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. Zachowanie takie, inne niż w teście modelu G7 X, pokazuje odmienne podejście do oprogramowania matrycy. Warto także zwrócić uwagę na inne skalowanie nastaw powyżej ISO 800. 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.

Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od 2 do 5 elektronów, z tym że najwyższe wartości pomiaru notujemy dla dwóch najniższych czułości – dla tych nastaw producent stosuje odmienne współczynniki wzmocnienia sygnału. Odmiennie też wygląda szum dla ISO 6400 – to dowód na inne traktowanie tej czułości przez algorytmy obróbki danych z 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.

Dla najniższej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypadają 2 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 35 ke-. Taki wynik należy uznać za typowy i porównywalny z tym, jaki uzyskaliśmy przy pomiarze aparatów z matrycą 1-calową o rozdzielczości 20 Mpix. Używanie 14-bitowego zapisu wydaje się błędną decyzją, skoro przez tak niski współczynnik konwersji pozbawieni będziemy realnej informacji o parametrach zarejestrowanego oświetlenia od poziomu ISO 200. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 160. Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane w torze cyfrowej obróbki sygnału, w związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania tej obróbki w aparacie.

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 delikatne przegięcie krzywej przy ISO 3200. To znak, że następuje programowa modyfikacja danych. Uwagę zwróciła skala OY – w wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu TIFF składowa luminancji dochodzi do poziomu 8%, co traktujemy jako wartość bardzo dobrą i znaczny postęp w stosunku do poprzednika.

By dokładniej przedstawić, jak nowy procesor obrazowy wpływa na jakość obrazu, poniżej prezentujemy porównanie między czterema aparatami wyposażonymi w matrycę o takiej samej wielkości jak i rozdzielczości. Dla lepszej czytelności, delikatnie rozsunęliśmy na osi OX poszczególne punkty.

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 na najwyższych czułościach widoczna jest mniejsza ilość szumu, niż w wypadku Sony RX100 IV. Trudno opisywanemu aparatowi stawać w szranki z Panasonikiem LX100, choć nie możemy zapominać o jego gabarytowo większej matrycy, o mniejszej gęstości pikseli. Brak widocznego w scence szumu odnotowujemy do poziomu ISO 800, jednak gdy patrzeć będziemy na paski, szczególnie ciemniejsze, okaże się, że szum widoczny jest od najniższej czułości. Dobrą jakość otrzymamy, gdy nie będziemy przekraczać poziomu ISO 3200. Choć szum jest widoczny, jego struktura wydaje się łatwo usuwalna, a dzięki 20 milionom pikseli mamy stosunkowo dużo zachowanego szczegółu.

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 260, czyli otrzymujemy 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 4.8 bita, co stanowi 27 półtonów, 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 ukazuje prawidłowe i fizyczne zachowanie dla wszystkich testowanych czułości. Zwiększanie czułości powoduje naturalny spadek dynamiki. Użycie 14-bitowego przetwarzania pozwoliło polepszyć wyniki dla niskiej jakości obrazu, gdy używamy dwóch najniższych czułości. Nie wpływa ono jednak na inne progi jakości – to kolejny argument przeciwko zasadności użycia tak szerokiego słowa maszynowego. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, Canon G7 X II osiąga wartości dynamiki tonalnej 8.1 EV przy najniższej czułości. Jest to dobry wynik, nieco lepszy od osiągów poprzednika. Gdy akceptujemy niższe progi jakości, okazuje się, że przy wykorzystaniu najniższej dostępnej czułości dysponujemy zakresem 12.6 EV, niewiele powyżej górnego progu pracy 12-bitowego przetwornika.

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 niewiele poniżej 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 4 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 100
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 G7 X II wymusza odejmowanie ciemnej klatki oraz nie pozwala na długie ekspozycje dla wysokich wartości ISO – w tym wypadku dostępny czas naświetlania wynosi jedynie 1 s.

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 1500 do 2600. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 100 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, resztki szumu wydają się w odbiorze jednorodne, a histogramy poprawne. 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.