„Zrno” a „šum” se používají zaměnitelně pro jemnou texturu, která narušuje hladký tón, ale oba vznikají z fyzikálně nesouvisejících procesů. Halogenidostříbrné zrno je trvalá struktura zabudovaná do vyvolaného negativu; šum senzoru je statistická fluktuace v počtu fotonů a elektronů v okamžiku snímání. Tento rozdíl předurčuje, jak se každý projevuje napříč tónovým rozsahem, jak se mění s větším zvětšením a jak působí na černobílém tisku.

Od latentního obrazu ke shluku

Černobílá emulze je suspenze světlocitlivých halogenidostříbrných krystalů v želatině. Osvit sám o sobě nevyvolá téměř nic viditelného: vytváří latentní obraz. Obecně přijímaný výklad je Gurney-Mottův mechanismus, který popsali R. W. Gurney a N. F. Mott v roce 1938. Absorbovaný foton uvolní elektron uvnitř krystalu; ten elektron redukuje mobilní intersticiální iont stříbra na neutrální atom stříbra; shluk přibližně čtyř takových atomů — zárodek Ag4 — je minimálním stabilním místem, na nějž může vyvolávač působit.

Vyvolání pak provede obrovské zesílení. Vyvolávač redukuje celý krystal nesoucí vyvolatelný zárodek na spletenou síť vláken kovového stříbra, čímž z hrstky atomů vytvoří zrno v řádu miliard atomů. Tento zisk — v řádu 10⁹ — je fyzikálním původem efektivní citlivosti filmu: několik zachycených fotonů zaváže celý krystal k tomu, aby se stal viditelným stříbrem. Viditelná textura není jeden krystal, ale shluk, kde se sousední vyvolané zrníčka překrývají a oko je při zvětšení integruje do nepravidelného vzoru. Podstatné je, že tato struktura je fixní, jakmile je negativ ustalován a omyt; při pozdějším kopírování se nemění.

Jak číst čísla granularity

Výrobci výsledek kvantifikují jako difuzní RMS granularitu: hodnota RMS fluktuace optické hustoty, měřená mikrodenzitometrem skrze kruhovou clonu o průměru 48 mikrometrů na filmu vyvolaném na čistou difuzní hustotu 1,0, čtenou při 12násobném zvětšení, v referenčním vyvolávači D-76 (Ilfordův ekvivalent je ID-11) při 20 °C. Publikovaná hodnota je tato RMS odchylka hustoty vynásobená 1000, takže hodnota 16 znamená skutečnou RMS odchylku hustoty 0,016. Nižší číslo znamená jemnější zrno.

Kodakův vlastní datový list F-4017 uvádí konvenční kubický Tri-X 400 s hodnotou 17 (jemné) (filmový Tri-X 320 vychází o něco jemněji na 16). Filmy s tabulkovým zrnem jsou výrazně jemnější: T-Max 400 dosahuje hodnoty 10 a T-Max 100 hodnoty 8 za stejných podmínek (F-4016). Intuice za tímto číslem spočívá v průměrování přes clonu. Táhnete-li malým pevným okénkem přes vyvolaný obraz: kde se stříbro shromažďuje ve velkých shlucích, hustota prudce kolísá od okénka k okénku a dává velkou fluktuaci a vysoké číslo; kde jsou zrna malá a rovnoměrně rozložená, každé okénko zachytí podobné množství a fluktuace je malá.

Tabulární emulze, neboli T-grain, které Kodak uvedl v roce 1986, vděčí za svou jemnost tvaru krystalů. Krystaly jsou ploché destičky s vysokým poměrem průměru k tloušťce (aspect ratio); leží-li v povlaku plocho, méně rozptylují světlo a nabízejí větší povrch na jednotku stříbra, takže emulze je při dané citlivosti jemnozrnnější. Ilfordovy filmy Delta Professional dosahují stejného cíle jinou cestou — patentovanými krystaly Core-Shell, jádro ze jodidu stříbrného obalené pláštěm bromidu stříbrného, nikoli Kodakem preferované destičky. Ilford nepublikuje RMS granularitu pro řadu Delta a namísto toho charakterizuje zrno prostřednictvím dat MTF a ostrosti, takže jakékoliv srovnání Delta vs. T-Max je kvalitativní, ne přímé číselné porovnání.

