Przypomnijmy sobie strukturę matrycy wykonanej w technologii Foveon X3.

Pochłanialność światła przez krzem powoduje różnicowanie wielkości przetwarzanego strumienia światła w zależności od położenia fotodiody. I faktycznie, gdy oświetlamy sensor białym światłem o natężeniu powodującym, że sensel niebieski jest już bliski saturacji, okazuje się, że sensel zielony jest „wypełniony” w połowie, a sensel czerwony zaledwie w 1/4 swoich możliwości. Innymi słowy każda z warstw przetwarza kolor na innym poziomie luminancji. Konsekwencją takiej konstrukcji jest zatem różnicowanie poziomów rejestrowanego sygnału w zależności od kanału koloru, co przekłada się na problem w poprawnym przetwarzaniu koloru bardzo jasnych scen. Wynika to z faktu, że kanał niebieski bardzo łatwo przepalić, czyli stracić możliwość manipulacji danymi.

W wypadku scen o typowej jasności natomiast składowa czerwona – jako najsłabsza – będzie obarczona dość znacznym szumem, wymagającym usunięcia w procesie wywoływania pliku RAW, przy czym odszumianie oznacza też konieczność wyostrzenia.

Zacznijmy od źródeł, czyli wnętrza pliku X3F.

W tabeli poniżej przedstawiamy przykładowy rozkład wartości w pliku X3F dla wszystkich warstw. Dane pochodzą ze zdjęcia wzornika Kodak Q14 wykonanego przy czułości ISO 100 i ekspozycji skorygowanej o +3 EV w celu uzyskania przepalenia najjaśniejszych tonów. Dla uproszczenia w tabeli prezentujemy wartości z pól wzornika o numerach od 3 do 11.

By lepiej zrozumieć zawartość powyższej tabeli, przedstawiamy wycinki poszczególnych kanałów oraz jako czwarty pasek – obraz złożenia kanałów RGB.

Widzimy, że wynikowy obraz jest mocno zaniebieszczony oraz że paski zielony i czerwony reprezentują słabszy sygnał (są ciemniejsze). By przywrócić poprawną kolorystykę, musimy oczywiście wzmocnić sygnały dla kanałów zielonego i czerwonego. I rzeczywiście, proste matematyczne 4-krotne zwiększenie wartości w kanale R oraz 2-krotne w kanale G powodują wyrównanie kolorystyczne wystarczająco dobre, by wizualnie ocenić wzornik jako „zbudowany z odcieni szarości”. Spójrzmy zatem na analizę tak wytworzonego obrazu.

W ten oto sposób z pliku X3F otrzymujemy „plik RAW”, który możemy traktować jako poprawny format surowy, gotowy do dalszej obróbki, jaką byłaby np. korekcja balansu bieli, saturacji, gammy itp.

Im głębiej światło musi spenetrować strukturę krzemu, tym mniejsza jego ilość zostaje przetworzona na ładunek elektryczny. W efekcie wraz z grubością struktury zmniejsza się stosunek użytecznego sygnału do poziomu szumu – powstają coraz większe zakłócenia. By obraz nie był naznaczony tymi artefaktami, wymagane jest, aby przynajmniej kanał R – leżący najgłębiej – poddać procesowi odszumiania, a następnie lekkiego wyostrzania w celu przywrócenia szczegółów. Taki właśnie proces aplikują dedykowane programy jak Sigma Photo Pro czy Iridient Developer, obsługując dane z matrycy Foveon X3. Jasnym staje się stwierdzenie, że dane z matrycy Foveona nie są zapisem RGB gotowym do użycia, a odzyskanie takowego wymaga zastosowania skomplikowanych algorytmów przetwarzania obrazu.

Inny istotny aspekt, na który musimy zwrócić uwagę, to sterowanie czułością. Proste wzmacnianie sygnału (analogowe czy na drodze cyfrowej) spowoduje, że bardzo szybko tracić będziemy składową niebieską (będzie ulegać przepaleniu). By obejść ten problem, producent musiał w nietuzinkowy sposób obsłużyć parametr ISO. To także powód, dla którego matryce Foveona słabo spisują się przy wysokich czułościach i raczej wątpliwym jest, by kiedykolwiek dogoniły konstrukcje bayerowych CFA (Color Filter Array), o ile nie zostanie zmieniona konstrukcja matrycy.

Poniżej przedstawiamy rozkład wartości w pliku X3F wykonanym przy tym samym oświetleniu co poprzednio – z tym że czułość zmieniono na ISO 6400, w wyniku czego skróceniu uległ czas migawki. Podobnie jak wcześniej dane obrazują wartości z pól o numerach od 3 do 11 wzornika Kodak Q14.

Szybki rzut oka na same wartości wystarczy, by stwierdzić, że zwiększenie czułości ISO o 6 EV powoduje 16-krotną redukcję wartości sygnału w pliku X3F!

