Hoe ontstaat ruis, hoe kan ik ruis voorkomen?

    Kleine disclaimer
    In een poging dit artikel leesbaar te houden geef ik hier en daar een wat versimpelde weergave van de werkelijkheid.

Inleiding

In het algemene verhaal over fotografie (zie menu hiernaast: "Fotografie algemeen") lees je dat je 3 parameters hebt om de belichting in te stellen: sluitertijd, diafragma en ISO waarde. Deze 3 parameters bepalen meer dan alleen de belichting, simpel gezegd respectievelijk: beweging, scherptediepte en ruis. Over het laatste bestaan veel misverstanden, waardoor mensen soms keuzes maken die het resultaat juist negatief beinvloeden...


Hoe ontstaat ruis?

Ruis ontstaat op alle plekken waar je informatie versterkt. Dit herken je vast en zeker bij het luisteren naar de radio: zet de radio hard en de kwaliteit gaat flink achteruit. Ook bij een foto speelt dit een rol, zowel bij opname als bij verdere bewerkingen.

Hoe werkt dit bij een foto? Laat ik eerst uitleggen hoe de meeste sensoren werken. Voor zover ik weet werken momenteel op FujiFilm en Sigma na alle camera fabrikanten met sensoren volgens het Bayer principe. Simpel gezegd is het idee achter het Bayer principe: elke pixel in de sensor neemt slechts 1 kleur waar, waarbij de ene rij pixels blauw en groen waarnemen en volgende rij groen en rood.

    Bayer principe Figuur 1: pixel indeling op een Bayer sensor
    Een 12 megapixel camera heeft dus 'maar' 3 miljoen blauwe, 3 miljoen rode en 6 miljoen groene pixels. Om toch aan 12 miljoen kleurwaarden te komen wordt voor elke pixel gekeken naar de kleurwaarden van de buurpixels. Dit proces heet interpoleren.

Stel nu even dat je een foto van een grijs oppervlak maakt, waarbij je de foto dusdanig belicht dat het grijze oppervlak als donkergrijs op de foto komt. Bij kleurwaarden 0 t/m 255 (zwart t/m wit) verwacht je dan pixelwaarden van bijvoorbeeld rood: 10, groen: 10 en blauw: 10. In de praktijk zullen de verschillende, naast elkaar liggende pixels niet allemaal exact dezelfde waarde krijgen, maar die verschillen zijn dusdanig klein dat je ze niet ziet.
Hieronder staat een voorbeeld van waarden die de sensor vastgelegd zou kunnen hebben:

    kleurwaarden van een donker belicht, grijs oppervlak Figuur 2: grijs oppervlak, donker belicht

Stel nu dat ik dit beeld te donker vind, en dat ik het achteraf (in een foto bewerkings programma) lichter wil maken. Als ik dit doe, dan wordt elke pixel waarde vermenigvuldigd met een bepaalde waarde. Een extreem voorbeeld: vermenigvuldigen met 15. Hiermee krijg ik de volgende waarden:

    het versterke resultaat van het vorige beeld Figuur 3: grijs oppervlak, donker belicht en achteraf lichter gemaakt

In het oorspronkelijke beeld zag je verschillen van 2-4 tussen de buurpixels, dat is nu 30-60 geworden. Het verschil tussen bijvoorbeeld kleurwaarden 9 en 11 ga je in de praktijk niet zien. Het verschil tussen 135 en 165 ga je in de praktijk wel zien.
Als je een foto in een fotobewerkingsprogramma lichter maakt, dan krijg je het hierboven beschreven proces; maar minder extreem (vanwege de nogal flinke versterking van 15x in het voorbeeld). Als je de ISO waarde op je camera omhoog zet, dan krijg je een vergelijkbaar effect (dat aan de basis iets anders is omdat de sensor meestal het analoge signaal versterkt).

