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.

Na powyższym wykresie widać, że wszystkie czułości (poza sztucznym ISO 100), przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Dla sporej części zakresu czułości wartości średnie znajdują się niemal o 1 EV poniżej. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi jest typowa dla matryc krzemowych, gdzie sprawność kwantowa nie rozkłada się równomiernie w całym spektrum światła widzialnego.

Szum przetwarzania

Szum przetwarzania (ang. readout noise) to 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 ponad 13 elektronów dla ISO 200. Trzeba przyznać, że wartość uzyskana dla tej czułości jest dość duża. Dla przykładu, w Olympusie PEN-F szum przetwarzania nie przekracza 10 elektronów. Tradycyjnie warto też dodać, że 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 w zależności od użytej 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 czułości ISO 200 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada ponad 8 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 32 ke-. Nie jest to może wybitny wynik (Olympus PEN-F może pochwalić się rezultatem około 50 ke-), ale można go uznać za przyzwoity. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 834 (czyli niemal dokładnie dla nastawy aparatu ISO 1600). Przekroczenie tego progu powoduje, że za jakość obrazu odpowiadają już tylko i wyłącznie algorytmy cyfrowej obróbki sygnału, a nie tor analogowy matrycy. W związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania takiej obróbki w aparacie i dokładnie te same efekty uzyskamy niedoświetlając zdjęcie, a następnie korygując ekspozycję w komputerze.

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. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

W GX80 liczba tonów dla ISO 200 sięga 260, co daje 8-bitowy zapis danych. Trzeba przyznać, że wynik ten nie zachwyca, aczkolwiek gwarantuje gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Dla tej czułości model GX8 zanotował 300 tonów (8.3 bita), Olympus E-M10 MkII natomiast 350 tonów (8.5 bita). Co prawda Fujifilm X-E2s może się pochwalić wartością 430 (8.8 bita), ale należy zaznaczyć, że w tym aparacie mamy 14-bitowy zapis RAW-ów. Zwiększanie czułości powoduje degradację zakresu tonalnego, aż do wartości 4.4 bita dla najwyższej czułości. Daje to nam zaledwie 21 przejść tonalnych.

Zakres tonalny na plikach zapisanych w formacie JPEG możemy ocenić wizualnie na wycinkach zdjęć tablicy Stouffer T4110. Kliknięcie na zdjęcie poniżej otworzy wycinek w pełnej rozdzielczości. Odległość pomiędzy sąsiednimi polami szarości wynosi 1/3 EV.

ISO	Granica czerni i bieli
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. Pomiary 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.

Dla najlepszej jakości obrazu przy ISO 200 dynamika tonalna osiąga poziom 7.4 EV. Nie jest to zły wynik ale ponownie na tle wspomnianych aparatów GX80 nie wypada najlepiej. Model GX8 może pochwalić się rezultatem na poziomie 8 EV, a Olympus E-M10 MkII zanotował 8.2 EV. Fujifilm X-E2s wybija się na tym tle wynikiem aż 9 EV, ale przy 14-bitowych RAW-ach nie jest to zaskakujące.

Dla pozostałych kryteriów, sytuacja przedstawia się podobnie. Testowany Lumix pozostaje jednak nieco w tyle za swoim starszym bratem GX8 i konkurentem E-M10 MkII. Co ciekawe, dla SNR=1 GX80 notuje maksymalny wynik na poziomie 11.2 EV. Do 12 EV, do których powinien się zbliżać przy 12-bitowym zapisie RAW-ów, nieco jednak brakuje.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane na podstawie wykonanych pomiarów dla wszystkich czułości aparatu.

Wartość 0 na osi OX oznacza maksymalną wartość, którą aparat może zapisać w pliku RAW. Na prawej osi OY oznaczyliśmy miejsca dla kryteriów SNR=10 (wysoka), 4 (dobra), 2 (średnia) i 1 (niska). Przy pomocy tego wykresu każdy może oszacować dostępną dynamikę dla wybranej przez siebie minimalnej użytecznej jakości obrazu. Wystarczy poprowadzić poziomą linię wzdłuż wybranego kryterium i odczytać wartość na osi OX, dla której linia ta przecina się z wykresem dla odpowiedniej czułości. Dla przykładu, jeśli uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika osiąga około 7.4 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Testowanym aparatem zdjęcia wykonaliśmy przy najniższej natywnej czułości ISO 200 oraz tradycyjnie przy ISO 1600. Odpowiednio wartość przysłony wyniosła f/16 oraz f/11. Dodatkowo, scenkę sfotografowaliśmy aparatem Olympus OM-D E-M10 przy tych samych parametrach. Czasy otwarcia migawki wynosiły odpowiednio 30 s dla niskiej i 2 s dla wysokiej czułości. Następnie zdjęcia wywołaliśmy jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniliśmy o +4 EV oraz przyciemniliśmy o −4 EV, po czym zapisaliśmy jako zdjęcia 24-bitowe.

200 ISO
	0 EV	+4 EV
GX80
OM-D E-M10
1600 ISO
GX80
OM-D E-M10

Przy ISO 200 efekt rozjaśnienia obrazu w przypadku GX80 niestety nie jest najlepszy. Potwierdza to nasze wnioski z poprzedniego rozdziału, że matryca w testowanym Lumiksie nie radzi sobie za dobrze z długimi ekspozycjami. Niewątpliwie na niskiej czułości bezlusterkowiec Olympusa poradził sobie lepiej. Dla ISO 1600 sytuacja wygląda równie słabo w obu aparatach. Szum uwydatnił się w istotnym stopniu, utrudniając wyraźnie odzyskiwanie szczegółów.

Jeżeli chodzi o przyciemnianie jasnych partii obrazu istotnych różnic pomiędzy porównywanymi aparatami nie dostrzegamy. Widać jedynie, że zdjęcia oryginalne różnią się nieznacznie jasnością.

200 ISO
	0 EV	−4 EV
GX80
OM-D E-M10
1600 ISO
GX80
OM-D E-M10