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 poniżej wartości nominalnych. Takie zachowanie tłumaczy funkcja sterowania dynamiką, gdzie aparat obniża czułość, by lepiej przetworzyć jasne partie obrazu. Widzimy też odmienne zachowanie czułości ISO 100. To wskazuje, że jest wytwarzana na drodze programowej.

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. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Widzimy, że za wyjątkiem ISO 100 przebieg pokrywa zakres wartości od 2 do 3 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki jest wysoka. Wykres też wskazuje, że oprogramowanie zmienia charakterystykę pracy przetwornika ADC w zależności od użytej 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 czułości ISO 200 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada nieco mniej niż 3 elektrony. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 12 ke-. Taki wynik należy uznać za niewielki, typowy dla tak gęstych matryc o niewielkich rozmiarach fizycznych.

Manipulowanie wzmocnieniem sygnału oraz niższe realne czułości ISO prowadzą do sytuacji, że podnoszenie czułości stosunkowo szybko pozbawia nas realnej informacji o parametrach zarejestrowanego oświetlenia. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 426 (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

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 XQ2 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.

Na przedstawionych wykresach widzimy delikatne przegięcie powyżej ISO 1600. Dalej krzywa ma już inne nachylenie. Dla najwyższej czułości składowa luminancji wynosi niecałe 6% – to bardzo dobry wynik pokazujący, że konstruktorzy całkiem nieźle poradzili sobie z szumem przetwarzania i nie gonili za najwyższą czułością, by dotrzymać kroku konkurencji.

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. Pliki RAW zostały wywołane programem dcraw z użyciem algorytmu interpolacji „3-pass X-Trans”.

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.

Co prawda szum jest widoczny już od czułości ISO 100, jednak tyczy się to tylko szarych pasków pokazanych po prawej stronie tabeli. W wycinkach scenki szum zauważalny jest dopiero od ISO 400. Musimy przyznać, że dzięki jego strukturze aż do ISO 800 obraz ma bardzo dobrą jakość. Dalsze zwiększanie czułości powoduje znaczący przyrost szumu, co ilustrują wyniki zaprezentowane w formie wykresów. Porównując wycinki zdjęć wykonanych modelem XQ2 oraz aparatem Panasonic LF1, widzimy lepszą jakość obrazu na korzyść tego drugiego, choć różnica jest minimalna. Ogólnie należy stwierdzić, że nie widać zysku z zastosowania matrycy o większym rozmiarze przy zachowanej tej samej rozdzielczości, a wydruki, nawet w wielkościach 40×30cm (rozmiar A3) powinny być zdecydowanie akceptowalnej jakości.

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.

Dla najniższej czułości wynik pomiaru zakresu to niewiele ponad 170, co przekłada się na niespełna 7.5-bitowy zapis danych. To stosunkowo niewielka wartość, a co ważniejsze, niższa od tej, jaką w naszym pomiarze uzyskał model XQ1. Różnica 1 bita wynika z większego poziomu szumu przetwarzania w nowym modelu i skorelowanego z nim zmniejszonego współczynnika wzmocnienia jednostkowego. To powoduje, że krzywa SNR przedstawiona w dalszej części tego rozdziału ma odmienną charakterystykę, a wynik jej całkowania jest prawie dwukrotnie mniejszy. Zwiększanie czułości w XQ2 powoduje systematyczne zmniejszanie się zakresu tonalnego, ale nawet dla wartości ISO 3200 możemy cieszyć się w miarę dobrymi przejściami tonalnymi (15-bitowy zapis koloru RGB).

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 dwa zakłócenia: odmienne zachowanie ISO 100 oraz pogorszenie jakości dla dwóch najwyższych czułości. Dla najlepszej jakości obrazu matryca notuje wynik 7.4 EV. To dobry osiąg, o 1 EV lepszy od tego, który otrzymaliśmy podczas pomiaru XQ1. Lepsze kontrolowanie dynamiki kosztem zakresu tonalnego nie skutkuje jednak poprawą jakości wysokich czułości – dla najwyższego ISO wynik to niewiele poniżej 3 EV, podobnie jak to było w wypadku XQ1. Gdy spojrzymy na najniższą jakość, przy bazowym ISO dysponujemy zakresem danych o wielkości 11.8 EV. Innymi słowy, mamy potencjalnie stosunkowo dobrą bazę do wyciągania detali z ciemniejszych partii obrazu.

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 minimalnie przekracza wartość 6 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

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW z czasem migawki 30 s. 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 511. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 50 tysięcy zliczeń.

Aparat XQ2 wymusza redukcję szumów dla ekspozycji dłuższych od 1 s przez odejmowanie tzw: ciemnej klatki. Dodatkowym ograniczeniem jest zabezpieczenie przed zbyt długą ekspozycją. W ten oto sposób czas 30 s uzyskamy jedynie dla czułości ISO 100, a każde jej zwiększenie o 1 EV będzie skutkowało skróceniem czasu migawki o połowę.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Producent w konstrukcji zastosował dodatkowy stały sygnał dodawany w celu lepszego odseparowania szumu od użytecznego sygnału. To ukłon w kierunku zaawansowanych programów odszumiających pracujących na plikach RAW. Efekt odejmowania ciemnej klatki dobrze widać po kształcie histogramów, postrzępienia i brakujących danych środkowego zakresu.

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.