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 mocno poniżej wartości nominalnych. Takie zachowanie tłumaczy funkcja sterowania dynamiką, gdzie aparat obniża czułość, by lepiej przetworzyć partie jasne obrazu. Drugim powodem jest „zdegenerowanie” (szybciej osiągają stan pełnej saturacji) zielonych fotodiod w stosunku do senseli R oraz B.

Wycinek niezdemozaikowanego pliku RAW aparatu X30, ISO 100.

Dla przykładu, w jednej z grup senseli zaprezentowanych na powyższym wycinku, jasne pola (sensele G) mają wartość 4062 (pełna saturacja) podczas gdy R i G odpowiednio 3546 oraz 3768.

Pamiętajmy, że senseli zielonych jest w matrycy X-Trans stosunkowo dużo, jednak trudno poznać powód, dla którego są one tak odmienne w zachowaniu. Skutkiem takiej konfiguracji pracy matrycy jest stosunkowo słaby sygnał w kanałach R oraz B, który prowadzi do spadku ogólnej jakości (zmniejsza się stosunek sygnału do szumu).

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 3 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na wysokim poziomie.

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 niewiele ponad 4 elektrony. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 16 ke-. Taki wynik należy uznać za typowy dla dzisiejszych technologii produkcji matryc krzemowych.

Manipulowanie wzmocnieniem sygnału oraz niższe realne czułości ISO prowadzą do sytuacji, że podnoszenie czułości aparatu stosunkowo szybko pozbawia nas realnej informacji o parametrach zarejestrowanego oświetlenia. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 293 (czyli niewiele poniżej 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.

Szum całkowity

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

W poprzednim rozdziale analizowaliśmy zachowanie czułości wyższych od ISO 3200. Okazuje się, że aparat X30 nie pozwala na użycie czułości wyższych niż ISO 3200, gdy zapisujemy zdjęcia w formacie RAW. Chociaż do samych wykresów nie można mieć zastrzeżeń, warto zwrócić uwagę sam na poziom szumu. Jest on wyższy od tego, jaki zanotowaliśmy przy teście modelu X20. Przykładowo, dla ISO 3200 w modelu X30 szum składowej luminancji osiąga 11%, podczas gdy w modelu X20 było to 6%.

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.

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.

Pierwsze, co zauważamy, to dużo ciemniejsze obrazy pozyskane z opisywanego aparatu. Ponieważ zdjęcia były robione w taki sposób, by jednocześnie zapisywać dane w formatach RAW oraz JPEG, powyższe spostrzeżenie jest dowodem tezy wysuniętej podczas pomiaru czułości ISO – aparat rejestruje obraz przy zaniżonej czułości, lecz pliki JPEG są korygowane do nominalnych czułości ISO. Taka praktyka nie jest niczym dziwnym, jako że specyfikacja nie definiuje formatu, dla którego producenci powinni zachować zgodność czułości. Biorąc pod uwagę zaszumienie, musimy stwierdzić, że szum jest widoczny nawet od najniższych czułości. Podobnie jak to było w wypadku testu modelu X20, aparat Sony RX100 mk3 charakteruzje się mniejszym poziomem szumu, natomiast takie aparaty jak Canon G16 czy też Nikon P7800 można bez problemu przyrównać do X30. Podsumowując, różnic między modelem X20 a X30 trudno się doszukać, a sama jakość obrazu nie razi jak i nie zachwyca.

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 najniższych czułości liczba tonów przekracza 100, czyli otrzymujemy niespełna 6.5-bitowy zapis danych. Ten stosunkowo niewielki wyniki daje zapewnienie przyzwoitych przejść tonalnych. Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do bardzo niskiej wartości 5 bitów, co stanowi 32 półtony. Można zatem powiedzieć, że zakres tonalny zmienia się w niewielkim stopniu pomiędzy najniższą a najwyższą testowaną czułością.

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.

Od razu zauważamy bardzo równe wykresy, proporcjonalnie zmniejszające się wraz ze wzrostem wartości ISO – aż do poziomu ISO 800, gdzie następuje załamanie. Dla najlepszej jakości obrazu matryca notuje wynik w okolicach 6.8 EV. Taki osiąg plasuje aparat w kategorii średniej. Widzimy też, że aby nadal cieszyć się najlepszej jakości obrazem, nie powinniśmy przekraczać ISO 400, gdzie zanotowana dynamika tonalna ma wartość niecałych 5 EV. To poniekąd tłumaczy, dlaczego producent zdecydował się na modyfikowanie danych z matrycy dla wyższych czułości. Trzeba też wziąć pod uwagę, że aparat nie dysponuje wartościami większymi niż ISO 3200. Z jednej strony to dobrze – konstruktorzy nie byli zmuszeni do większej ingerencji w pliki RAW, by utrzymać najniższą jakość obrazu ponad wartością zerową.

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 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 6.5 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaką 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 5.7 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 200 do 300. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 tysięcy zliczeń.

Warto jednak zwrócić uwagę na mały szczegół – aparat X30 nie pozwala na ustawienie długich czasów migawki przy czułości większej od bazowej (dla której ograniczeniem jest czas 30 s). Każde zwiększenie czułości o 1 EV powoduje ograniczanie długości ekspozycji o 1EV. W efekcie dla ISO 3200 maksymalny czas to 1 s. Dodatkowym ograniczeniem jest wymuszenie odejmowania ciemnej klatki.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu za wyjątkiem dwóch najwyższych wartości, gdzie widoczne są delikatne poziome smugi. Warta odnotowania jest jednorodna charakterystyka szumu. Trudno jednak chwalić z tego tytułu aparat, gdy ma się w świadomości ograniczanie czasu jak i odejmowanie darka przez aparat. Producent w konstrukcji aparatu po prostu w dość drastyczny sposób zablokował możliwość pojawienia się prądu ciemnego w finalnym zdjęciu. Za plus należy uznać zastosowanie stałego sygnału dodawanego w celu lepszego odseparowania szumu od użytecznego sygnału. To ukłon w kierunku zaawansowanych programów odszumiających pracujących na plikach RAW.

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.