Uusi tekniikka teki ISO-herkkyyksien säädön (melkein) tarpeettomaksi

Matti Helin

Valokuvauksessa on kolme parametria, jotka määrittelevät, miten valokuva valottuu. Aukko, suljinaika ja herkkyys. Yöllä valokuvatessa on totuttu siihen, että kaiken pitää olla suurta. Objektiivin aukon, suljinajan pituuden ja iso-herkkyyden. Onko asia kuitenkaan enää näin? 

Uusissa digijärjestelmäkameroissa kennotekniikka on kehittynyt huimasti. Markkinointipuheissa paukutellaan henkseleitä jopa satojen tuhansien isoherkkyyksistä. Yötaivaan kuvaaja varmasti katselee kieli kosteana näitä mainoksia, mutta ehkäpä turhaan. Tekniikan kehitys nimittäin on tuonut mukanaan jotain paljon mielenkiintoisempaa.

Kuljetaanpa ensin ajassa taaksepäin, vuosituhannen vaihteen tietämille, jolloin ensimmäiset digijärjestelmäkamerat tulivat kauppoihin. Näissä kameroissa oli aluksi ccd-kennoja. Nämä ovat tavallisessa valokuvauksessa hyviä, mutta kun, etenkin pokkarikameroissa, live-näyttö tuli yleiseksi, ccd-kennot alkoivat hiljalleen hävitä.

CCD-kenno

CCD-sensorissa jokainen pikseli sisältää potentiaalikaivon, jota usein verrataan ämpäriin. Valotuksen aikana, kun valo osuu sensoriin, tämä potentiaali kerää hyvin fotoneja ja nämä fotonit vapauttavat elektroneja. Valottamisen jälkeen elektronit liikkuvat alas jokaisella CCD:n rivillä, ja varaus kerätään jokaisesta pikselistä matkan varrella. Lopulta ne saavuttavat rivin lopussa olevan “säiliön”, joka tunnetaan vahvistimena. Tämä vahvistin mittaa kussakin kaivossa löysällä olevien fotonien määrän ja muuntaa sen jännitteeksi. Prosessi jatkuu sieltä vahvistusvaiheeseen ja sitten ADC:hen (analogi-digitaalimuunnin).

Useimmissa valokuvaus-CCD-antureissa mekaaninen suljin on välttämätön, mahdollisen virheiden välttämiseksi. Koska anturi lukee sensoria rivi kerrallaan, mikä tahansa muuttuva valo, joka tulee valokuviin prosessin aikana, voi luoda kuvaan- pystysuoraa virhettä.

Tästä syystä varhaisissa digikameroissa live-näyttö oli hidas ja pomppiva. Oli aika kehittää jotakin parempaa.

CMOS-kenno

Siirryttäessä CMOS-antureihin, kaikki yllä oleva pitää paikkansa valoa keräävien pikseleiden (fotonien) osalta, mutta nämä kaksi tekniikkaa eroavat toisistaan ​​lukuvaiheessa: jokaisella CMOS-anturin yksittäisellä pikselillä on oma lukupiirinsä – valodiodi-vahvistinpari, joka muuttaa fotonit jännitteeksi. Jokaisella CMOS-anturin sarakkeella on oma analogi-digitaalimuunnin (ADC). Suuri hyöty tästä on huomattavasti alhaisemmat tuotantokustannukset CMOS-anturien valmistuksessa, koska sekä ADC:t että kuvantamisanturi ovat yhdessä. Se mahdollistaa myös kompaktimman rakenteen, mistä oli erityisesti hyötyä älypuhelimissa ja taskukameroissa. 

Koska jokainen pikseli luetaan rinnakkain, CMOS-anturit voivat olla paljon nopeampia. Tämä on erityisen tärkeää sekä videolle että hiljaisten elektronisten sulkimien käytölle – nopeampi anturin lukema tarkoittaa vähemmän vääristymiä liikkuvissa kohteissa sekä mahdollisuus keskeytymättömään live-näkymään. Nämä eivät olleet mahdollisia käytettäessä CCD-teknologiaa.

CMOS-anturit kuluttavat myös vähemmän virtaa ja tuottavat vähemmän lämpöä. Tämä auttaa osaltaan pienentämään kohinaa ja tätä kautta CMOS-kennolliset järjestelmäkamerat olivatkin parempia kun käytettiin pitkiä jalotuksia ja suuria iso-herkkyyksiä.