Przypomnijmy, że w klasycznych sensorach zwiększanie czułości powoduje wzmacnianie sygnału, który od góry jest ograniczony punktem saturacji (lub w uproszczeniu mówiąc, maksymalną wartością cyfrową przetwornika ADC). Każde zatem zwiększenie wartości ISO odbieramy jako stratę na dynamice równą przyrostowi czułości.

Możemy wysunąć hipotezę, że odmienne podejście w matrycach Foveona w praktyce oznacza, iż sygnał docierający do przetworników ADC zamiast być wstępnie wzmacniany, nie jest w ogóle modyfikowany. Sygnał jest więc wprost proporcjonalny do ustawionych parametrów przysłony i czasu migawki, natomiast czułość nie wpływa na niego. Wyobraźmy sobie pracę aparatu przy ustalonej przysłonie: zwiększanie czułości będzie powodować skracanie czasu naświetlania, a krótszy czas migawki to też mniej fotonów padających na matrycę. Stąd w powyższej tabelce widzimy niższe wartości z przetwornika analogowo-cyfrowego.

Wbrew pozorom takie działanie przynosi podobny efekt końcowy, z tą jednak różnicą, że dynamikę ogranicza od dołu stały szum przetwarzania. Konsekwencją tej metody jest wymóg silnego wzmacniania wartości w postprocesie, co – w przeciwieństwie do wstępnego wzmacniania sygnału na torze analogowym – prowadzi do posteryzacji (zakres tonalny się nie zmienia, otrzymujemy jedynie większe odległości pomiędzy sąsiednimi wartościami dyskretnymi). W wypadku wysokiej czułości zakłóceniu będzie podlegać także reprezentacja barwna sygnału.

Po tym przydługim wstępie przejdźmy wreszcie do pomiarów.

Szumy

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

Z uwagi na specyfikę matrycy i przetwarzania z niej danych w dalszej części tego podrozdziału zaprezentujemy wyniki pozyskane z analizy surowych plików X3F oraz tych wykonanych przy użyciu plików TIFF, będących reprezentacją plików RAW wygenerowanych przez dedykowane oprogramowanie Sigma Photo Pro (SPP) w wersji 5.5.2.

Zacznijmy od analizy pliku TIFF utworzonego za pomocą programu SPP.

Dla plików RAW przetworzonych przez program SPP rezultaty są podobne do poziomu ISO 800. Szum w poszczególnych składowych jest wyrównany, co oznacza, że ma miejsce dość silne przetwarzanie danych. Patrząc na powyższy wykres, musimy mieć w pamięci specyfikę matrycy Foveon: warstwowe ułożenie fotodiod. I faktycznie – widać, że składowa niebieska (góra „kanapki”) charakteryzuje się najmniejszym szumem, podczas gdy składowa czerwona, będąca wynikiem pracy fotodiody w najniższej warstwie, gdzie dociera już najmniej światła – szumi najbardziej.

Spójrzmy, jak wyglądałby wykres, gdyby zamiast pliku TIFF analizie poddać dane pozyskane wprost z pliku X3F.

W tym wypadku zupełnie już nie widać spłaszczenia wykresu dla niskich wartości ISO. Delikatnie nawet zaznacza się pewna krzywa. Dopiero po przekroczeniu ISO 800 wartości pomiędzy poszczególnymi składowymi stają się bardziej rozróżnialne. Niestety, to wynik także szybko wzrastającego poziomu szumu. Zauważmy, że dla ISO 6400 aparat osiąga na kanale luminancji wartość szumu 9% – takimi wynikami mogą pochwalić się dziś aparaty wyposażone w detektory wielkości 1/1.7 cala! Nie przynosi to chluby produktowi Sigmy. Uważny czytelnik zauważy też inną różnicę pomiędzy powyższymi wykresami. Chodzi o poziom szumu dla składowych czerwonej i zielonej. Jak to się stało, że są one zamienione miejscami? Przypomnijmy sobie skalowanie kanałów, jakie jest wymagane, by odtworzyć prawidłowy kolor. W wypadku tego wykresu wspomniany proces nie zachodzi, w związku z czym widzimy natywny poziom szumu odpowiedzi poszczególnych fotodiod na oświetlenie żarowe – tak pracuje matryca.

Aby ukazać, jak wartości wyznaczonego szumu przekładają się na obraz, prócz wykresów prezentujemy tabelkę z fragmentami zdjęć (w skali 1:1) scenki testowej oraz pól nr 3 i 11 tablicy Kodak Q-14 wywołanych przy użyciu programu SPP.

