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 minimalnie poniżej wartości nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Możemy zaobserwować, że czułość ISO 80 jak i 25600 są wytwarzane sztucznie.

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 innym poziomie, a stabilizuje się dopiero po przekroczeniu ISO 1600, osiągając poziom 3,5 elektronu. Takie zachowanie wskazuje na korygowanie zachowania matrycy w zależności od nastawy czułości.

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 nastawy czułości ISO 125 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada około 9 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. FWC – full well capacity) na poziomie 37 ke-. Taki wynik należy uznać za całkiem dobry, jednak nie zapominajmy, że na 1-calowej matrycy upchnięto ponad 20 mln fotodiod – wielkość pojedynczego sensela to zaledwie 2.3 µm. W porównaniu do Sony RX10 widzimy lepsze sterowanie elektroniką matrycy dla niższych czułości.

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 711 (czyli niewiele powyżej wartości dla nastawy aparatu ISO 800). 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.

Trudno mieć większe zastrzeżenia do wykresów, choć w dwóch punktach widać ich ugięcie: w okolicach ISO 800 oraz 12800. Jest to wskazówka, że oprogramowanie aplikuje modyfikacje danych. Musimy jednak przyznać, że powyżej czułości ISO 6400 obraz jest generowany na drodze programowej, co dobrze widać było na wykresie pomiaru czułości. Gdy spojrzymy na wyniki pomiaru dla kanału luminancji, poziom 5% szumu dla 24-bitowych danych jest przekraczany dopiero przy nastawie ISO 3200. Podobnie jak to miało miejsce przy teście JPEG, spójrzmy na porównanie poziomów szumu dla składowej luminacji pomiędzy trzema aparatami z matrycą 1".

Sytuacja jest zgoła inna – tutaj to Sony notuje najlepsze rezultaty, a Canon wraz z Panasonikiem do poziomu ISO 6400 dają w granicach błędu identyczne wyniki. Jeśli przyjąć, że modele G7X oraz FZ1000 dysponują matrycami pozyskanymi z tego samego źródła, z uwagi na kalibrację przetworników analogowo-cyfrowych, nie jest to jednak ten sam projekt, jaki znajdziemy w aparacie RX10. Z drugiej strony, mając w pamięci wyniki testu szumów dla plików JPEG, widzimy jak bardzo odmienne jest podejście programistów z tych dwóch firm. W naszym odczuciu najlepszy stosunek jakości plików RAW do JPEG prezentuje model Sony RX10, przed opisywanym aparatem Panasonika.

Aby ukazać, jak wartości wyznaczonego szumu przekładają się na obraz, prócz 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.

Faktycznie, do poziomu ISO 400 trudno dojrzeć znaczące różnice między porównywanymi konstrukcjami Panasonika, Sony RX10 i Canona G7X. Struktura szumu powoduje, że to właśnie w modelu FZ1000 najszybciej zaczniemy odczuwać jego istnienie. Plusem jest drobnoziarnista charakterystyka, potencjalnie dająca nadzieję na stosunkowo łatwe wyeliminowanie szumu na drodze obróbki w komputerze. ISO 6400 zdaje się ostatnią używalną czułością – wyższe naznaczone są zniekształceniami koloru znacząco degradującymi jakość obrazu.

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 dociera do poziomu 250, czyli otrzymujemy praktycznie 8-bitowy zapis danych. To dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-13. Pomiarów 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 względnie liniowo w naturalny sposób, to znaczy każde zwiększenie czułości o 1 EV pozbawia nas 1 EV dynamiki. Dwie najniższe czułości (ISO 80 oraz 100) wykazują odmienne zachowanie. Podobnie jak i czułości wysokie (ISO 12800 oraz 25600), dla których nie możemy uzyskać wysokiej dynamiki tonalnej. Warto jednak przypomnieć, że te 4 czułości producent oznaczył jako niekalibrowane. Ograniczenia wynikają ze stosowania 12-bitowego przetwarzania sygnału.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowanie 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, 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 6.5 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 125
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 125
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 1300. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 000 zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
80
100
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Należy odnotować zastosowanie stałego sygnału – o wartości 142 jednostek – dodawanego na wejściu przetwornika ADC. Powyżej ISO 3200 dostrzegamy w przebiegach histogramów efekty grzebieniowe – to znak cyfrowego skalowania sygnału. Histogram nie ma zbyt wiele wspólnego z rozkładem normalnym. Typowy kształt dzwonu trudno dostrzec, z łatwością natomiast zauważymy dodatkowy garb pojawiający się po prawej stronie głównego rozkładu sygnału. W wycinkach widzimy jasne punkty już od najniższej czułości – to one są odpowiedzialne za zakłócenia histogramu. Ponieważ w kolejnych czułościach są to te same piksele, które generują wyższy sygnał, do czynienia mamy z nierównomiernością wykonania matrycy, co jest stosunkowo typowe dla matryc BSI (obracanie struktury krzemowej w procesie produkcji wymaga idealnego jej ponownego pozycjonowania).

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. Podobne zachowanie odnotowaliśmy dla aparatu Sony RX10. To znak, że prawdopodobnie nie tylko matryca została zapożyczona od Sony, ale także cały wspierający ją układ elektroniczny.

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
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.