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 wszystkie czułości, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są bliskie wartościom nominalnym. Takie zachowanie to rzadkość w cyfrowej obróbce sygnału, gdzie producenci często przetwarzają niższe czułości w celu uzyskania odpowiedniego bufora na manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi jest typowa dla matryc krzemowych, gdzie sprawność kwantowa nie rozkłada się równomiernie w całym spektrum światła widzialnego.

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 przebieg pokrywa zakres wartości od 2 do 11 elektronów. Oznacza to, że dla każdej z czułości producent stosuje inne stopnie wzmacniania sygnału.

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 przypadają niecałe 2 elektrony. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 8 ke-. Taki wynik należy uznać za bardzo niski, co pokazuje niewielką sprawność matrycy lub też manipulowanie przy wzmocnieniu sygnału.

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 294 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 400). 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 400 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 przedstawionego kształtu wykresu nie możemy mieć żadnych zastrzeżeń. Szum narasta proporcjonalnie wraz z podnoszeniem czułości ISO. Jednak naszą uwagę zwróciła skala OY – w wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu TIFF składowa luminancji dochodzi po poziomu 7%. To stosunkowo niski wynik pokazujący dobrą kontrolę nad poziomem szumu.

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.

Wycinki potwierdzają to, co widzieliśmy już na wykresach. Obrazy z G1X oraz G1X Mark II są praktycznie nie do rozróżnienia. Dobrą jakość otrzymamy, gdy nie będziemy przekraczać poziomu ISO 1600. Struktura szumu też nie jest ciekawa, co może stwarzać problemy przy jej usuwaniu. Doskonale było to widać przy okazji oglądania wycinków z formatu JPEG – zanik detalu jest bardzo szybki. W porównaniu do aparatu Sony RX100 II widzimy wyraźnie piętno, jakie pozostawia mniejsza gabarytowo, ale o większej rozdzielczości matryca. Dla wysokich czułości sprawuje się ona dużo gorzej od opisywanego modelu. Można wręcz powiedzieć, że pod względem szumów w plikach RAW Canon G1X Mark II może śmiało konkurować z konstrukcjami APS-C.

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 2 najniższych czułości liczba tonów przekracza 200, czyli otrzymujemy niespełna 8-bitowy zapis danych. To stosunkowo dobry wyniki dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do bardzo niskiej wartości 5 bitów, co stanowi 32 półtony.

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.

Przedstawiony wykres pokazuje, że aż do ISO 400 matryca osiąga bardzo podobne wyniki. Wynika z tego, że przetwornik ADC pracuje w optymalnym zakresie. Dalsze zwiększanie czułości powoduje naturalny spadek dynamiki. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, Canon G1X Mark II osiąga wartości dynamiki tonalnej 7.1 EV przy najniższej czułości. Jest to typowy stosunkowo dobry wynik. Gdy akceptujemy niższe progi jakości, okazuje się, że przy wykorzystaniu najniższej dostępnej czułości dysponujemy prawie całym zakresem pracy 12-bitowego przetwornika.

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

Musimy przyznać, że odzyskanie informacji w cieniach dla bazowego ISO stoi na dobrym poziomie. Pod tym względem nie możemy narzekać na aparat.

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki, czyli 60 s. Canon G1X Mark II wymusza odejmowanie ciemnej klatki.

Zdjęcia wywołujemy 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 termiczny. Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 0 do 1600. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 tysięcy zliczeń.

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

Gdy pierwszy raz zobaczyliśmy widoczne dla niektórych czułości ciemniejsze pasy, stwierdziliśmy, że test się nie powiódł. Jednak dwie kolejne serie dały identyczny wynik. Pamiętajmy, że do czynienia mamy z matrycą wieloaspektową oraz, że aparat wymusza odejmowanie ciemnej klatki dla długich ekspozycji i wysokich czułości. Te okoliczności mogą wskazywać, że widoczne powyżej pasy są efektem ubocznym właśnie procesu redukcji szumu termicznego.

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech silnego bandingu, a szum jest jednorodny. Pod tym względem nie można mieć do G1X Mark II żadnych zastrzeżeń, choć uważny czytelnik dostrzeże delikatne pasma na miniaturach, szczególnie dobrze widoczne dla najwyższych wartości ISO. W konstrukcji przetwornika ADC producent wykorzystał stały sygnał dodawany w celu lepszego odseparowania szumu przetwarzania od użytecznego sygnału. Jednak z pewnym zaskoczeniem obserwujemy, że ta konstrukcja firmy Canon osiąga tak niskie wartości. Przypomnijmy, że w poprzednim modelu producent zastosował bias o wartości 2048. I co ważniejsze – wygląd histogramów bardziej przypominał gaussowski dzwon. Trudno takiego zachowania szukać w opisywanym modelu dla większości dostępnych czułości. To znak, że dochodzi do programowej modyfikacji danych.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.