กล้องดิจิตอล Hot Dead Pixel มีผลอย่างไรต่อภาพถ่าย

Hot Dead Pixel มีผลอย่างไรต่อภาพถ่าย

กล้องดิจิตอลสามารถเกิดภาพได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Image Sensor ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนแปลงแสงให้กลายเป็นกระแสไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ A/C Converter กระแสไฟฟ้าจะถูกแปลงให้กลายเป็นข้อมูลดิจิตอล กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมีปริมาณน้อยมากจึงต้องมีการขยายสัญญาณด้วย Amplifier จากนั้นข้อมูลดิจิตอลจะเข้าสู่ระบบประมวลผลเพื่อทำการปรับความสว่าง สีสัน ความคมชัด รวมทั้งคุณสมบัติอื่นๆ ที่ได้มีการปรับตั้งไว้ที่ตัวกล้อง กลายเป็นภาพดิจิตอลที่สมบูรณ์ สามารถบันทึกข้อมูลลงการ์ดเก็บข้อมูล และนำไปใช้งานได้ การบันทึกข้อมูลอาจจะบันทึกภาพที่ผ่านการประมวลผลไปแล้ว หากไม่มีการบีบอัดข้อมูลมักจะบันทึกเป็นไฟล์ TIFF หากมีการบันทึกข้อมูลจะบันทึกเป็นไฟล์ JPG และถ้าบันทึกข้อมูลดิจิตอลที่ได้จาก A/D Converter จะเป็นไฟล์ RAW  ซึ่งไม่สามารถนำไปใช้งานได้โดยตรง ต้องผ่านโปรแกรมแปลงไฟล์ RAW ให้เป็น TIFF หรือ JPG เสียก่อน

Image Sensor มีใช้งานอยู่ 2 ชนิดหลักๆ คือ CCD และ CMOS แต่ไม่ว่าจะเป็น CCD หรือ CMOS ในอิมเมจเซ็นเซอร์จะประกอบด้วยเซลขนาดเล็กๆ เรียงตัวกันเรียกว่า “Photosite” หรือคนทั่วไปจะเรียกว่า “Pixel” ขนาดของ Photosite เล็กกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของเส้นผมเสียอีก ใน Photosite ยังประกอบด้วย  Photodiode เป็นตัวรับแสงและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า วงจรไฟฟ้าสำหรับการนำไฟฟ้าและควบคุมการทำงานของอิมเมจเซ็นเซอร์ฟิลเตอร์สีสำหรับการแยกสีภาพ ทำให้เกิดเป็นภาพสีเหมือนจริง และยังมีเลนส์รวมแสงหน้า Photosite เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการรับแสงของ Photodiode

ขนาดของ Photodiode มีผลมากต่อคุณภาพของอิมเมจเซ็นเซอร์ ซึ่งขนาดจะเป็นเท่าไหร่นั้นขึ้นกับขนาดของอิมเมจเซ็นเซอร์และจำนวนพิกเซล อิมเมจเซ็นเซอร์ขนาด 1/2.5 นิ้ว อาจประกอบด้วย Photosite จำนวนมากถึง 8 ล้านเซล Photosite จึงมีขนาดเล็กมากๆ โดยทั่วไปอิมเมจเซ็นเซอร์ที่มี Photosite ขนาดใหญ่จะให้ภาพคมชัด รายละเอียดสูง สีสันอิ่มตัวเป็นธรรมชาติ ไวต่อแสงกว่าอิมเมจเซ็นเซอร์ที่มี Photosite ขนาดเล็ก แต่ราคาจะสูงมาก และทำให้ตัวกล้องและเลนส์มีขนาดใหญ่ ราคากล้องจึงสูงขึ้นตามไปด้วย

Noise, Hot Pixel, Dead Pixel คืออะไร?

