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.

Wykres jednoznacznie pokazuje, że wszystkie czułości są skalibrowane poniżej wartości nominalnych. Średnie wartości ze wszystkich grup senseli są przesunięte o niespełna 1 EV. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Nastawa ISO 800 jest nieco zdeformowana najprawdopodobniej przez obróbkę programową.

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 7 do 11 elektronów. Generalnie, takie wyniki nie są powodem do zadowolenia.

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 przypada 16 elektronów. Daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 16.5 ke^–. Wynik ten można uznać za dość niski, jednak ze względu na niewielką powierzchnię pojedynczej fotodiody, nie jest zaskoczeniem.

Co ciekawe, wszystkie nastawy czułości charakteryzują się współczynnikiem konwersji wyższym od 1. To oznacza, że nawet wartość ISO 800 (realnie wynosząca ok. 427) jest uzyskiwana na drodze sprzętowej, a nie programowej.

Szum całkowity

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

Na powyższych wykresach nie zauważamy niczego niepokojącego. Przebiegi mają charakter wykładniczy i nie widać oznak modyfikacji programowych. Ta informacja pozytywnie zaskakuje, jeśli przypomnimy sobie, z jak wyraźnym odszumianiem RAW-ów mieliśmy do czynienia w bezlusterkowcach NX3000, czy NX Mini.

Wartość składowej luminancji szumu dla najwyższej czułości (w wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowych TIFF-ów) sięga 5% i jest nieco wyższa niż w LG G4. Warto jednak przypomnieć, że w G4 dla tej czułości obserwowaliśmy załamanie, będące efektem modyfikowania danych w RAW.

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.

12-megapikselowa matryca Samsunga ustępuje układowi zastosowanemu w LG G4 w kwestii odwzorowania szczegółów. W przypadku szumu sytuacja jest bardziej wyrównana i zakłócenia już przy ISO 400 istotnie pogarszają jakość zdjęć. Oba smartfony ustępują także większości produkowanych obecnie zaawansowanych aparatów kompaktowych, nie wspominając o lustrzankach czy bezlusterkowcach.

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 150, czyli otrzymujemy 7.2-bitowy zapis danych. To stosunkowo niewielki wynik dający jednak gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Niestety, taka sytuacja tyczy się tylko najniższej wartości ISO, bowiem zakres tonalny szybko spada do bardzo małej wartości, osiągając dla ISO 400 poziom 56 półtonów.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-13. Pomiarów dokonaliśmy 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.

Podobnie jak w LG G4, w GALAXY S7 także mamy 10-bitowe przetwarzanie danych. Niestety, wyniki dynamiki są słabe. Przy ISO 50 i SNR=10, jej wartość to tylko 6.2 EV, a dla ISO 800 – 2.8 EV. Przebiegi dla poszczególnych kryteriów jakości nie opadają równomiernie, co rodzi podejrzenia o modyfikację RAW-ów.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowanie na podstawie pomiarów wykonanych 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 800, widzimy, że dynamika osiąga niespełna 5 EV.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki, który w przypadku GALAXY S7 wynosi 10 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 0 do 63. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 500 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

10-sekundowe darki nie dostarczą nam zbyt wielu informacji odnośnie szumu termicznego. Widzimy jednak, że rozkład zakłóceń jest dość jednorodny i nie dostrzegamy oznak bandingu. Maksimum histogramów wypada w zasadzie w zerze, a cała ich lewa część jest obcięta. Mamy zatem do czynienia z redukcją sygnału.

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.

JPEG
ISO	Dark Frame	Crop
<>50
100
200
400
800