Yazımızda ‘noise’ için gürültü karşılığını kullanacağız.

Bu yazımızla aşağıdaki soruların cevaplarını öğrenmiş olacaksınız.

• Gürültü nedir?
• Algılayıcının kalbi foto diyodun çalışma prensibi.
• Gürültü kaynakları nelerdir?
• Yüksek ISO gürültüsü, renk ve parlaklık gürültüsü nedir?
• Rastgele gürültü, sabit desenli gürültü nedir?
• Bantlaşma nedir?
• Uzun pozlama gürültüsü nedir?
• Donanımsal olarak gürültü ile mücadele teknikleri nelerdir?
• Yüksek ISO gürültü gidermesi nedir, nasıl çalışır?
• Uzun pozlama gürültü gidermesi nedir, nasıl çalışır?

Gürültü, günümüzün en sıcak konularından biri. Forumları takip ettiğinizde, fotoğraf makinesi eleştirilerinde göreceğiniz ilk şey, bir makinenin ISO başarımı yani gürültülü fotoğraf çekip çekmediği olacaktır. Zamanında kullanıcıların ilk dikkat ettikleri şey olan megapiksel, popülerliğini yüksek ISO başarımına kaptırdı denilebilir. Çoğu kullanıcı kulaktan duyma bilgilerle gürültü konusunu ele alır. Peki nedir bu gürültü denilen şey? Filmli dönemdeki gren ile aynı şey midir? Türleri nelerdir? Nasıl önlenebilir?

Bu yazımızda teknik konuları olabildiğince yalın bir dille anlatarak gürültü hakkında aklınıza gelebilecek tüm soruların cevaplarını vermeye çalışacağız. ‘Teknik konularla işim olmaz’ diyebilirsiniz ama yüksek ISO değerlerinde çekim yaparken ya da uzun pozlama çekerken ne ile, neden karşılaşacağınızı bilmeniz için bu yazının içeriği son derece önemli.

Gürültü Nedir?

Gürültü, filmli dönemdeki grenin dijital fotoğrafçılıktaki karşılığı mıdır? Hayır, değildir. Filmli dönemdeki gren, filmin kimyasal özelliğinden kaynaklanırken, dijital fotoğrafçılıkta bahsi geçen gürültü tamamen elektronik bir oluşumdur. Son üründe yani fotoğrafta görünüş olarak birbirlerine benzedikleri için gürültü için gren dendiğine şahit olabilirsiniz. Gürültünün neden kaynaklandığını anlayabilmemiz için öncelikle dijital fotoğraf makinesinin görüntüyü nasıl dijital bir fotoğraf dosyasına dönüştürdüğünü kabaca bilmemiz gerekiyor.

Dijital fotoğraf makinesi, elektronik görüntü algılayıcıları ile sayısal olarak fotoğraf çeken fotoğraf makinesidir. Dijital Fotoğraf Makinesi nedir, çeşitleri nelerdir? yazımızda belirttiğimiz gibi dijital fotoğraf makinesi üç temel bileşeni ile fotoğraflarını oluşturur: lens, optik algılayıcı (sensör diyenler var ama ben algılayıcı olarak kullanacağım ), görüntü işlemcisi (buna da kısaca işlemci diyeceğiz). Burada bizi ilgilendiren bileşenler algılayıcı ve işlemci.

Lens tarafından yakalanan ışık görüntü oluşumu için algılayıcıya düşürülür. Megapiksel teriminin vücut bulduğu yer de algılayıcıdır. Burada fotoğrafın milyonlarca pikselini oluşturacak görüntü bilgisinin ilk yakalanacağı yer olan milyonlarca foto diyot bulunur. Her bir foto diyot, fotoğraftaki bir piksele karşılık gelmektedir. Foto diyodun görevi pozlama süresince mikrolenslerce yakalanıp kendine iletilen ışık bilgisinden elektronik bir sinyal üretmektir. Milyonlarca foto diyodun sinyallerinin analog-dijital dönüştürücülerle sayısallaştırılması sonucunda elde edilen bilgiler, fotoğraf makinesinin işlemcisinde yorumlanıp fotoğraf dosyası haline getirilir. Aşağıdaki şekilde piksel, foto diyot ve mikrolens arasındaki bağlantıyı görüyorsunuz.