Varsinainen hyppäys CMOS-teknologiassa tapahtui, kun Sony esitteli BSI-teknologian (backside illumination) vuonna 2009 Exmor R CMOS -kennossaan. Perinteisillä cmos-kennoilla oli muun muassa johdotus kuva-anturin etupinnalla. Tämä heijastaa haitallisesti osaa tulevasta valosta, mikä vähentää siepatun valon määrää. BSI siirtää johdotuksen valodiodien taakse, mikä mahdollistaa noin puolen aukon (50 %) lisäyksen kerätyn valon määrään. 

Exmor-kennoja tuli luonnollisesti Sonyn digijärjestelmäkameroihin ja myöhemmin muun muassa Nikonin sekä Pentaxin malleihin. Tämä uusi kennotegnologia sisälsi mielenkiintoisen ominaisuuden; Se oli ISO-vapaa tai yleisemmin sanottuna, ISO-invarianssi. Tämä ominaisuus ei aluksi herättänyt huomiota, mutta vuosien 2011-2012 tienoilla siitä alettiin kohista, etenkin Yhdysvaltalaisilla valokuvausfoorumeilla.

ISO-invarianssi, mikä se on?

ISO-invarianssi tarkoittaa, että kamerassa on käytännössä yksi todellinen herkkyys (useimmiten iso 64, 100 tai 200). Muut herkkyydet kamera tekee ohjelmallisesti. Mutta, koska muut herkkyydet ovat ohjelmallisia, voit huoletta kuvata pelkällä perusherkkyydellä, vaikkapa iso 100:lla, tarvittavan iso 6400 sijaan.

Lukija voi ihmetellä, miten iso 100 voi olla hyödyllinen pimeässä? Kuvistahan tulee mustia. Totta, mutta kun RAW-kuva avataan kuvankäsittelyohjelmassa (Lightroom, Capture One…) ja sen valotusta nostetaan kuusi aukkoa (iso 100 ->iso 6400), huomataan, että kuva onkin yhtenäinen iso 6400 -kuvan kanssa. Kuvan kirkkaus, kohina, värit ynnä muut ovat hyvin lähellä toisiaan. Ainakin teoriassa.

No, seuraava kysymys tuleekin mieleen, että jos kerran kuvat ovat yhtenäisiä, miksi ei kuvata käyttämällä riittävän korkeaa herkkyyttä ja jättää kuvankäsittelykikkailut sikseen? Erinomainen kysymys johon on myös erinomainen vastaus.

Alhaisen herkkyyden hyödyt

Yksi suurimmista hyödyistä on se, että kuvattaessa alhaisilla herkkyyksillä, kuvissa näkyvät kirkkaat alueet eivät ylivalotu.

Ohessa on keväällä 2023 ottamani kuva. Runkona toimi D800, iso-herkkyys asetettu maltilliseen 400.

Kun tämä alivalottunut kuva sitten korjataan vastaamaan oikein valotettua, kirkkaat osat, kuten Kuu tai vaalea taivas, valottuvat  lähes puhki.

Nämä voidaan kuitenkin palauttaa joko käyttämällä eri valotukselle säädettyjä tasoja tai korjaamalla Lightroomin ym Whites- ja Highlights -säätöjä.

Lopullinen kuva onkin sitten oikein valotettu, jossa ei ole puhkipalaneita alueita. Toisin sanoen, kuvaamalla alhaisilla herkkyyksillä saadaan kuvaan parempi dynamiikka.

Ensikokeilut ja mikä on dual gain?

Yllä oleva esimerkkikuva on vielä melko mieto tapaus. Kevään vaaleana yönä D800 -rungolla otettu kuva. Itse asiassa taivas oli jo niin vaalea, että kovin korkeaa herkkyyttä ei edes voinut käyttää. Kunnolliset testit tein vasta syksyllä ja alkutalvella 2023.

Vaikka olinkin lukenut, miten iso-invarianssikennon sisältävällä kameralla voi huoletta kuvata alhaisilla herkkyyksillä, en silti ollut uskaltanut tätä ominaisuutta käyttää. Ostettuani D850 -rungon, päätin tutkia aihetta tarkemmin. Kameran kennossa on nimittäin mielenkiintoinen kaksois-ISO,  64 ja 400 (Dual Gain).

Korkeampi kahdesta alkuperäisestä ISO-asetuksesta on usein vähemmän kohinainen kuin digitaalisesti tehostettu matalampi ISO. Eli, kun käytetään D850 iso 400 ja nostetaan sitä vaikkapa kolme aukkoa, jolloin se vastaa iso 3200 herkkyyttä, lopputuloksena on kohinattomampi kuva kuin vaikkapa D800:n iso 100, jota nostetaan viisi aukkoa. Tästä syystä Nikonin D850 -(ja monet muut dual gain -kamerat) on erittäin soveltuva yövalokuvaamiseen ohjelmallista herkkyyden nostoa käytettäessä.

