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 delikatnie poniżej wartości nominalnych. Brak pozostawionego miejsca dla obróbki sygnału spowodowany jest dość wysokim progiem biasu, który dla tego aparatu wynosi 2048. Takie sterowanie czułością daje mniejsze pole do manipulacji danymi w jasnych partiach obrazu (odzyskiwanie przepalonych partii obrazu) bez zmiany czułości rejestracji 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 5 elektronów, z tym że najwyższe wartości pomiaru notujemy dla 3 najniższych czułości oraz dla najwyższych.

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 niecałe 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 i porównywalny z tym, jaki uzyskaliśmy przy pomiarze aparatów z podobną matrycą 1-calową. Wartość graniczna, dla której współczynnik wzmocnienia spada poniżej jedności, jest niepokojąco niska. Już wynik dla nastawy ISO 200 sugeruje, że jest ona wytworzona na drodze cyfrowej manipulacji danymi. W tym miejscu warto odnieść się do wyników aparatu Canon G7 X, gdzie producent zastosował 12-bitowe przetwarzanie. Wprost widzimy, że wyniki obu aparatów różnią się o czynnik 4, czyli dokładnie o różnicę między 12 a 14 bitami.

Przy okazji chcielibyśmy pokazać, jak współczynnik konwersji zależy od nastawy czułości. Otóż każde zwiększenie nastawy ISO w tych samych warunkach oświetleniowych powinno skutkować skróceniem czasu naświetlania lub domknięciem przysłony. Ponieważ na matrycę w takim wypadku trafia dwa razy mniej fotonów, zależność między współczynnikiem konwersji a czułością powinna być liniowa. Innymi słowy, po podzieleniu wzmocnienia przez czułość powinniśmy dostać stałą wartość.

Powyższy wykres przedstawia te same dane, co poprzednio, jedynie dokonana została transformacja zgodnie z opisem powyżej. Wykres ten przedstawia tzw. współczynnik jednostkowy, czyli unikalny, charakteryzujący każdą matrycę parametr. Widzimy wyraźnie, że dla tej matrycy i procesora obrazowego wynosi on 2. Łatwo też dostrzec, że dla ISO12800 producent stosuje inną wartość. W zakresie ISO 125–6400 widzimy zatem prawidłowe, fizyczne zachowanie.

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. Wartość szumu dla najwyższej czułości (w wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu) i składowej luminancji dochodzą do poziomu 12%, co traktujemy jako wartość typową.

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 zostanie zaktualizowana poniższa tabelka nowymi wycinkami testowej scenki.

Zacznijmy od czułości ISO 12800 – w tym wypadku wydaje się, że G5 X tworzy najgorszej jakości obraz, gdy porównać go do Panasonika TZ100 oraz Sony RX100 IV. Poziom ISO 3200 wizualnie nie różni się od Sony, jednak nadal jest gorszy od Panasonika. Struktura szumu nie jest drobnoziarnista i może ona stanowić problem przy odszumianiu. Poziom ISO 1600 wydaje się graniczny, gdy chcemy korzystać z plików RAW i nie za bardzo przejmować się szumem. Od ISO 125 do ISO 800 nie obserwujemy wielkiej utraty szczegółów, warto jednak wspomnieć, że obraz jest dosyć miękki. Ogólnie wycinki można podsumować w ten sposób, że choć Canon G5 X daje dobrej jakości obrazy w szerokim spektrum czułości, musi on jednak oddać pole Panasonikowi.

Zestawmy ze sobą wyniki pomiaru szumu na kanale luminacji dla 3 aparatów: opisywanego Canona oraz Panasonika TZ100 i Sony RX100 IV.

Widzimy dokładnie to, co też odnotowaliśmy przy oglądaniu wycinków – Panasonic szczycić się może najlepiej oprogramowaną matrycą z najniższym szumem. Canon G5 X idzie natomiast łeb w łeb z Sony, który za sprawą dodatkowej korekcji danych delikatnie wygrywa dla najwyższych czułości.

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.

Wedle wykresu największa dostępna liczba tonów to 212, czyli otrzymujemy niespełna 8-bitowy zapis danych. To dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Warto odnotować, że podobne zachowanie mamy dla nastawy ISO 200. Dalsze zwiększanie czułości powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do bardzo niskiej wartości 17 półtonów. Czułości powyżej ISO 1600 wykazują zatem stosunkowo słabe przetwarzanie odcieni (nie więcej niż 50), a przez to ich używalność jest mocno dwuznaczna w przypadku kontrastowych scen.

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.

Wartość 12.4 EV, którą notujemy dla najniższej jakości zdjęć, nie daje dużo więcej pod względem obróbki sygnału. To dowód na niewłaściwe zastosowanie 14-bitowego przetwarzania, które skutkuje bardziej większą wielkością plików niźli zapasem zakresu danych. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, Canon G5 X osiąga wartości dynamiki tonalnej 8 EV przy najniższej czułości. Otrzymujemy więc stosunkowo dobry wynik.

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 6.8 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 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, dla Canona G5 X to 30 s. Aparat wymusza odejmowanie ciemnej klatki oraz nie pozwala na długie ekspozycje dla wartości nie mniejszych od ISO 3200 – w tym wypadku dostępny czas naświetlania wynosi jedynie 1 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 1700 do 2400. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 400 tysięcy zliczeń.

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

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 silnych cech bandingu, gdyż resztki szumu dla wyższych czułości wydają się tworzyć wzór obejmując całą matrycę. 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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.