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 – wartość średnia znajduje się o 1 EV poniżej. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia 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. Widzimy też, że ISO 80 i 125 są w praktyce tożsame – to znak, że najniższa czułość 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. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości około 3 elektronów dla większości zmierzonych czułości. To bardzo dobry wynik świadczący o dobrej jakości elektroniki matrycy.

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.

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 684 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 1600). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej (na jedną jednostkę kwantyzacji przypada „ułamek” niepodzielnego fotonu), 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 szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Poniżej prezentujemy uzyskane przez nas wyniki.

Do pokazanych wykresów nie mamy dużych zastrzeżeń. Wartość szumu zwiększa się równomiernie wraz z podnoszeniem wartości czułości ISO. Warto zwrócić też uwagę na opis osi OY – dla pomiaru 24-bitowego wyniki na poziomie 6% dla składowej luminancji i ISO 3200 to naprawdę niezły wynik. Uważny obserwator dopatrzy się delikatnego przegięcia, które znajduje się przy ISO 400 oraz 6400.

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.

W przeciwieństwie do plików JPEG w surowych plikach trudno doszukać się wizualnych różnic między aparatami RX100 IV a Canonem G9 X, co unaocznia, że aplikowane przez Canona odszumianie jedynie szkodzi obrazowi. Co ciekawe, Sony przy czułościach powyżej ISO 3200 szumi mniej widocznie, a czułość ISO 12800 wydaje się całkiem użyteczna. Oczywiście jedynie wtedy, gdy użyjemy zaawansowanych algorytmów odszumiania strefowego oraz nie będziemy silnie przycinać wynikowego obrazu. Porównanie z Panasonikiem ponownie sprawia trudność w ocenie, który aparat jest lepszy – z jednej strony w całym zakresie czułości to LX100 delikatnie mniej szumi, z drugiej jednak Sony oferuje znacznie większą rozdzielczość. Gdy priorytetem będzie wielkość odbitki, wybór powinien być jasny. Co ciekawe, wydaje się, że na wysokich czułościach szum modelu RX100 IV jest mniejszy niż ten, jaki widzimy na wycinkach z RX10 II. Ta obserwacja stoi w sprzeczności z porównaniem wykresów szumów dla plików surowych. Pamiętać jednak musimy, że wyniki wyrażone w procentach na wykresie są uśrednioną wartością szumu dla różnych stopni jasności – nie ma to bezpośredniego przełożenia na sposób, w jaki patrzymy na zdjęcie i jak oceniamy wizualnie szum.

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.

Maksymalny wynik zakresu uzyskaliśmy dla ISO 125. Dla tej czułości liczba tonów wynosi 225, czyli 7.9-bitowy zapis danych. To minimalnie lepszy wynik od poprzednika, dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez mocno widocznej posteryzacji. Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego. Przy 2 najwyższych czułościach (czyli ISO 6400 i 12800) dostępnych mamy mniej niż 50 tonów, co należy traktować jako słaby wynik.

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 liniowo w naturalny sposób, to znaczy każde zwiększenie czułości o 1 EV pozbawia nas 1 EV dynamiki. Przy czułości nie większej niż ISO 125 tendencja ta jest zakłócona przez stosowanie 12-bitowego przetwarzania, które skutecznie ogranicza sygnał. Ponownie widzimy odmienne zachowanie dla 2 najwyższych czułości. Dla najlepszej jakości i ISO 125 aparat notuje 7.5 EV. To wysoki wynik jak na tak dużą gęstość pikseli oferowaną przez omawianą matrycę i zarazem wręcz identyczny, jaki zanotował aparat RX100 III. Dla kryterium SNR=1 wynik pomiaru dynamiki to 10.7 EV, prawie 3 EV powyżej tego, co przenieść może plik JPEG. Jednak może okazać się, że użytkownicy lubujący się w zaawansowanej obróbce plików surowych nie mają dużego pola manewru.

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, zauważymy, 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 6 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 tak, aby najlepiej zobrazować generujący się na matrycy szum. Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 0 do 500. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70.000 zliczeń.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny dla wszystkich czułości za wyjątkiem dwóch najwyższych. Kształt histogramów trudno porównać do rozkładu normalnego – zamiast typowego dzwonu mamy ugięcie (szczególnie dobrze widoczne na średnich czułościach). To znak, że następuje programowa korekcja danych. Co ważne, takie zachowanie możemy odnotować już dla ISO 400. Producent zastosował dodawany do wejścia przetwornika ADC stały sygnał o wartości 200 jednostek.

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
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.