Szumy

Porównywanie poziomu szumów pomiędzy modelami przeprowadzone na plikach JPEG trudno uznać za wiarygodne, jako że nie znamy sposobu tworzenia tychże plików przez aparaty. Dlatego by porównać charakterystykę szumów opisywanego modelu dla różnych czułości ze sprzętem innych producentów, musimy przyjrzeć się wynikom uzyskanym z analizy plików RAW.

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

W przeciwieństwie do plików JPEG, w surowych plikach dokładnie widzimy przesunięcie kolorów czerwonego i niebieskiego. Wynika to ze słabszej efektywności kwantowej matrycy na brzegach zakresu światła widzialnego oraz użycia światła żarowego w teście. To zachowanie fizyczne, któremu nie możemy nic zarzucić. Wzrost wartości szumu jest naturalny, a sam jego poziom – stosunkowo niski. To znak, że matryca pod względem konstrukcji i oprogramowania prezentuje wysoki poziom.

Jak jednak wypada matryca aparatu Ricoh GR w porównaniu do konkurencyjnych rozwiązań? Spójrzmy na następujący wykres.

Powyższy wykres pokazuje, że w przeciwieństwie do konstrukcji Fuji i Nikona Ricoh notuje największy szum. Nie są to duże różnice, jednak wraz ze wzrostem czułości szum w wypadku GR jest coraz bardziej widoczny, a dystans między nim a Coolpix A dochodzi do 1.5 EV.

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.

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 testowej scenki.

Wycinki potwierdzają to, co możemy odczytać z wykresu porównującego matryce. Ricoh GR szumi o ok. 1 EV mocniej od modelu Nikon Coolpix A – widać to wyraźnie na wysokich czułościach. Dominuje różowe zabarwienie, a intensywność odbioru szumu wynika z jego struktury. Nie jest on tak drobnoziarnisty – pojawiają się większe zgrupowania plam. Takie zachowanie jednak jest widoczne dopiero po przekroczeniu progu ISO 1600. Dla niższych wartości szum jest raczej niezauważalny, a tym samym nie przeszkadza w odbiorze. Ciekawe spostrzeżenia nasuwa odwołanie się do wycinków scenki dla formatu JPEG – tam aparat GR dla wysokich ISO wypada znacznie lepiej niż Coolpix A.

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. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

Dla najniższej czułości wynik pomiaru zakresu to 275, co przekłada się na niespełna 8.1-bitowy zapis danych. To stosunkowo wysoka wartość jak na matrycę APS-C i 12-bitowe przetwarzanie. Zwiększanie wartości czułości powoduje systematyczne zmniejszanie się zakresu tonalnego, jednak do wartości ISO 6400 możemy cieszyć się w miarę dobrymi przejściami tonalnymi (17-bitowy zapis koloru RGB). Dopiero przy najwyższych czułościach szum jest na tyle wysoki, że efektywny zakres tonalny spada do wartości 4.6 bita.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. 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.

Od razu zauważamy równe wykresy, proporcjonalnie zmniejszające się wraz ze wzrostem wartości ISO. Wygięcie krzywych dla najniższych czułości jest wynikiem bardzo niskiego poziomu szumu przetwarzania. Najniższa jakość, dla której stosunek sygnału do szumu jest równy 1, pokazuje, że do dyspozycji mamy praktycznie cały zakres przetwornika ADC aż do ISO 400. To doskonała wiadomość dla osób „wyciągających z cieni”. Dla najlepszej jakości obrazu matryca notuje wynik w 7.9 EV. To bardzo dobry osiąg, który pokazuje, że wyniki pomiaru dynamiki są, krótko mówiąc, świetne!

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 SNR = 10 (wysoka), 4 (dobra), 2 (średnia) i 1 (niska). Przy pomocy tego wykresu każdy może oszacować dostępną dynamikę dla wybranej przez siebie minimalnej użytecznej jakości obrazu. 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, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika przekracza wartość 8 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 4 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 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Producent w konstrukcji nie zastosował stałego sygnału dodawanego w celu lepszego odseparowania szumu od użytecznego sygnału, a odcięcie na kondycjonerze sygnału jest daleko poza centrum rozkładu normalnego, który to schował się za lewą krawędzią wykresów. Powoduje to, że wyliczenia odchylenia standardowego są obarczone błędem, choć matematycznie pozostają nadal prawidłowe. Mimo tego przycięcia musimy uznać, że przedstawione wykresy mało przypominają nawet część gaussowskiego dzwonu. To znak, że dane nie reprezentują naturalnego sygnału, którego przypadkowość możemy opisać rozkładem normalnym. Widzimy też, że powyżej ISO 1600, czułości są wytwarzane na drodze obróbki programowej przez zwykłe mnożenie sygnału (charakterystyka grzebieniowa). Ważne, że dla żadnej z czułości nie obserwujemy nierównomierności nagrzewania matrycy.

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
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.