Czułość matrycy

Badanie to ma na celu pokazanie zachowania fotodiod matrycy, a nie jej realnej czułości w stopniach ISO, której zgodność producenci aparatów utrzymują dla formatu JPEG. Przestrzegamy zatem przed pochopnymi osądami. Jakiekolwiek odchyłki odnotowane w tym teście nie są powodem do zmartwień, gdyż zwykle są one korygowane do wartości nominalnej przy wywoływaniu pliku RAW (w korpusie aparatu przy wytwarzaniu bezpośrednio pliku JPEG lub też przy obróbce surowego pliku w komputerze). Realne problemy dotykają jedynie tego oprogramowania zewnętrznego, które nie posiada profili dedykowanych dla różnych aparatów.

Czułość wyznaczyliśmy zgodnie z normą ISO 12232, wykorzystując metodę pomiaru ilości światła niezbędnej do saturacji poszczególnych grup fotodiod sensora. Do pomiarów wykorzystaliśmy światłomierz Sekonic.

Z powyższego wykresu możemy odczytać, że cztery skrajne czułości (dwie najniższe i dwie najwyższe) odznaczają się odmiennym zachowaniem – prawdopodobnie jest to spowodowane manipulowaniem danymi na drodze programowej. Druga obserwacja to stosunkowo duża rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi. To znak, że sprawność kwantowa nie jest równomierna w całym spektrum światła widzialnego. Znaczna dysproporcja szczególnie dotyka czerwony zakres widma. Odstęp 2.4 jest bardzo duży jak na matrycę BSI, która z definicji powinna mieć większą czułość w tym zakresie. Takie zjawisko może tylko tłumaczyć silniejszy filtr IR. Uśredniając wyniki z wszystkich grup senseli, widzimy, że nominalna czułość jest lekko poniżej idealnej.

Szum przetwarzania

Kolejnym pomiarem jest tzw. szum przetwarzania (ang. readout noise), czyli całościowe zakłócenia generowane przez elektroniczny tor przetwarzania danych. Ilość tego szumu nie zależy od ilości padającego światła ani czasu ekspozycji.

Szum przetwarzania wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć bez dostępu światła przy najkrótszej możliwej do ustawienia migawce. Pomiarów dokonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania. Dane na wykresie zostały zaprezentowane w punktach odpowiadających realnym czułościom matrycy, a wyniki odwzorowują średnią wartość z wszystkich grup senseli.

Wyrażenie wyniku w elektronach pozwala śledzić jakość przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że dla większości nastaw czułości szum ten jest na poziomie od 3 do 4 elektronów. To niewielka wartość poświadczająca wysoką klasę procesu technologicznego wykorzystanego przy produkcji matrycy.

Współczynnik konwersji i wzmocnienie jednostkowe

Poniżej przedstawiamy współczynnik konwersji (ang. conversion gain) matrycy wyznaczony dla różnych nastaw ISO. Parametr ten definiuje liczbę elektronów przypadających na jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC (tzw. ADU, ang. ADC unit) . Analiza tych danych pozwala określić tzw. wzmocnienie jednostkowe, czyli cechę charakterystyczną każdej matrycy definiującą czułość, dla której współczynnik konwersji jest równy 1 – to znaczy wartość z przetwornika ADC pokazuje wprost liczbę przetworzonych elektronów.

Współczynnik konwersji wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. Pomiarów dokonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania. Dane na wykresie zostały zaprezentowane w punktach odpowiadających realnym czułościom matrycy, a wyniki odwzorowują średnią wartość z wszystkich grup senseli.

Dla najniższej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada niecałe 9 elektronów. Pamiętając, że nie są to dane wiarygodne (czułości ISO 80 oraz ISO 100 uzyskuje się w sposób programowy), sugerujemy przyjrzenie się czułości ISO 200 – dla niej współczynnik konwersji jest równy 5.4. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 22 ke-. Taki wynik należy uznać za stosunkowo niewielki, jednak nie zapominajmy, że na 1-calowej matrycy upchnięto ponad 20 mln fotodiod – wielkość pojedynczego sensela to zaledwie 2.3 µm. To niewiele więcej od tego, co oferują matryce o wielkości 1/1.7 cala i rozdzielczości 10 MPix.

Mając do dyspozycji pojemność studni potencjałów oraz wartość szumu przetwarzania (dla ISO 200 to 4.5 elektrona), możemy pokusić się o inżynieryjne wyznaczenie jej charakterystyki. Dynamika takiej „wirtualnej fotodiody” będzie równa 22000/4.5=4888.9, co po zlogarytmowaniu da wynik 73.8 dB lub 12.3 EV. Gdy uznamy, że jedynym ograniczeniem jest fluktuacja fotonów, wtedy (korzystając z rozkładu Poissona) maksymalny możliwy do osiągnięcia odstęp sygnału od szumu to √ 22000 = 148.3 lub inaczej 43.4 dB.

Niezbyt wysoka pojemność studni potencjałów oznacza, że podnosząc czułość aparatu, stosunkowo szybko będziemy pozbawieni realnej informacji o parametrach zarejestrowanego oświetlenia. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 847 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 1600). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej, w związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania takiej obróbki w aparacie. Dokładnie takie same wyniki uzyskamy, fotografując na niższej czułości i w komputerze odpowiednio zwiększając ekspozycję. Innymi słowy, czułości wyższe od nastawy ISO 800 są użyteczne jedynie dla tych użytkowników, którzy nie poddają zdjęć komputerowej obróbce.

Szum całkowity

Pomiar całkowitych szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Poniżej prezentujemy uzyskane przez nas wyniki.