การพัฒนาที่พยายามทำให้อิมเมจเซ็นเซอร์มีขนาดเล็กแต่มีจำนวนพิกเซลมากๆ นี้เอง Photosite จึงมีขนาดเล็กมากๆ จนเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ไม่สามารถทำให้คุณภาพของแต่ละ Photosite มีคุณภาพเท่ากัน 100% คุณสมบัติด้านความไวแสง ความไวต่อสี และการเกิดกระแสไฟฟ้าของแต่ละ Photosite จะมีความแตกต่างกันเล็กน้อย รวมทั้ง อาจเกิดความผิดปกติของบาง Photosite เช่น Photosite เกิดกระแสไฟฟ้าได้เอง หรือ Photosite ไม่ทำงานซึ่งเป็นเรื่องปกติของมาตรฐานการผลิตอิมเมจเซ็นเซอร์ในปัจจุบัน

ความผิดปกติของ Photosite ที่มีผลต่อภาพ เช่น

1. Noise ลักษณะเป็นจุดหรือจ้ำเล็กๆ กระจายเต็มภาพ เกิดจากสาเหตุได้มากมายเช่น การอ่านสัญญานไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องทำให้ Image Sensor มีความร้อนสูง สภาพอากาศร้อน ฟิลเตอร์ที่ใช้บนหน้าอิมเมจเซ็นเซอร์กันแสงไม่เท่ากัน ความไวแสงของแต่ละ Photosite ไม่เท่ากัน การขยายสัญญานไฟฟ้ามากๆ (ตั้งความไวแสงสูง) การเก็บไฟล์ภาพเป็น JPG ซึ่งมีการบีบอัดข้อมูล คุณภาพของวงจรไฟฟ้าที่ใช้งาน ฯลฯ ปัญหาเหล่านี้ทำให้แม้แต่ละ Photosite จะได้รับแสงเท่ากัน แต่ภาพที่ได้กลับไม่เป็นสีเดียวกัน สีจะแตกต่างกันเล็กน้อยในแต่ละพิกเซล ทำให้ภาพไม่เรียบเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด เกิดเป็นรอยจ้ำขึ้นมาคล้ายๆ กับเกรนของฟิล์ม

2. Stuck Pixel เกิดจากพิกเชลบางส่วนเป็นจุดสว่างขึ้นมา โดยไม่ขึ้นกับความไวแสงและความเร็วซัตเตอร์ที่ใช้ (คนทั่วไปจะเข้าใจว่าเป็น Dead Pixel)

3. Dead Pixel เกิดจากพิกเซลไม่ทำงาน ทำให้ไม่เกิดภาพ กลายเป็นจุดสีดำในภาพโดยไม่ขึ้นกับความเร็วซัตเตอร์และความไวแสงที่ใช้งาน

4. Hot Pixel คือ Noise ที่เริ่มมีความสว่างหรือความแตกต่างของแสงอย่างชัดเจน

ปัจจัยควบคุม Hot Pixel และ Noise

Hot Pixel และ Noise จะมีอยู่ในอิมเมจเซ็นเซอร์ทุกตัวที่ผลิตออกมาในปัจจุบัน โดยเฉพาะอิมเมจเซ็นเซอร์ขนาดเล็กและมีความละเอียดสูงที่ใช้ในกล้อง Consumer ราคาถูกทั่วไป นอกจากความสามารถในการผลิตแล้ว ปัจจัยที่ส่งผลให้ Noise และ Hot Pixel มีจำนวนมากขึ้นคือ

1. ขนาดของอิมเมจเซ็นเซอร์และPhotosite ยิ่งมีขนาดเล็ก Noise และ Hot Pixel จะมีจำนวนมากขึ้น

2. เวลาเปิดรับแสง ยิ่งเปิดรับแสงนาน Noise และ Hot Pixel จะมีจำนวนมากขึ้น

3. ความไวแสง ยิ่งตั้งความไวแสงสูง Noise และ Hot Pixel จะมีจำนวนมากขึ้น

4. อุณหภูมิกล้อง การใช้งานที่อุณหภูมิสูง กล้องมีความร้อนสะสมสูง Noise และ Hot Pixel จะมีจำนวนมากขึ้น