Hieronder staat een voorbeeld van een foto met veel ruis, en daaronder een uitvergroting van een deel ervan.

    foto met veel ruis Figuur 4: Keith Caputo in aktie
    Nikon D200, ISO 1600.
    100% uitvergroting van een deel van de vorige foto. 100% betekend dat je elke pixel ziet, hetgeen in dit geval overeenkomt met kijken naar een deel van een afdruk van 90x135 cm! Figuur 5: 100% uitvergroting van een deel van figuur 4.
    100% betekend dat je elke pixel ziet, hetgeen in dit geval overeenkomt met kijken naar een deel van een afdruk van 90x135 cm!

Wanneer krijg ik veel ruis, wanneer weinig?

We hebben nu gezien wat ruis in een foto is. Ook hebben we de basis gezien van het ontstaan ervan. Wat betekend dit nu in de praktijk?
Allereerst de theorie hierboven. Om deze in praktijk te brengen moeten we kijken op welke plekken het beeld versterkt wordt. Dit kan op een aantal plekken, zoals:

  • ISO waarde: als je een hogere ISO waarde kiest, wordt het beeld in de sensor versterkt
  • Neutraal instellen van witbalans bij ander dan wit licht: maak je in sterk gekleurd licht een foto en je stelt je witbalans neutraal in, dan moeten de weinig voorkomende kleuren flink versterkt worden. Voorbeeld: als je in de schaduw (waar het licht erg blauw is) een foto maakt dan moeten rood en groen flink versterkt worden om een neutrale witbalans te krijgen. Hierbij krijg je dus extra ruis in de rode en groene kleuren.
  • Bewerking achteraf:
    • lichter maken van de gehele foto: het beeld wordt in het foto bewerkings programma versterkt
    • lichter maken van een deel van de foto (schaduwen, middentonen of slechts een klein deel in de foto): het gekozen deel wordt versterkt
  • Bewerking door camera:
    • automatische correctie van verkeerde belichting: veel camera's corrigeren automatisch een onderbelichtte foto door ze wat lichter te maken (zie bewerking van gehele foto hierboven)
    • veel camera's hebben tegenwoordig een functie om het dynamisch bereik op te rekken ("active d-light" bij Nikon, "highlight tone priority" bij Canon, "dynamic range optimizer" bij Sony): deze functie zorgt ervoor dat je foto minder belicht wordt en dat de donkere delen automatisch lichter gemaakt worden (zie bewerking van een deel van de foto hierboven)
Daarnaast hebben de volgende zaken nog effect op de hoeveelheid ruis die je gaat zien (lees: ze veranderen de hoeveelheid ruis niet, alleen de zichtbaarheid ervan):
  • Verscherpen van foto: geeft een locale contrast vergroting om detail beter te kunnen zien. Een vervelend bij effect is dat ruis ook een vorm van detail is, en hiermee dus beter zichtbaar gemaakt wordt.
  • Grootte van het presentatiemedium: toon je de foto op je scherm (of zelfs verkleind op een website), of druk je hem juist op flink formaat af? Bij een kleiner formaat is ruis minder zichtbaar.
Tenslotte heeft de keuze van de camera nog invloed op de hoeveelheid ruis die je krijgt, generaliserend geldt:
  • Hoe moderner de sensor in je camera, hoe minder ruis
  • Hoe groter de oppervlakte van elke pixel (bij vergelijkbare sensor technologie), hoe minder ruis. Anders verwoordt:
    • een grote sensor geeft bij gelijkblijvend aantal pixels minder ruis
    • een sensor met weinig pixels geeft minder ruis dan een even grote sensor met veel pixels


De praktijk

Wat kun je nu met deze informatie?

