pixels da D3s é aprox. 72% maior
RSR 18%* ISO 100 43.0db 39.7db O ruído é 7,7% maior
RSR 18%* ISO 6400 25.1db 20.9db O ruído é 16,7% maior
RSR 18%* ISO 102400 13.1db 8.3db O ruído é 36,4% maior

Ou seja, apesar da área do sensor da antiga D3s ser 72% maior, a tecnologia embarcada avançou de tal forma entre 2009 e 2016, que a diferença de ruído é relativamente pequena, principalmente para ISOs mais baixos.

*RSR = Razão sinal ruído para uma imagem bem exposta de cinza 18%

Dados calculados a partir de informações e medições realizadas pelo DXO Labs – DxOMark – Nikon D5 vs Nikon D4s vs Nikon D3s


4 – Temperatura alta – ruído térmico

Parece estranho, mas a temperatura é um fator importante na geração de ruídos em imagens digitais.

Quanto maior é a temperatura, não só do ambiente, mas também de componentes internos da câmera, como o sensor e alguns resistores, a tendência é de que apareça mais ruído nas fotografias digitais.

Este problema da temperatura é mais notável em exposições longas (por exemplo 1 minuto ou mais), pois durante o tempo longo de exposição, o sensor da câmera vai esquentando (e muito) e a câmera não consegue dissipar rapidamente tanto calor gerado dentro de si. Vale acrescentar que, quanto mais quente for o ambiente, mais lenta é a taxa de resfriamento do sensor.

A temperatura do sensor e de seus pixels pode acabar gerando um sinal falso, como se muita luz tivesse atingido o sensor durante a exposição. Então a fotografia acaba mostrando “pixels mortos” (brancos) ou vermelhos, ou verdes ou azuis – geralmente nas mesmas posições da imagem.

Ou seja, enquanto o ruído por causa de um ISO alto tende a mostrar manchas e pixels coloridos randomicamente, distribuídos pela imagem, o ruído térmico tende a mostrar os problemas sempre no mesmo local – costumam ser sempre os mesmos pixels que são problemáticos sob temperatura elevada.

Para reduzir o ruído térmico, grande parte das câmeras digitais faz um pré-processamento da imagem, assim que ela é capturada, antes mesmo de salvá-la na memória. Apesar deste pré-processamento poder ser desligado, aconselhamos deixá-lo ligado – mesmo que o processo de salvamento da imagem demore e a câmera fique inutilizável por alguns instantes.

Em particular, o ruído térmico é um problema muito sério para astrofotografia – já que este é um estilo fotográfico que requer exposições extremamente longas.

Para informações excessivamente técnicas e descobrir como a temperatura influencia na ampliação de ruídos, acesse o paper (artigo) a seguir – note a temperatura em diversas fórmulas de ruídos.

On Semiconductor – CCD Image Sensor Noise Sources (em inglês)


5 – Razão sinal ruído pequena

A razão sinal ruído está por trás de todos os quatro fatores mencionados anteriormente. Se desconsiderarmos a densidade de pixels do sensor, a idade da câmera, a temperatura ou a sensibilidade ISO, esta razão se demonstra um fator importante em fotografias mais escuras (low key) – ou até mesmo em áreas escuras de fotografias bem expostas.

Razão sinal ruído = sinal / ruído (sinal dividido por ruído)

Quanto maior o sinal, menos aparente é o ruído em uma imagem e vice-versa.

Para entender melhor a razão sinal ruído, temos que entender o que é o sinal. O sinal é a luz (fótons) recebida pelo sensor enquanto fotografamos.

Quanto mais luz atinge um determinado pixel, maior é o sinal eletrônico (10101..) gerado por ele.

Com isso, temos que, quanto menos luz recebida, menor é o sinal – e para um ruído constante (determinado pelo ISO/câmera), isto faz com que a razão sinal ruído seja menor em pixels mais escuros da imagem. Ou seja, o ruído fica mais aparente em pixels de tonalidades escuras.