5. การใช้งานต่อเนื่อง การถ่ายภาพการเปิดดูภาพ และการมองภาพทางจอ LCD แทนช่องมองภาพ ทำให้อิมเมจเซ็นเซอร์ทำงานตลอดเวลา ส่งผลให้ Noise และ Hot Pixel จะมีจำนวนมากขึ้น

6. การบีบอัดข้อมูลภาพและการตั้งค่าต่างๆ เกี่ยวกับภาพ การบีบอัดข้อมูลในระบบ JPG การตั้งความคมชัดสูงขึ้นกว่าภาพปกติ การปรับตั้งสีให้จัดจ้าน และการเพิ่มความเปรียบต่าง ล้วนแล้วแต่เพิ่มปริมาณ Hot Pixel และ Noise ทั้งสิ้น

7. อายุการใช้งาน เซ็นเซอร์ที่ใช้งานไประยะหนึ่งจะมี Hot Pixel และ Noise เพิ่มขึ้น

8. การปรับตั้งระบบภาพ การเพิ่มความคมชัด การเพิ่มความอิ่มตัวของสี มีผลทำให้ Noise และ Hot Pixel เพิ่มขึ้น

ผลของ Hot Pixel และ Noise ที่มีต่อภาพ

Noise และ Hot Pixel จะทำให้ส่วนที่เป็นพื้นเรียบไม่เรียบเป็นเนื้อเดียวกัน จะเกิดความแตกต่างบ้างเล็กน้อยถึงมากแล้วแต่ปริมาณของ Hot Pixel และ Noise ที่เกิดขึ้นโดยปกติแล้วผู้ใช้กล้องทั่วไปจะไม่สามารถเห็น Hot Pixel และ Noise กับการใช้งานปกติได้ เพราะว่าภาพที่ถ่ายมักจะมีรายละเอียดของพื้นผิวและความแตกต่างของโทนสี ทำให้ Hot Pixel และ Noise หายไปกับรายละเอียดในภาพรวมไปถึงระบบอัดขยายและพิมพ์ภาพไม่สามารถอัดขยายให้ทุกๆ จุดมีสีเท่ากันรวมถึงไม่สามารถถ่ายทอดรายละเอียดได้ทั้งหมด จึงทำให้ Hot Pixel และ Noise หายไป

Hot Pixel และ Noise จะเริ่มสังเกตเห็นได้เมื่อถ่ายภาพในสภาวะที่ทำให้เกิด Hot Pixel และ Noise สูงๆ อย่างที่ได้แสดงไว้ในหัวข้อปัจจัยควบคุม Noise และ Hot Pixel การถ่ายภาพกลางคืนโดยใช้ความไวแสงสูงและความเร็วชัตเตอร์ต่ำ การปรับตั้งระบบการทำงานของกล้องบางระบบ การใช้งานต่อเนื่องการถ่ายภาพในที่อากาศร้อนมากๆ จึงจะเริ่มสังเกตเห็น Hot Pixel และ Noise ได้

การแก้ไข Hot Pixel และ Noise

สำหรับผู้ผลิตกล้อง มีการแก้ไข Hot Pixel และ Noise โดยการใช้โปรแกรมในตัวกล้องทำการลบพิกเซลในส่วนที่เป็น Hot Pixel, Noise รวมถึง Dead Pixel ที่เกิดจากระบบการผลิตซึ่งเป็นปัจจัยคงที่อยู่แล้ว แต่สำหรับ Hot Pixel และ Noise ที่เกิดจากการใช้งานซึ่งเป็นปัจจัยไม่คงที่ เช่น อุณหภูมิ ผู้ผลิต ไม่สามารถแก้ไขให้ได้ ผู้ใช้สามารถแก้ไขได้โดยใช้โปรแกรมลบ Noise และ Hot Pixel เช่น Neat Image, Noiseware, Photoshop CS2, การทำ Dark Frame ฯลฯ ซึ่งสามารถลด Hot Pixel และ Noise จากการใช้งานแต่ละภาพได้ 