W wypadku plików RAW sytuacja wygląda podobnie do formatu JPEG. Co ciekawe, możemy stwierdzić, że do ISO 800 model DP1M radzi sobie całkiem nieźle w porównaniu do konkurecyjnych aparatów – przy takiej czułości okazuje się, że matryca Nikona A (uznawana za najlepszą na rynku sensorów APS-C) generuje już widoczny szum, podczas gdy dla Foveona X3 go brak! Szum zaczyna być mocno widoczny dopiero przy ISO 3200, gdzie najbardziej zawracające uwagę są fioletowe przebarwienia. Gdy spojrzymy na przykładowe wycinki zauważamy też, że struktura szumu nie zmienia się wraz ze wzrostem czułości – jest ona drobnoziarnista i wygląda podobnie niezależnie od tego, jakie ISO jest wybrane. Tym samym nie cierpi na tym szczegółowość zdjęć. Przypomnijmy sobie wyniki z plików X3F zaprezentowane na początku tego rozdziału – stanie się dla nas jasne, że dla wysokich czułości pliki RAW tracą na elastyczności w obróbce. Mamy zatem taką sytuację, że zdjęcia są nieatrakcyjne nie ze względu na szum, ale wąski zakres wartości powodujący zatracenie głębi koloru oraz pojawianie się przebarwień. Musimy uznać, że technologia w jakim została wykonana matryca DP1M jest swoistą piętą achillesową.

Zakres tonalny

Zakres tonalny wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach X3F, analizując wprost dane z przetworników ADC.

Dla najniższej czułości dostępnej w trybie RAW wartość zakresu tonalnego jest bliska 8 bitom, czyli 256 odcieniom. To bardzo dobry wynik pozwalający cieszyć się zdjęciami w 24-bitowym kolorze. Ważne też, że wraz ze wzrostem czułości ISO aż do wartości 400 dostępna paleta tonów ulega tylko lekkiemu osłabieniu – nadal do wykorzystania mamy 8-bitowy zapis. Dopiero przekroczenie ISO 400 powoduje znaczący spadek wartości tak, że przy ISO 6400 dostępny mamy 5-bitowy zapis (czyli 32 przejścia tonalne) na składową, co dla przestrzeni koloru RGB możemy interpretować jako 15-bitowy kolor.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach X3F, analizując wprost dane z przetworników ADC.

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.

Na wstępie musimy wyjaśnić, iż z uwagi na sposób operowania czułością nie możemy wyznaczyć punktu saturacji sensora dla ISO większego od bazowego. Dla wysokich ISO nigdy nie zachodzi proces przepełnienia ładunkiem studni potencjałów fotodiod – nie jesteśmy w stanie wysycić pikseli. Tym samym, na potrzeby generacji powyższego wykresu – za wartość maksymalnej saturacji została uznana ta wartość z przetwornika ADC, która odpowiada najjaśniejszemu polu wzornika Q14.

W granicach błędu, charakterystyki możemy uznać za liniowe, o wartościach proporcjonalnie zmniejszających się wraz z każdym zwiększeniem czułości ISO. Dla najlepszej jakości obrazu matryca notuje wynik 7.3 EV. Taki osiąg plasuje aparat w wysokiej klasie i daje nadzieję na doskonałą jakość obrazu. Gdy zdecydujemy się na najniższą jakość, do dyspozycji mamy 11 EV, co nie wydaje się wartością zbyt dużą, ale zważając na 12-bitowe przetwarzania danych, musimy uznać ten wynik za wysoki.

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, wywołane w programie Sigma Photo Pro na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie opcje poprawiające jakość obrazu) i zapisane jako 16-bitowy TIFF. Następnie zostały skorygowane o +4 EV i −4 EV .

	0 EV	+4 EV
ISO 100
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Niestety, aparat DP1M wymusza odejmowanie ciemnej klatki dla długich ekspozycji. Z uwagi na specyfikę pracy matrycy pozyskane w tym teście wyniki traktować należy jedynie jako ciekawostkę.

Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 0 do 64. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 100 tysięcy zliczeń.

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

Poniżej przedstawiamy statystykę wyżej zaprezentowanych obszarów.

Widzimy wyraźnie, że do sygnału dodawana jest składowa stała o wartości 32. To ukłon w kierunku programistów pragnących użyć specjalizowanych algorytmów do analizy struktury szumu. Wszystkie histogramy wyglądają podobnie, co wynika z opisywanego wcześniej braku wpływu nastawy czułości na dane pozyskiwane z matrycy.

Pamiętajmy, że ze względu na brak wzmacniania sygnału analogowego, ograniczeniu podlega rejestrowana wartość. Przy wysokich wartościach ISO może ona nie przekraczać wartości 8-bitowej. Z powyższej tabelki widzimy jednak, że poziom szumu (odchylenie standardowe) kształtuje się na poziomie wartości cyfrowej 6, czyli 3 bitów. Jasnym się zatem staje, że w takich warunkach dynamika sygnału nie może przekroczyć 6 EV.

Szum termiczny w plikach JPEG

JPEG
ISO	Dark Frame	Crop
100
200
400
800
1600
3200
6400