Ensimmäisen kerran kokeilin kuvata perseidejä käyttäen pelkästään iso 400 -herkkyyttä. Valitettavasti tähdenlentoja ei kuviin sanottavasti osunut. Tästä huolimatta testit olivat lupaavia.

100% rajauksista on vaikeaa löytää eroja:

Seuraava testi oli syksymmällä. Taivaalla näkyi hentoiset revontulet. Jälleen vertauspari iso 400 ja 1600, samat säädöt.

Iso 400, rajaamaton

Iso 400 kuvassa Kuun heijastuma ei ole palanut sanottavasti puhki, toisin kun iso 1600 kuvassa.

Kolmas testi tapahtui kuutamoyönä, jolloin taivaalla näkyi vaaleat revontulet. Tällä kertaa kokeilin hieman eri herkkyyksillä, iso 100 ja 2000.

Rajaamaton kuva

Kuvankäsittelyssä iso 100 kuva ennen-jälkeen:

Nostettuani iso 100-otoksen valotuksen vastaamaan iso 2000, huomasin, että eroa ei ensisilmäyksellä ollut. Tarkemmin katsottuna iso 100 kuvassa oli enemmän punaista värikohinaa.

Toisin sanoen, iso 100 (tai 64) nostaminen korkeita herkkyyksiä vastaamaan ei ole D850 rungolla kannattavaa, vaan on parempi käyttää herkkyyttä 400. Reiluuden nimessä on kuitenkin tunnustettava, että iso 100, jota on nostettu neljä ja puoli aukkoa on hämmästyttävän hyvän näköinen sekin…

Tein vielä erikseen testin erittäin haastavissa olosuhteissa, eli omassa pihassa. Katulamput ja ikkunat muodostivat oivan kokeen sille, saako matalalla isolla enemmän dynamiikkaa talteen.

Testiotoksissa oli seuraavat arvot: Iso 400 sekä iso 1600, f2,8 ja valotusaika kuusi sekuntia. Iso 400 kuvaa nostettiin kaksi aukkoa lightroomissa, molempien kuvien huippuvaloja ja valkoisia laskettiin -100%. Tulos oli seuraavanlainen:

Kuten kuvaista näkyy (klikkaamalla täyskokoisiksi), ovat kohinat sekä yksityiskohdat jotakuinkin täysin samanlaiset. Ero, joka kuvissa on, näkyy ikkunoissa. Iso 1600 otetut ovat palaneet puhki ja mikään määrä alivalotusta ei tuo niistä lisää yksityiskohtia esiin.

Taasen iso 400 otetuissa kuvissa näkvät ikkunoiden välisssä olevat kyntteliköt selvästi. Myös taustalla näkyvä tuija-aita on huomattavasti enemmän sävyjä sisältävä iso 400 kuvassa. Yksinkertaisesti, iso 400 kuvassa on selvästi enemmän dynamiikkaa, mutta korkeintaan sama määrä kohinaa.

Jälkihuomio raw-kuvien käsittelystä, kohinanpoisto jätetty raw-kääntäjän vakioarvolle. Sitä olisi voinut nostaa korkeammalle, mutta vertailun helpottamiseksi näin ei tehty.

Yhteenveto

D850 kameralla ei kannata kuvata iso 400 korkeimmilla herkkyyksillä. Luonnollisesti tämä pätee vain, kun käytetään manuaaliasetuksia. Jos kuvataan ristiäisiä, urheilua  tai vaikka lentävää lintua, herkkyys saa olla mitä on. Helpompi niin. Mutta kun kuvataan yömaisemia, kuvien jälkikäsittelyyn menee joka tapauksessa reippaasti aikaa, joten yhden lisäsäädön muuttaminen ei ole merkityksellistä.

Hyödyt tällä tavalla kuvattaessa ovat kiistattomat. Kuviin saa talletettua laajemman määrän sävyjä eikä puhkipalamisesta tarvitse enää olla niin huolissaan. Erityisesti revontulia kuvattaessa tästä on suuresti iloa, korkeilla iso-herkkyyksillä kirkkaat kaaret ja säteet saattavat välillä palaa valkoisiksi ja piirteettömiksi.

