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 mocno poniżej wartości nominalnych. Szczególnie się to tyczy dwóch najwyższych, które wyglądają bardzo podobnie do siebie. Zapas jaki tworzy aparat to nie mniej niż 1 EV - bardzo dużo. Takie zachowanie tłumaczy funkcja sterowania dynamiką, gdzie aparat obniża czułość, by lepiej przetworzyć partie jasne 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 za wyjątkiem 3 najwyższych czułości pomiary dają wynik w okolicach 2 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na wysokim poziomie. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Tu widzimy, że oprogramowanie przetwornika ADC zmienia jego charakterystykę i odmiennie pracuje dla niskich i wysokich 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 najniższej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypadają niewiele ponad 2 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 30 ke-. Taki wynik należy uznać za typowy, jednak odbiega on od tego, jaki uzyskaliśmy w analizie sensora aparatu Fuji X100T. Ponieważ do czynienia mamy z nieprzeładowaną pikselami matrycą o rozmiarze APS-C, tę różnicę możemy tłumaczyć jednynie odmiennym podejściem do kalibracji przetwornika ADC. 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 czułości 205 (czyli niewiele powyżej nastawy aparatu ISO 400). 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 w plikach RAW

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 X70 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.

W poprzednim rozdziale analizowaliśmy zachowanie czułości wyższych od ISO 6400. Okazuje się, że aparat X70 nie pozwala na użycie czułości wyższych niż ISO 6400, gdy zapisujemy zdjęcia w formacie RAW.Dla zapisu 24-bitowego składowa luminancji dla najwyższej czułości osiąga wartość 6%. Do wykresów nie można mieć większych zastrzeżeń. Szum wzrasta równomiernie ze wzrostem czułości ISO, choć uważny czytelnik dostrzeże przegięcie przy ISO 1600 - dokładnie zmianę charakterystyki widać na wykresie utworzonym z pomiarów plików 48-bitowych.

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.

Inna ogólna jasność obrazów z aparatu Fuji X70 jest spowodowana sposobem zapisu danych RAW, pokazanych już w pierwszych paragrafach tego rozdziału, a nie korygowanych podczas demozaikowania przy użyciu programu dcraw. Gdy spojrzymy na wycinki przez pryzmat jakości obrazu, dopiero przy ISO 1600 dostrzegamy delikatne ziarno, szum jednak nie zmienia postrzegania detali. Wyższe czułości także wyglądają dobrze, jedynie dla ISO 6400 ilość widocznego szumu jest zdecydowanie większa. Pod tym względem widać wyższość modelu Nikon A, Ricoh GR natomiast daje gorszy obraz. Na plus należy zaliczyć strukturę szumu opisywanego, która jest drobnoziarnista i wydaje się łatwa do usunięcia w obróbce, co może też tłumaczyć tak dobrą jakość zdjęć w formacie JPEG.

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 dostępnej w trybie RAW wartość zakresu tonalnego wynosi 8.4 bita, czyli 330 odcieni. To całkiem dobry wynik gwarantujący gładkie przejścia kolorystyczne. Wraz ze wzrostem czułości ISO dostępna paleta tonów ulega dość szybkiemu osłabianiu tak, że dla ISO 3200 oraz ISO 6400 dostępny mamy 7-bitowy zapis (czyli 128 przejścia tonalne) na składową, co dla przestrzeni koloru RGB możemy interpretować jako 21-bitowy kolor.

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 wartości dynamiki proporcjonalnie zmniejszające się wraz ze wzrostem czułości jedynie do wartości ISO 800. Powyżej niej następuje manipulowanie poziomem szumu przetwarzania. Ponownie widzimy, że dwie najwyższe czułości są silnie modyfikowane przez oprogramowanie. Dla najlepszej jakości obrazu matryca notuje wynik 8.3 EV. Taki osiąg plasuje aparat w kategorii wysokiej i daje nadzieję na doskonałą jakość obrazu. Gdy zdecydujemy się na najniższą jakość, do dyspozycji mamy 13.6 bitów danych - kolejny plus, szczególnie istotny dla osób lubujących się w forsownej obróbce plików RAW.

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 8 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt elastyczności obróbki zdjęć w formacie surowym, 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 200
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 200
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 900 do 1100. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 tysięcy zliczeń.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny na całej powierzchni kadru. Producent zastosował dodawany do wejścia przetwornika ADC sygnał stały, który w postaci cyfrowej ma wartość 1024. Z jednej strony to ukłon w kierunku użytkowników zainteresowanych zaawansowanym odszumianiem materiału i programów dających takie możliwości. Z drugiej jednak nawet dla największej czułości dystrybuanta rozkładu jest stosunkowo niewielka (maksymalne odchylenie standardowe równe jest 19.68); tym bardziej niezrozumiałe dla nas jest stosowania tak wysokiego sygnału bias. Nierównomierność histogramów nawet dla najniższej czułość, przy braku odejmowania ciemnej klatki jest niefizyczna, co stanowi dowód modyfikacji danych z matrycy.

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
200
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.