ISO waarde

Je kunt er niet altijd omheen, soms wil je fotograferen op een plek waar welliswaar mooi licht is, maar weinig. Zoals ik vooraan al schreef heb je 3 parameters om je belichting in te stellen: sluitertijd, diafragma en ISO.
Als jouw onderwerp mooi stil staat en je hebt de mogelijkheid om je camera te stabiliseren (bijvoorbeeld op een statief of muur) dan kun je zonder problemen een lange sluitertijd nemen. In de gevallen waarin dat niet kan, helpt het om de grens van de langst mogelijke sluitertijd op te zoeken. Al het licht wat je daarmee extra binnen krijgt scheelt onnodig hoog zetten van je ISO waarde.

Soms heb je de mogelijkheid om je diafragma verder open te zetten, hiermee krijg je dan minder scherptediepte maar ook meer licht (dus een lagere ISO waarde). Als je al op het maximale diafragma van je lens werkt dan:

  • compact camera: als je regelmatig tegen dit probleem aanloopt dan kun je bij een volgende camera overwegen een model te nemen waarvan de lens een groter maximaal diafragma heeft
  • spiegelreflex camera: je zou kunnen overwegen om een extra lens erbij te kopen met een groter maximaal diafragma. Dit hoeft niet altijd duur te zijn: vaste brandpunt lenzen zijn of veel goedkoper dan de zoom alternatieven, of ze laten veel meer licht door. Het nadeel is natuurlijk wel dat je met deze lenzen niet meer kunt 'zoomen', hetgeen even wennen is. Als voorbeeld: een 50mm f/1.8 lens kost 100-150 Euro, een 24-70mm f/2.8 zoomlens kost al snel 1000 Euro.

Hieronder staan de uitsnedes van drie foto's welke meteen na elkaar gemaakt zijn. De foto's hebben exact dezelfde bewerkingen gekregen. In deze serie zie je het effect van het kleine diafragma bij standaard kitlenzen: f/5.6 levert meteen hoge ISO waarden en dus ruis op (let op: klein diafragma betekent groot diafragma getal, de diafragma opening bij f/1.4 is dus groter dan bij f/5.6). Aan de andere kant heb je bij de laatste foto bijzonder weinig scherptediepte...

    uitsnede van foto die op hoge ISO waarde is gemaakt Figuur 6: uitsnede van een foto die door klein diafragma op hoge ISO waarde is gemaakt.
    Nikon D300s, f/5.6, ISO 3200.
    zelfde uitsnede, maar nu is de foto met groter diafragma en lagere ISO waarde gemaakt Figuur 7: zelfde uitsnede, maar nu is de foto met groter diafragma en lagere ISO waarde gemaakt.
    Nikon D300s, f/2.8, ISO 800.
    wederom zelfde uitsnede, maar nu is de foto met een nog groter diafragma en de voor deze camera 'normale' ISO waarde gemaakt Figuur 8: wederom zelfde uitsnede, maar nu is de foto met een nog groter diafragma en de voor deze camera 'normale' ISO waarde gemaakt. Het valt je waarschijnlijk op dat ook deze foto ruis heeft, zelfs bij ISO 200. Voor een groot deel komt dit door de flinke compressie in het gebruikte jpeg bestand, maar ook omdat ik een zeer donker deel van de foto gekozen heb en omdat je hier naar pixels aan het kijken bent. In een afdruk van 20x30cm van de originele foto zie je deze ruis niet terug.
    Nikon D300s, f/1.4, ISO 200.

Als je diafragma niet verder open kan of mag, dan rest het verhogen ISO waarde. Uiteindelijk komt het er dus op neer dat je voor jezelf een balans moet vinden tussen acceptabele hoeveelheid bewegingsonscherpte, acceptabele hoeveelheid scherptediepte en acceptabele hoeveelheid ruis.