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Granulação na fotografia analógica

A granulação do filme é proveniente da composição química da(s) sua(s) camada(s) de revestimento.

Apesar da formulação química variar de acordo com o fabricante e até entre modelos de filmes fotográficos de um mesmo fabricante*, por via de regra, quanto maior o ISO do filme, maiores serão os grãos de cristais de sal e por isso maior será a granulação da fotografia revelada.

*Filmes profissionais tendem a ter grãos menores do que filmes para fotografia amadora, ainda que com o mesmo fabricante e ISO.

As imagens a seguir ilustram tamanhos médios de grãos estimados de acordo com estudo feito na Universidade de Rochester.

Link para o estudo: Photographic Film – An Electron Microscopic Study

Como nada é perfeito, o benefício da exposição mais curta vem com um preço: o aumento da granulação e a diminuição significativa do contraste da fotografia.

As camadas de revestimento são fotossensíveis, e sofrem reações químicas quando expostas à luz. A natureza destas reações químicas depende da intensidade e do tempo de exposição do filme, mas a intensidade das reações químicas (velocidade do filme) depende da formulação do revestimento.

A imagem granulada tem menor nitidez. Por isto, se a preocupação do fotógrafo for produzir fotografias bem detalhadas, deve-se usar um filme com o menor ISO possível – mas isto nem sempre é possível, pois dependemos da iluminação ambiente, do objeto a ser fotografado e de outros fatores como f/stop e tempo de exposição desejados.

Por outro lado, pode ser que seja parte do estilo do fotógrafo que as fotografias sejam bem granuladas – neste caso, ele pode abusar de filmes de ISO alto.

 

Veja um exemplo abaixo de fotografia que teve aumento de granulação com o plugin Google Nik Collection Silver Efex Pro 2.


Como criar mais granulação na fotografia analógica

  • Use um filme rápido – quanto mais rápido o filme, mais ruído;
  • Superexponha a foto em um ou dois stops – superexposição também gera ruído;
  • Revele o filme puxando-o em mais ou menos 30%;
  • Utilize um revelador não-solvente – este faz com que os grãos do filme não sejam tão dissolvidos quanto um com solvente;
  • Imprima as fotografias em um papel de alto contraste, o que fará o ruído ser mais visível.

Granulação introduzida no pós-processamento digital

Diversos programas como Lightroom, Photoshop e Gimp oferecem a opção de adicionar granulação a uma imagem digital na pós-produção.

A granulação artificial geralmente é adicionada para deixar a fotografia com aparência de envelhecida, em um estilo vintage, e se baseia em granulações similares a que alguns modelos de filmes causam em uma foto analógica.

A não ser confundido com granulação, o ruído, no pós-processamento digital, é um efeito colateral de aumentar a exposição de uma fotografia digital (deixá-la mais clara).

O aumento do ruído também acontece quando se aumenta a claridade de uma imagem digital.


Como tirar ruído e granulação de fotografias digitais

Tanto a granulação quanto o ruído podem ser reduzidos com softwares de pós-processamento de imagens (ex. Lightroom, Photoshop e Gimp). Em alguns casos, é possível não apenas reduzir, mas remover completamente, mas existe o risco de a imagem ficar com aparência irreal, plástica.

O software Dfine 2 da coleção Nik (que trabalha com Photoshop e Lightroom) faz um ótimo trabalho de remoção/eliminação de ruído. Preste atenção para não atenuar o ruído excessivamente, pois há o risco de se perder a nitidez da imagem.

Para reduzir o ruído no Lightroom, por exemplo, vá na Guia “Revelação”, e no menu lateral direito, dentro da aba “Detalhe”, clique e arraste os sliders de “Redução de Ruído”. Tanto o ruído de luminância quanto o ruído de cor podem ser reduzidos/retirados desta forma.

Caso tenha digitalizado uma fotografia analógica com granulação, para tirar/reduzir a granulação de sua cópia digital, basta ajustar o slider de Luminância.


Publicado por Câmera Neon em 2016-11-22 21:15:08. Última atualização em . Câmera Neon

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