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 bliskie wartościom nominalnym. Warto jednak zwrócić uwagę, że najniższa czułość wyskalowana jest o 0,5 EV poniżej reszty nastaw ISO. Rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi jest typowa dla matryc krzemowych FSI, gdzie sprawność kwantowa nie rozkłada się równomiernie w całym spektrum światła widzialnego.

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 3.5 elektrona, z tym że najwyższe wartości pomiaru notujemy jedynie dla najniższej 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.

Zachowanie aparatu jest bardzo podobne do modelu G3 X – punkt wzmocnienia jednostkowego jest położony bardzo nisko, z wykresu odczytać możemy wartość 184. Podobnie jak to miało miejsce w G3 X, także i ten aparat przetwarza dane z 14-bitową rozdzielczością. Wobec tego daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 30 ke–. Taki wynik należy uznać za typowy i porównywalny z tym, jaki uzyskaliśmy przy pomiarze matrycy w aparacie Sony RX10. Przypomnijmy, że model G7 X oferował 12-bitowe przetwarzanie, a zmieniony współczynnik wzmocnienia w opisywanym modelu niweluje zysk z dłuższego słowa – nie odnotowujemy dokładniejszego odwzorowania zmienności sygnału.

Szum całkowity

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

Do kształtu wykresu nie możemy mieć żadnych zastrzeżeń. Szum narasta proporcjonalnie wraz z podnoszeniem czułości ISO. Uwagę zwraca przegięcie krzywej przy ISO 3200. To znak, że następuje programowa modyfikacja danych, a podobne wartości szumu dla obu najwyższych czułości wskazują, że następuje mocna korekta odczytu sygnału z matrycy dla ISO 12800. Ciekawie wygląda sytuacja na osi OY – w wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu TIFF składowa luminancji dochodzi po poziomu 9%, co traktujemy jako wartość dobrą.

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 testu z wykorzystaniem formatu JPEG, w plikach surowych już od najniższych czułości trudno dostrzec różnice na plus przy porównaniu z Sony RX100 III. Struktura szumu aż do ISO 3200 jest podobna do tego, co prezentuje Fuji XQ2, ale w tym wypadku do czynienia mamy z dużo mniejszą matrycą. Zarówno testy na początku tego rozdziału, jak i powyższe wycinki skłaniają do wniosku, że Canon eksperymentuje z oprogramowaniem matrycy, szkoda jednak, że efekty tej pracy są mało zadowalające. Dobrą jakość otrzymamy, gdy nie będziemy przekraczać poziomu ISO 3200, a dzięki 20 milionom pikseli mamy duże pole manewru, pod warunkiem że będziemy mocno reskalować zdjęcia w dół. Porównanie do aparatów Canon G1 X Mark II czy Panasonic LX100 jest wręcz dla opisywanego modelu krzywdzące, z uwagi na dysproporcje w gabarytach i rozdzielczościach matryc.

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 250, czyli otrzymujemy praktycznie 8-bitowy zapis danych. To dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do bardzo niskiej wartości 4.6 bita, co stanowi 23 półtony, zatem najwyższa czułość nie jest pod tym względem używalna.

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.

Przedstawiony wykres pokazuje, że jedynie do ISO 125 matryca osiąga bardzo dobre wyniki. Wynika z tego, że przetwornik ADC pracuje w optymalnym zakresie jedynie dla najniższej czułości. Dalsze zwiększanie czułości powoduje naturalny spadek dynamiki. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, Canon G9 X osiąga wartości dynamiki tonalnej 8 EV przy najniższej czułości. Jest to dobry wynik, porównywalny z innymi aparatami o matrycy 1-calowej i rozdzielczości 20 Mpx. Gdy akceptujemy niższe progi jakości, okazuje się, że przy wykorzystaniu najniższej dostępnej czułości dysponujemy całym zakresem pracy 12-bitowego przetwornika. Pamiętajmy jednak, że aparat ten przetwarza dane z 14-bitową rozdzielczością – niektórzy użytkownicy mogą czuć niedosyt.

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 125 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW, wywołane w programie dcraw 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 125
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 125
ISO 1600

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. Canon G9 X wymusza odejmowanie ciemnej klatki oraz nie pozwala na długie ekspozycje dla wysokich wartości ISO – w tym wypadku dostępny czas naświetlania wynosi jedynie 1 s.

Pozyskane w ten sposób pliki wywołujemy programem dcraw do postaci czarno-białej bez interpolacji. Wytworzone 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 1300 do 2800. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 tysięcy zliczeń.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Pamiętając o odejmowaniu ciemnej klatki oraz ograniczeniu długości ekspozycji, nie możemy powiedzieć nic ponad to, że darki nie wykazują cech bandingu (wyjątkiem jest ISO 12800, gdzie możemy dopatrzyć się znikomych śladów pasków), a resztki szumu wydają się w odbiorze jednorodne. W konstrukcji przetwornika ADC producent wykorzystał stały sygnał dodawany w celu lepszego odseparowania szumu przetwarzania od użytecznego sygnału o wartości 2048.

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.