Corrigeren van witbalans

Hier kun je in de praktijk vaak weinig mee, maar het helpt wel om te beseffen dat het invloed heeft. Je kunt dus niet zomaar zeggen: "bij ISO waarde X krijg ik Y ruis". Soms heb je hier wel invloed op, bijvoorbeeld door bij het selecteren van een type licht te kiezen voor een variant die mooi wit licht geeft (ongeveer de kleur van daglicht). Flitsers (zowel studio als de losse modellen voor op de camera) geven typisch mooi wit licht. Gloeilampen, bouwlampen, tl buizen en dergelijken geven geen wit licht (de daglicht- of vol-spectrum varianten uitgezonderd).


Bewerkingen achteraf

Als je achteraf je foto lichter moet maken, dan heb je de foto niet correct belicht. Bij onderbelichten loop je tegen twee problemen aan:

  • je moet de foto achteraf versterken (zoals hierboven al meerdere keren verteld)
  • de sensor heeft voor donkere delen minder data dan voor lichte delen (hetgeen ontstaat doordat de sensor lineair op licht reageert en onze ogen niet), hier ga ik nu verder niet op in
Vanwege deze twee problemen is het beter om de belichting in de camera zo goed mogelijk te krijgen
Sterker nog: als je je foto juist iets lichter belicht en dit achteraf donkerder maakt dan krijg je zelfs minder ruis. Hierbij moet je wel oppassen dat je de lichtste partijen in de foto niet overbelicht. Deze techniek wordt 'rechts belichten' (in het Engels: 'expose to the right') genoemd, naar het effect op je histogram. Op deze Engelstalige pagina wordt naast het fenomeen rechts belichten ook uitgelegd wat het lineair reageren van de sensor inhoudt.

Hieronder staan de uitsnedes van twee foto's waarin je het effect ziet van verkeerd belichten: foto 1 is met ISO 1600 correct belicht, foto 2 is met ISO 400 2 stops onderbelicht en in software gecorrigeerd. Verder hebben de 2 foto's exact dezelfde bewerkingen gekregen (ze hebben zelfs dezelfde waarden voor witbalans!):

    uitsnede van foto die op hoge ISO waarde correct is belicht Figuur 9: uitsnede van foto die op hoge ISO waarde correct is belicht.
    Nikon D300s, f/5.6, ISO 1600.
    zelfde uitsnede, maar nu is de foto onderbelicht en later gecorrigeerd Figuur 10: zelfde uitsnede, maar nu is de foto onderbelicht en later gecorrigeerd. Je ziet dat deze foto veel grover is dan de vorige foto, dit komt omdat de foto meer ruis heeft, maar ook omdat de foto in de donkere partijen veel minder informatie heeft en je dus ook detail verliest.
    Nikon D300s, f/5.6, ISO 400.

Als je achteraf slechts een deel van je foto lichter wilt maken dan kunnen er verschillende zaken aan de hand zijn. Een veel voorkomend geval is de situatie waarin de contrast omvang te groot is voor de sensor. Wat veelal gedaan wordt om dit probleem tegen te gaan is: de scene wat donkerder belichten en achteraf de schaduwen wat lichter maken (bij Nikon heet dit: "active d-light", bij Canon: "highlight tone priority", bij Sony: "dynamic range optimizer"). Op zich is dit natuurlijk prima, maar je verhoogt daarmee wel de hoeveelheid ruis in de schaduwpartijen van je foto.
Andere manieren om hiermee om te gaan (maar deze methoden zijn zeker niet altijd mogelijk):

  • meerdere foto's met andere belichting te maken (High Dynamic Range, ofwel HDR)
  • licht toe voegen aan de donkere delen (met invulflits -zie artikel over TTL flitsen-, reflectiescherm, etc)
  • de compositie iets veranderen, met als doel om de contrastomvang te verkleinen


Bewerking door de camera zelf

Een camera die in een automatische mode van alles corrigeert levert voor de ene gebruiker gemak en voor de andere problemen. Het is afhankelijk van welke gebruiker je bent, maar aangezien je deze pagina aan het lezen bent neem ik aan dat je zelf controle wilt leren hebben over het eindresultaat. In dat geval: deze automagische functies maskeren wat je fout doet, waardoor je dus een kans om te leren misloopt. Mijn advies hier is om alleen die automatische functies aan te zetten die je daadwerkelijk helpen. Automatische verscherping, contrast- en kleuraanpassingen (verzadiging, etc) helpen je wat mij betreft niet.