Jos omistaa Dual gain – kameralla, ei maisemakuvia kannata ottaa muilla kuin alhaisimmalla (hyvässä valossa) tai korkeammalla aidolla herkkyydellä (pimeässä). Näin saadaan maksimimäärä dynamiikkaa kuviin.

Käytännön kuvaaminen kannattaa aloittaa sellaista herkkyyttä käyttäen, johon olet tottunut. Sen jälkeen, säädä objektiivin aukko sopivaksi ja suljinaika niin pitkäksi, että näytöllä kuva on hyvä. Tämän jälkeen, jätä aukko ja suljinaika asetettuihin ja laske isoa. Toisin sanoen, kennolle tulee saada riittävästi valoa ja testikuvalla tämän voi tarkistaa.

Eri kameramallit ja niiden sopivuus

Läheskään kaikki kameramallit eivät ole täysin ISO-invariansseja. Mutta vanhemmat mallit eivät ole sitä käytännössä yhtään. Etenkin Canonin vanhemmat mallit ovat käytännössä sellaisia, että niillä tulee aina kuvata tarvittavalla herkkyydellä. Muussa tapauksessa kuviin tulee karmaiseva määrä kohinaa. Tällaisia malleja ovat esimerkiksi suositut 6D, 6D mk2 ja 5D 2-3 mallit.

Kameramallit, jotka käytännössä ovat ISO-invariansseja, ovat muun muassa seuraavat (suluissa mainittu mahdollinen dual gain):

Sony A7II
Sony A7RII (100, 640)
Sony A7SII
Sony A7III
Sony A7RIII (100, 640)
Sony A7SIII (100, 2000)
Sony A7IV (100, 500)
Sony A7RIV
Sony A9 (100, 640)
Sony A9II (100, 640)
Sony A1
Sony A7C

Canon EOS-1D X Mark III
Canon 5D MK 4 (400)
Canon EOS R3 (100, 400)
Canon EOS R5 (100, 400)
Canon EOS R6 (100, 200, 400)
Canon EOS R7
Canon EOS R
Canon EOS RP

Nikon D750
Nikon D500 (100, 400)
Nikon D810
Nikon D850 (64, 400)
Nikon Zfc
Nikon Z5
Nikon Z6 (100, 800)
Nikon Z6II (100, 800)
Nikon Z7 (64, 400)
Nikon Z7II (64, 400)
Nikon Z8 (64, 500)
Nikon Z9 (64, 500)

Fujifilm X-T1
Fujifilm X-T10
Fujifilm X-T2
Fujifilm X-20
Fujifilm X-T3 (100, 640)
Fujifilm X-T30
Fujifilm X-T4
Fujifilm X-H1 (200, 800)
Fujifilm X-S10

Ylläolevassa listassa ei ole kaikkia (vanhempia) kameramalleja. Tulee myös huomata, että käytännössä kaikissa nykyjärjestelmäkameroissa on suoraan kennolle tehdyt tarkennussensorit. Näiden ikävä puoli on se, että nostettaessa voimakkaasti varjoja, voi kuviin nousta epätoivottavaa raidoitusta. Tätä ongelmaa ei ole peilijärjestelmäkameroissa, joissa kennolla ei ole sensoreita (pdaf).

Mallikuvia pdaf:n aiheuttamista virheistä:

Kuva 1

Kuva 2

Kuva 3

Jos sinulla on ISO-invarianssi -kamera ja vielä paremmin, kamera, jossa on Dual gain -kenno, kokeile! Voit yllättyä, että alhaisilla herkkyyksillä todellakin pystyy ottamaan onnistuneita kuvia pimeässä! Usein jopa laadultaan parempia kuin korkeilla herkkyyksillä.

Lähteitä:

https://www.photonstophotos.net/Charts/PDR_Shadow.htm#Canon%20EOS%205D%20Mark%20II,Canon%20EOS%205D%20Mark%20IV,Nikon%20D6,Nikon%20D7200,Nikon%20D850

https://www.dpreview.com/reviews/canon-eos-5d-mark-iv/11

https://www.photonstophotos.net/Charts/PDR.htm

https://improvephotography.com/34818/iso-invariance/

https://www.dpreview.com/

https://www.dpreview.com/articles/1570070253/what-is-dual-gain-and-how-does-it-work

https://www.flir.eu/support-center/iis/machine-vision/knowledge-base/key-differences-between-ccd-and-cmos-imaging-sensors/#:~:text=CCD%20sensors%20create%20high%2Dquality,transistors%20instead%20of%20the%20photosite.

https://www.fredmiranda.com/forum/topic/1750003/0

https://clarkvision.com/articles/iso/