Burada ek bilgi gibi duracak ama konuyla doğrudan ilgisi olduğu için bahsetmeden geçmeyelim. Fotoğraf makinelerin çoğunda tek bir pikselde bulunan foto diyot sadece tek bir renge duyarlıdır. Bu renk kırmızı, mavi ya da yeşildir. Detaylarını algılaycılarla ilgili yazımızda anlatacağız ;)

Foto diyot ışığa karşı duyarlı bir elektronik cihazdır ve gelen ışık miktarına göre akım veya voltaj üretir. Foto diyot her ışığa duyarlı cihaz gibi hiç ışığa maruz kalmadan da yani tamamen karanlıkta da belli oranda akım üretir. Karanlık akım olarak adlandırılan bu akım nedeniyle tüm foto diyotlar en düşük ISO değerinde bile belli bir miktarda sinyal gürültüsünü bünyelerinde barındırırlar. ISO değerini arttırdığımızda da girdi sinyali yükseltilir ama bu yükseltme aynı zamanda gürültü sinyalini de yükseltir. Analog-dijital dönüştürücüye gelen elektronik yani analog sinyalde görüntü sinyali olduğu gibi, gürültü sinyali de mevcuttur ve sonuçta üretilen fotoğraflarda bu gürültü sinyalinin etkilerini görürürüz.

Daha kolay anlaşılabileceğini düşündüğüm bir başka örnek vereyim. Hepimiz mikrofon kullanmışızdır. Mikrofon çok kaliteli değilse belli miktarda hıslama sesi üretir. Bu hıslamayı fotoğraftaki gürültüye benzetebiliriz. Eğer mikrofonun sesini açarsak hıslama miktarı da yükselir. Benzer şekilde ISO değerini arttırdığımdada gürültü miktarını arttırmış oluruz.

Yukarıdaki görselde teorik olark bir foto diyotta gerçekleşen süreci anlattık:

1. Algılayıcıya ışık düşmezken foto diyotta sadece karanlık akımı nedeniyle oluşan gürültü sinyali bulunur. Belirginleştirmek için karanlık gürültü olarak isimlendirdik.
2. Algılayıcıya ışık verildiği zaman mikrolens ile toplanan fotonlar (turuncu dairelerle gösterdik) foto diyotta toplanırlar. Bu esnada fotonlarla birlikte oluşan foton gürültüsüsü de (kirli turuncu daireler) foto diyotta bulunur.
3. Pozlama tamamlandığında gürültü ve fotonlardan oluşan foto diyot içeriği, Analog/Dijital dönüştürücüye iletilir. Sonuç sinyali diğer foto diyotlardan gelen sinyallerle birleştirilir ve işlemci tarafından fotoğraf haline getirilir.

Bu esnada yeri gelmişken gürültü kaynaklarını tekrar özetleyelim:

• Karanlık akımı: Foto diyot ışık almazken bile karanlık akımı olarak adlandırılan bir akıma sahiptir ve bu akım sürekli bir gürültü kaynağıdır.
• Foton gürültüsü: Bu ışığın doğal ve temel özelliklerinden biridir yani ışık beraberinde gürültü de getirir (Gürültü miktarı sinyalin karakökü kadardır).
• Ön amplifikatör gürültüsü: Okuma gürültüsü olarak da adlandırılır ve çıkış amplifikatörü tarafından üretilir.

Soru: SNR diye terim görüyorum, nedir bu?
Cevap: Tam açılım Signal-to-Noise Ratio olan SNR, foto diyodun yakaladığı foton sayısının gürültü miktarına oranıdır. Eğer foto diyot için bol ışık varsa, algılayıcı düşük ISO değerlerinde çalışıp asgari gürültüye sahip temiz sinyaller üretebilir. Pozlamanın uzadığı az ışıklı ortamlarda ise yüksek ISO kullanımı gerekir ve foto diyotta yakalanan foton sayısı azalır, gürültünün toplam sinyaldeki oranı artar.

Fotoğraf makinelerinin algılayıcılarını karşılaştırmak istediğimizde önümüze çıkan engellerden biri de algılayıcıların sahip oldukları teknolojilerin birbirinden farklı olmasıdır. Burada foto diyodun quantum verimliliği değeri bizim için önemli değişkenlerden biridir. Quantum verimliliği (İng:’Quantum Efficiency‘) kısaca bir cihazın ışığa karşı elektriksel duyarlılığıdır. Tanımlamayı biraz daha açalım. Işığa duyarlı cihazlar maruz kaldıkları fotonların hepsinden değil, sadece belli bir oranından elektron üretecektir. İşte bu orana o cihazın quantum verimliliği denir. Sistem denkliği üzerine yorum yaparken quantum verimliliğinin eşdeğer olduğunu kabul ederiz ama gerçekte değildirler.