Verscherpen van de foto

Het volgende is voor veel mensen een verrassing: met een goede lens krijg je minder (zichtbaar) ruis dan met een slechte lens.

Op zo goed als elke sensor (enkele midden- en grootformaat sensoren uitgezonderd; dit zijn sensoren die groter zijn dan de zogenaamde full-frame sensoren in spiegelreflex camera's) zit een anti-alias filter. Een anti-alias filter is een filter dat het beeld wat waziger maakt om moiré problemen tegen te gaan. Het resultaat hiervan is dat een foto altijd iets verscherpt moet worden.
Als je een foto maakt met een lens die geen scherp beeld oplevert dan heb je veel meer verscherping nodig om een acceptabel beeld te krijgen dan wanneer je de foto maakt met een goede lens. Met verscherpen worden alle details beter zichtbaar gemaakt, dus ook ruis. Twee tips dus: gebruik de beste lens die je hebt en verscherp zo min mogelijk (lees: verscherp alleen het beetje dat echt nodig is, niet meer).

Hieronder staan de uitsnedes van twee foto's. De eerste is gemaakt met een goede lens en is minimaal verscherpt. De tweede foto is met een minder goede lens gemaakt, en achteraf flink verscherpt om een acceptabel resultaat te krijgen. Het verschil is duidelijk:

    uitsnede van foto die met een goede lens gemaakt is Figuur 11: uitsnede van foto die met een goede lens gemaakt is.
    Nikon D300s, f/5.6, ISO 1600, goede lens.
    vergelijkbare uitsnede maar dan met een slechte lens, en ter compensatie flink verscherpt Figuur 12: vergelijkbare uitsnede maar dan met een slechte lens, en ter compensatie flink verscherpt. Je ziet dat deze foto een stuk fletser is en meer zichtbare ruis heeft. Kijk alleen al naar de metalen delen van de veter bevestiging, en het complete gebrek aan glans daarin in de tweede foto. Het zal je ook opvallen dat deze foto, ondanks dat hij een stuk meer verscherpt is, toch minder scherp is. De conclusie hier is dat het beeld van een onscherpe lens lastig achteraf goed te krijgen is.
    (Voor het geval mensen van het resultaat van met name de eerste foto schrikken: hou er rekening mee dat wat je hier ziet ongeveer overeenkomt met een deel van een afdruk van 110x160cm, en dat je in een donker deel van de foto aan het kijken bent.)
    Nikon D300s, f/5.6, ISO 1600, slechte lens.

Grootte van het presentatie medium

Hier kun je in de praktijk weinig mee. Het belangrijkste is: beseffen dat het invloed heeft. Mocht je vooraf al weten dat je een foto heel groot (veel groter dan normaal) gaat gebruiken: zorg dan dat je de tips op deze pagina zo goed mogelijk naleeft. Mocht je vooraf al weten dat je de foto heel klein gaat gebruiken, dan kun je jezelf flink flexibeler opstellen.


Keuze van de camera

Hierboven schreef ik al dat als je weinig ruis wilt, je een relatief grote sensor wilt hebben. Hiermee vallen zo goed als alle compact camera's af: de kleine sensoren in combinatie met tegenwoordig veel te veel pixels zorgt ervoor dat ISO 800 in een gunstig geval nog net acceptabel is.

