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, plasują się poniżej wartości nominalnych. Zaobserwować możemy też stosunkowo dużą rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi. Takie rezultaty świadczą o tym, że sprawność kwantowa nie jest równomierna w całym spektrum światła widzialnego. Na szczególną uwagę zasługują dwie pierwsze czułości, które przez odmienne zachowanie wskazują na to, że są pozyskiwane 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.

Dla większości nastaw czułości szum ten jest na poziomie od 2 do 3 elektronów. Dla nastawy czułości ISO 3200 widzimy zakłócenie w zachowaniu aparatu – to znak dodatkowej modyfikacji danych.

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 natywnej czułości (czyli ISO 200) na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada niewiele około 6 elektronów. Przy 12-bitowym zapisie danych z przetwornika daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 24 ke–. Taki wynik jest niższy od tego, jaki zanotowaliśmy przy teście modelu RX10. Pamiętajmy jednak, że nowa matryca jest wyposażona w pamięć DRAM – co być może może zaważyło na wyniku.

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 571 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 1600). 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 lub odpowiednio zwiększając ekspozycję w komputerze.

Szum całkowity

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

Wartość szumu zwiększa się równomiernie wraz z podnoszeniem wartości czułości ISO. Możemy zaobserwować dwa miejsca załamania krzywych – to ISO 200 oraz 6400. Dobrze są one widoczne na wykresie dla danych 48-bitowych. To kolejny po pomiarze czułości dowód na programową korekcję danych. Zwracamy uwagę na wynik dla czułości ISO 3200 – wartość dla kanału luminancji nie wychodzi poza poziom 5% – to wynik bardzo dobry, dający nadzieję na umiarkowany szum w tym kanale.

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 wyraźnych różnic między aparatami RX10 II a Panasonikiem FZ1000 oraz Canonem G3 X. Subtelne różnice kończą się przy ISO 6400 – wyższe czułości wskazują, że najlepszą jakość daje produkt Sony. Pamiętajmy jednak, że to czułości uzyskiwane na drodze programowej. Musimy zwrócić uwagę na strukturę szumu – do wartości ISO 3200 będzie on łatwy do usunięcia bez zbytniego wpływu na widoczność detalu, którego dzięki 20 milionom pikseli mamy stosunkowo dużo.

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 przekracza 200, czyli otrzymujemy 7.6-bitowy zapis danych. To stosunkowo dobry wyniki 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 liniowo w naturalny sposób, to znaczy każde zwiększenie czułości o 1 EV pozbawia nas 1 EV dynamiki. Najwyższe czułości po raz kolejny pokazują modyfikacje danych. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS=10, Sony RX10 II osiąga wartości dynamiki tonalnej 8 EV przy czułości ISO 100. To stosunkowo dobry wynik, pozwalający uzyskać dobrej jakości zdjęcia, pamiętajmy jednak, że dla formatu RAW nie daje on większych możliwości edycyjnych. Gdy spojrzymy na wynik dla kryterium RMS=1, 12 bitów jawi się jako limit sztucznie narzucony przez programistów. Niestety, aparat nie jest wyposażony w zapis 14-bitowy, co skutecznie ogranicza pole osobom potrafiącym robić użytek z danych surowych.

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 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 w taki sposób, aby najlepiej zobrazować generujący się na matrycy szum. Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 0 do 400. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 000 zliczeń.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Widoczne są też jasne punkty nawet na najniższej dostępnej czułości. Należy odnotować zastosowanie stałego sygnału – o wartości 200 jednostek – dodawanego na wejściu przetwornika ADC.

Zachowanie matrycy jest zgodne z tym, jakie odnotowaliśmy w teście modelu RX10.

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.