Proč zrno stoupá tónovou stupnicí

Filmové zrno je nejnápadnější ve středních tónech a vyšších hodnotách, zatímco čistá základna v nejhlubších stínech nese jen málo viditelné struktury. Mechanismus popisuje Selwynův zákon (E. W. H. Selwyn): RMS granularita roste úměrně odmocnině ze střední hustoty. Kde není vyvolané stříbro, není ani fluktuace, a granularita stoupá s tím, jak hustota buduje tónovou stupnici. Selwyn také ukázal, že granularita vynásobená odmocninou plochy snímacího otvoru — G × √A, Selwynova granularita S — zůstává v podstatě konstantní napříč různými velikostmi clon (ověřeno v rozsahu přibližně 7,5 až 384 mikrometrů). Tato konstantnost vysvětluje, proč jediné číslo naměřené při jednom otvoru předpovídá texturu při jiných, a proč je zrno vlastností hustoty, nikoli toho, kam clonu zrovna přiložíte.

Proč šum senzoru funguje obráceně

Digitální senzor počítá fotony a příchod fotonů je Poissonův proces: rozptyl se rovná průměru, takže shot noise z počtu N je √N a poměr signálu k šumu je N/√N = √N. Pixel ve středním tónu, který zachytí 10 000 elektronů, nese tedy shot noise √10 000 = 100 elektronů a SNR 100. Pixel ve stínu s 100 elektrony nese shot noise 10 — SNR pouhých 10. Čtyřnásobné zvýšení expozice (čtyřikrát tolik fotonů) zdvojnásobí SNR. Toto je vlastnost světla, přítomná i v teoreticky dokonalém detektoru.

Druhá složka, read noise, přidávají elektronické obvody, které zesílují a digitalizují náboj. Je nezávislá na expozici — typicky kolem 10 až 20 elektronů na pixel při pokojové teplotě, několik elektronů u chlazených vědeckých CCD — takže stanovuje pevné dno a dominuje jen v hlubokých stínech, kde fotonový signál klesl pod tuto úroveň. Rozsah mezi bodem nasycení a tímto dnem je dynamický rozsah, běžně vyjádřený jako 20·log₁₀(kapacita plného pixelu ÷ read noise); kapacity plného pixelu se pohybují v řádu 20 000 až 600 000 elektronů u typických pixelů. Textura tedy stoupá opačným směrem než u filmu: nejčistší blízko plného nasycení ve světlech, nejzašumnělejší ve stínech.

Geometrie se také liší. Většina senzorů nese Bayerovo pole barevných filtrů, dva zelené pixely pro každý červený a modrý (2G:1R:1B). Rekonstrukce plné barevné hodnoty v každém pixelu — demosaicing — interpoluje mezi sousedy, čímž jinak nezávislý šum prostorově koreluje. Výsledek může vypadat jako jemná mřížka nebo jako barevná skvrnitost, pravidelnost zcela odlišná od organického rozmístění stříbrných shluků, a přetrvává v souboru i po převodu na monochromatický snímek.

Co můžete ovlivnit

Vezměte Tri-X 400 v D-76 ředěném 1+1 při 20 °C přibližně na 9¾ minuty, políčko 35mm formátu 24×36 mm zvětšené na tisk 12×16 palců — přibližně 12násobné lineární zvětšení. Zrno emulze je fixováno při vyvolání; zvětšovák je pouhým dvanáctinásobným zvětšením na papír, bez jakékoli možnosti dalšího ovlivnění. Jediná skutečná páka je volba vyvolávače. Solventní jemnozrnný vyvolávač jako Ilford Perceptol nebo Kodak Microdol-X rozpouští hrany zrn a snižuje granularitu, s mírnou ztrátou citlivosti při použití bez ředění; akutanční, málo solventní vyvolávač jako Rodinal (Adox R09) pracuje opačně a zanechává ostře definované zrno, které se při onom 12násobném zvětšení projeví jako křiš­ťálově čistá textura. Výběrem vyvolávače máte z větší části vybrán i charakter zrna.

Digitál obrátí tuto posloupnost. Shot noise je stanoven při záznamu tím, kolik fotonů jste zachytili, takže ekvivalentní páka je expozice — expozice doprava (ETTR) posouvá signál k plnému nasycení pixelu a maximalizuje SNR předtím, než začne hrát roli read noise floor. Na rozdíl od zrna ale výsledek ještě není konečný: šum lze po záznamu redukovat, vyhladit nebo zostřit, přerozdělit napříč souborem za cenu určité ztráty detailů. To je podstata tohoto rozdílu. Zrno je zapečeno v okamžiku vyvolání a od té chvíle je jen zvětšováno; šum je částečně vyjednatelný — jeho statistika je fixována při záznamu, ale cestou k tisku ho lze stále upravovat.