    uitsnede van foto gemaakt met een compact camera, ISO 800 Figuur 13: uitsnede van een foto die gemaakt is met een compact camera (lees: kleine sensor).
    Panasonic Lumix LX3, ISO 800.
    vergelijkbare uitsnede, maar dan met een normale spiegelreflex camera en ISO 1600 Figuur 14: vergelijkbare uitsnede van een foto die op hogere ISO waarde gemaakt is met een spiegelreflex camera.
    Nikon D300s, ISO 1600.
    wederom vergelijkbare uitsnede, maar dan met een professionele spiegelreflex camera met grote sensor, ISO 3200 Figuur 15: wederom vergelijkbare uitsnede van een foto die op nog hogere ISO waarde gemaakt is met een spiegelreflex camera die een grotere sensor heeft.
    Kijk hierboven eens naar de glans op het leer, linksboven in de foto. Die glans ziet er, ondanks ISO 3200 nog vrij goed uit. In de foto daarboven is deze glans flink door ruis verstoord. Wederom door ruis is in de bovenste foto bijna niets meer van de glans te zien.
    Nikon D3, ISO 3200.

Als je vaak in donkere ruimten fotografeert dan kan het lonen om een camera uit te kiezen op goede ruiseigenschappen. Typisch wil je dan een camera met een grote, zo modern mogelijke sensor en relatief weinig pixels. Met elke moderne spiegelreflex camera kun je zonder grote problemen op ISO 1600 fotograferen, mits je de tips op deze pagina in acht neemt. Heb je nog hogere ISO waarden nodig dan kom je al snel uit in de klasse van de professionele camera's met grotere sensoren zoals de Nikon D700/D3(s) of Canon 5d/1d. Voordat je deze stap neemt, raad ik je aan om de paragraaf over de ISO waarde nogmaals door te lezen, met name het stuk over het diafragma!

Een andere mogelijkheid (met name als je maar af en toe in donkere ruimten fotografeert) is om een betere camera of lens te huren. Dit is meestal alleen mogelijk voor Canon of Nikon camera's, aangezien de markt voor professionele apperatuur van andere merken nog te klein is.


Is weinig ruis altijd beter?

Nee. Uiteindelijk is het alleen maar belangrijk of een foto 'werkt' of niet. Leidt de ruis af van waar de foto om gaat? Dan wil je zo min mogelijk ruis. Wordt de foto saai zonder ruis? Dan kan het zijn dat de foto met ruis een stuk sterker wordt. De foto hieronder is bewust met een waanzinnig hoge ISO waarde gemaakt, om hem wat ruwer te maken. Hiermee is de foto in mijn ogen veel interessanter geworden (al is dat op de kleine foto hieronder wat lastig te beoordelen).

    foto die bewust met veel ruis gemaakt is Figuur 16: Abstracte macrofoto van een muizenval, bij een belachelijk hoge ISO waarde
    Nikon D3, ISO 25600.
    uitsnede van de vorige foto Figuur 17: Op deze uitsnede zie je een deel van de foto ongeveer zoals een 20x40cm print er uitziet.
    uitvergroting van een deel van de vorige foto Figuur 18: 100% uitvergroting van een deel van het originele (kleuren) bestand van de muizenval foto, dit om de effecten van een waanzinig hoge ISO waarde te zien. In zwart/wit zie je de fel gekleurde ruis pixels uiteraard een stuk minder.
    Hou er wederom rekening mee dat je hier kijkt naar een zeer klein deel van wat een uitvergroting van ongeveer 80x160cm zou zijn, en dat bij ISO 25600.

Ten slotte

Zoals ik hierboven al schrijf: het belangrijkste is of jouw foto werkt of niet. Voor de keren dat je veel ruis wilt heb je het makkelijk, gebruik de tips hierboven voor de momenten dat je met weinig ruis verder wilt.

Heel veel succes!
Freddy Hurkmans


(c) 2017 Freddy Hurkmans, laatste wijziging: 2017-01-10 10:30:13
Freddy Hurkmans beginpagina leren over fotografie: fotografie artikels door Freddy Hurkmans handboek fotografie door Freddy Hurkmans