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.

Wykres jednoznacznie pokazuje, że wszystkie czułości są skalibrowane poniżej wartości nominalnych. Średnie wartości ze wszystkich grup senseli są przesunięte o około 1 EV, choć ciekawsze zachowanie widzimy powyżej ISO 800, gdzie dodatkowo zauważamy zmianę charakterystyki przetwarzania matrycy. Nasuwa się ogólny wniosek, że pozostawiono miejsce dla obróbki sygnału, co przydać się może w lepszym odwzorowaniu jasnych partii obrazu.

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 3 do 6 elektronów, z tym że najwyższe wartości pomiaru notujemy jedynie dla czułości ISO 50. Takie wyniki nie zachwycają, choć trudno o jednoznaczną krytykę, gdy tylko najniższa czułość negatywnie odstaje.

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 przypada 7 elektronów. Daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 7 ke^–. Taki wynik należy uznać za bardzo niski, co nie powinno dziwić, gdy weźmiemy pod uwagę małą powierzchnię pojedynczej fotodiody. Taka mała wartości może też tłumaczyć wysoki szum przetwarzania pokazany na poprzednim wykresie. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 378, dla wyższych czułości powinniśmy obserwować charakterystykę grzebieniową histogramów. I faktycznie z wykresu ISO dla wyższych czułości odnotowaliśmy także zmianę w sposobie przetwarzania danych. Innymi słowy aparat G4 wyposażony jest we wzmacniacz o typowym, 4-stopniowym progu działania.

Szum całkowity

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

Kolejny raz rzuca się w oczy czułość ISO 800, gdzie widzimy zmianę charakterystyki pracy matrycy. Jest to jedyne miejsce, gdzie następuje modyfikacja danych. Dla czułości mniejszych od 800 i od niej wyższych szum narasta proporcjonalnie wraz z podnoszeniem czułości ISO. Wartość szumu dla najwyższej czułości (w wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu) i składowa luminancji dochodzą do poziomu 9%, co traktujemy jako wartość typową, porównywalną z lepszymi aparatami kompaktowymi wyposażonymi w matrycę 1-calową.

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.

Podobnie jak w teście plików JPEG, tak i w surowym formacie widać szum już od najniższej czułości. Możemy ocenić, że jakość obrazu LG G4 odpowiada tej z Canona S120, ale dla 4-krotnie wyższej czułości. Oczywiście wynika to przede wszystkim z różnicy w gęstości pikseli – nie możemy zapomnieć o większej rozdzielczości LG G4. Jakość obrazu pod względem detali jest dobra, a struktura szumu taka, że będzie go można stosunkowo prosto zniwelować w obróbce komputerowej. Tak będzie, o ile nie przekroczymy ISO 400, dla wyższych czułości poza klasyczną kaszką pojawiać się zaczynają dodatkowe kolorowe plamy, co jest dowodem na modyfikację danych.

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 najniższej czułości liczba tonów wynosi 160, czyli otrzymujemy trochę więcej niż 7-bitowy zapis danych. To stosunkowo niewielki wynik dający jednak gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Niestety, taka sytuacja tyczy się tylko najniższej wartości ISO, bowiem zakres tonalny szybko spada do bardzo małej wartości, osiągając dla ISO 400 poziom 55 półtonów. Przekroczenie poziomu ISO 800 powoduje degradację zakresu tonalnego do bardzo niskiej wartości 4.4 bita, co stanowi 20 półtonów.

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.

Pierwsza rzecz, na którą chcemy zwrócić uwagę, to 10-bitowe przetwarzanie danych. To bardzo mała wartość dająca niewielkie pole manewru obróbce zdjęć w komputerze. Dla najlepszej jakości obrazu odnotowujemy poziom 6 EV dynamiki, co oznacza wprost, że format RAW jest w zasadzie nadmiarowy, o ile nie interesuje nas zaawansowane odszumianie zdjęć. Także dynamika dla wyższych czułości nie zachwyca, dla zachowania dobrej jakości zdjęć nie powinniśmy przekraczać czułości ISO 400.

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 1500, widzimy, że dynamika lekko przekracza pułap 3.5 EV, co jest bardzo niską wartością.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki, czyli 30 s.

Zdjęcia wywołujemy programem dcraw do postaci czarno-białej bez demozaikowania. 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 300. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800
1500
2700

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Nie zauważamy bandingu na zdjęciach, co dobrze świadczy o pracy matrycy. Jednak trudno nie wspomnieć o lokalnych silnych sygnałach widocznych nawet na najniższej czułości, podgląd pliku GIF dla ISO 400 może wobec tego służyć jako tekstura, gdy potrzebujemy pokazać gwiaździste niebo. Histogramy do ISO 400 nie wyglądają źle, choć daleko im do typowego rozkładu normalnego. Oczywiście dla najwyższych czułości histogramy mają przebieg grzebieniowy. Warto odnotować stały sygnał dodawany w celu lepszego odseparowania szumu przetwarzania od użytecznego sygnału o wartości 64. To co prawda niewielka wartość, pamiętajmy jednak o 10-bitowym przetworniku analogowo-cyfrowym. Gdy przypomnimy sobie wykresy szumu przetwarzania, od razu zrozumiemy, że dodanie biasu było niezbędne, by poprawnie redukować szum.

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
50
100
200
400
800
1500
2700

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.