Do powyższych wykresów nie mamy zastrzeżeń. Wartość szumu zwiększa się równomiernie wraz z podnoszeniem wartości czułości ISO. Jedynie powyżej ISO 3200 zaobserwować możemy załamanie krzywych. To dowód, że następuje programowa korekcja dwóch najwyższych czułości – mimo że powstają one już na drodze programowej, nie jest to jedynie proste przemnożenie wartości pozyskanej z przetwornika. Zwracamy uwagę na wynik dla czułości ISO 3200 – wartość dla kanału luminancji nie wychodzi poza poziom 5% – to wynik bardzo dobry, dający nadzieję na umiarkowany szum w tym kanale. Gdy zechcemy zestawić pokazane tu wyniki z aparatem RX100 II, okaże się, że testowany model osiągnął znacząco gorsze rezultaty. Należy więc zadać pytanie, czy to rzeczywiście sensor BSI z RX100 II, czy jednak FSI z modelu RX100.

Aby ukazać, jak wartości wyznaczonego szumu przekładają się na obraz, oprócz wykresów prezentujemy tabelkę z fragmentami zdjęć (w skali 1:1) pól nr 3 oraz nr 11 tablicy Kodak Q-14. W pierwszej tabelce znajdują się fotografie w formacie JPEG, w drugiej natomiast – w formacie RAW.

By porównać uzyskane próbki z innymi aparatami, należy wybrać z rozwijanych list odpowiednie modele oraz zaznaczyć czułość, dla której mają być podane wyniki. W efekcie poniższa tabelka zostanie zaktualizowana nowymi wycinkami scenki testowej.

W przeciwieństwie do plików JPEG dla surowych plików trudno doszukać się wizualnych różnic między aparatami RX10 a RX100 II. Aż do najwyższej czułości można uznać, że mamy do czynienia z tą samą matrycą. Ważną informacją jest też sama struktura szumu – do wartości ISO 3200 będzie on łatwy do usunięcia bez zbytniego wpływu na widoczność detalu, którego dzięki 20 milionom pikseli mamy stosunkowo dużo.

Zakres tonalny

Zakres tonalny, będący miarą liczby rozróżnianych przejść tonalnych pomiędzy skrajnymi wartościami czerni i bieli, mówi nam, jak bardzo szum redukuje jakość zdjęcia, powodując posteryzację.

Zakres tonalny wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. Pomiarów dokonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla trzech najniższych czułości liczba tonów przekracza 200, czyli otrzymujemy 7.6-bitowy zapis danych. To stosunkowo dobry wyniki dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-13. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania. Na wykresie przedstawiamy wartości zakresu tonalnego dla wysokiej, dobrej, średniej i niskiej jakości obrazu. Odpowiada to stosunkom sygnału do szumu na poziomie 10, 4, 2 i 1.

W zakresie czułości 200–3200 ISO dynamika spada liniowo w naturalny sposób, to znaczy każde zwiększenie czułości o 1 EV pozbawia nas 1 EV dynamiki. Przy niższych wartościach tendencja ta jest zakłócona przez stosowanie 12-bitowego przetwarzania, które skutecznie ogranicza sygnał. Wydaje się, że zastosowanie 14-bitowego przetwarzania umożliwiłoby uzyskanie jeszcze większych wartości dynamiki. Najwyższe czułości po raz kolejny pokazują modyfikację danych.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane na podstawie wykonanych pomiarów dla wszystkich czułości aparatu.

0 na osi OX oznacza maksymalną wartość, którą aparat może zapisać w pliku RAW. Na prawej osi OY oznaczyliśmy miejsca dla kryteriów RMS = 10, 4, 2 i 1. Przy pomocy tego wykresu każdy może oszacować dostępną dynamikę dla wybranej przez siebie minimalnej użytecznej jakości. Wystarczy poprowadzić poziomą linię wzdłuż wybranego kryterium i odczytać wartość na osi OX, dla której linia ta przecina się z wykresem dla odpowiedniej czułości. Gdy np. uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB dla ISO 1600, widzimy, że dynamika sięga wartości 7 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaki oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej z czasem 30 s i 2 s przy czułości odpowiednio ISO 100 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom 5 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem “Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 100
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW. Wywołujemy je programem dcraw do postaci czarno-białej bez interpolacji. Uzyskane w ten sposób pliki TIFF konwertujemy do formatu GIF, dobierając zakres w taki sposób, aby najlepiej zobrazować generujący się na matrycy szum. Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 0 do 400. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 100 000 zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
80
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Należy odnotować zastosowanie stałego sygnału – o wartości 200 jednostek – dodawanego na wejściu przetwornika ADC. Zachowanie matrycy jest zgodne z tym, jakie odnotowaliśmy w teście modelu RX100 II.

Bliższe przyjrzenie się plikom GIF dla wyższych czułości pokaże, że widocznie jaśniejszy staje się obszar przy prawej krawędzi kadru. To tzw. amplifier-glow, czyli docierające do matrycy promieniowanie z nagrzewającej się elektroniki aparatu. To znak, że nie tylko matryca została zapożyczona z modelu RX 100II, ale także cały wspierający ją układ elektroniczny.

By dokładnie przyjrzeć się pracy matrycy, poniżej prezentujemy dodatkowo profile wytworzone przez uśrednienie kolumn i wierszy całego kadru.

Patrząc na profile, poza typowymi zakłóceniami w wartościach kolumn wynikającymi wprost ze wspomnianego wyżej grzania się elektroniki, dostrzegamy także zwiększenie sygnału w okolicach środka kadru – widoczne ono jest na profilach poziomych, szczególnie wyraźnie od czułości ISO 400.

Szum termiczny w plikach JPEG

Na koniec tego rozdziału, dla porządku prezentujemy jeszcze darki dla formatu JPG zapisanego przez aparat razem z plikami RAW użytymi w wyżej zaprezentowanej analizie.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop
80
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.