การตรวจสอบ Hot Pixel และ Noise

ปัจจุบันยังไม่มีโปรแกรมและมาตรฐานในการทดสอบ Hot Pixel และ Noise ที่ได้ผลถูกต้อง โดยทั่วไปจะใช้โปรแกรมทดสอบที่ชื่อว่า Dead/ Hot pixel Test

การทดสอบ Hot pixel และ Noise จำเป็นต้องควบคุมปัจจัยต่างๆ ดังนี้

1. ต้องปิดหน้ากล้อง ไม่ให้แสงผ่านเข้าไปยังอิมเมจเซ็นเซอร์ได้แม้เพียงเล็กน้อย

2. ใช้ความไวแสงต่ำสุดที่กล้องสามารถตั้งได้ ห้ามใช้ความไวแสง Auto

3. ต้องถ่ายภาพเป็นไฟล์ RAW หรือ TIFF เท่านั้น ห้ามใช้ JPG

4. ต้องตั้งค่าต่างๆ ของภาพ เช่น Sharpness ที่ Soft, Saturation ที่ Original, Contrast ที่ Low ซึ่งเป็นภาพที่เกิดจาก Image Sensor อย่างแท้จริง

5. ต้องถ่ายภาพที่ระบบ Manual เพื่อให้สามารถคุมความเร็วชัตเตอร์ได้

6. อุณหภูมิในการทดสอบคือ 20c 

7. ความละเอียดของภาพต้องอยู่ที่ Effective Pixel เท่านั้น

การทดสอบที่ถูกต้องคือตั้งความไวแสงต่ำสุด ปิดหน้ากล้องให้มืดสนิท ไม่เปิดจอ LCD อุณหภูมิ 20c ตั้งระบบต่างๆ ไว้ที่ Original และถ่ายภาพเป็นไฟล์ RAW หรือ TIFF จากนั้นไล่ถ่ายภาพจากความเร็วชัตเตอร์ต่ำไปยังชัตเตอร์สูง ช่วงที่ใช้ความเร็วชัตเตอร์ต่ำอิมเมจเซ็นเซอร์จะเกิดความร้อนสูง ปริมาณ Noise จะมากผิดปกติ จำเป็นต้องพักเพื่อให้อุณหภูมิของ Sensor ลดลงอยู่ 20c ตามปกติและไม่ควรเปิดดูภาพทางจอ LCD เพราะการดูภาพที่จะถ่ายทางจอ LCD จะทำให้ Sensor ทำงานหนัก และตั้งค่า Thresh Hold for Pixel ที่ 60 (ต่ำกว่านี้จะไม่สามารถมองเห็นหรือมีผลต่อภาพ)

ส่วนการนับจำนวน Hot Pixel นั้นจะต้องนับเป็นจุดบนอิมเมจเซ็นเซอร์เท่านั้นมิได้นับจำนวน Pixel ดังที่ปรากฏในโปรแกรมเนื่องจากอิมเมจเซ็นเซอร์ที่ใช้ในกล้องดิจิตอลทั่วไปแบบ AREA CCD แต่ละพิกเซลมีสีเพียง 1 สี ทำให้ต้องมีการจำลองข้อมูลของพิกเซลด้านข้างมาใช้งาน ข้อมูลของพิกเซลที่เป็น Hot Pixel จึงไปมีผลต่อพิกเซลปกติให้กลายเป็น Hot Pixel เทียม Hot Pixel 1 จุดบนอิมเมจเซ็นเซอร์สามารถปรากฏข้อมูลเป็น Hot Pixel ในโปรแกรมทดสอบเป็น 5 พิกเซลได้ เช่น  Pixel 221/222 กับ 221/223 ปรากฏเป็น Hot Pixel หมายถึงความจริงแล้วมีพิกเซลเดียวเท่านั้นที่เป็น Hot Pixel จึงจำเป็นต้องนับจำนวน Hot Pixel ด้วยตนเองหากต้องการข้อมูลที่ถูกต้อง