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 początku musimy wyjaśnić jedną rzecz. Pomimo faktu, że dostępny zakres czułości ISO wynosi 50–3200, wyniki pomiarów musieliśmy ograniczyć do wartości 400. Powodem jest błąd w oprogramowaniu telefonu, który dla ISO wyższego od 400 dokonuje korekcji winiety (białe rogi kadru), w dodatku jedynie w kanale niebieskim. To z kolei daje błędne wyniki, uniemożliwiające wiarygodny pomiar.

Na podstawie powyższego wykresu widzimy, 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.

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 9. Takie wyniki niespecjalnie dają powody 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 przypadają 23 elektrony. Daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie ok. 24 ke^–. To dobry wynik, zważywszy na relatywnie małą powierzchnię pojedynczej fotodiody. Dla wszystkich prezentowanych nastaw czułości wzmocnienie jest wyższe od 1, co świadczy o dobrej jakości przetwarzania.

Szum całkowity

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

Szum rośnie wykładniczo jedynie do nastawy ISO 200. Przy ISO 400 dostrzegamy załamanie, będące efektem modyfikacji danych.

Kolejny wykres przedstawia porównanie składowej luminancji szumu dla LG G5 oraz Samsunga GALAXY S7.

Manipulowanie danymi w RAW-ach z G5 utrudnia porównanie obu aparatów, widać jednak wyraźnie, że S7 wypada mniej korzystnie od testowanego LG.

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.

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.

Podobnie jak w teście plików JPEG, także stosując format RAW lepiej nie przekraczać nastawy ISO 200. Powyżej niej, obraz nosi ślady silnego odszumiania, pozbawiającego obraz detali. W zakresie ISO 50–400 G5 i S7 wypadają podobnie, choć 16-megapikselowy sensor w LG zapewnia oczywiście wyższy poziom odwzorowania szczegółów. Oba natomiast prezentują się dość blado na tle przetestowanych przez nas aparatów kompaktowych i systemowych.

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. Wykres zawiera dane z zakresu ISO 50–400 z powodów opisanych na początku tego rozdziału.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla najniższej czułości liczba tonów wynosi 207, czyli otrzymujemy 7.7-bitowy zapis danych. To całkiem dobry wynik dający gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Do ISO 400 włącznie, zakres tonalny utrzymuje się na przyzwoitym poziomie, choć wykres także wskazuje na manipulacje danymi.

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. W tym przypadku także prezentujemy dane dla zakresu ISO 50–400.

Dla najlepszej jakości obrazu i bazowej czułości mamy do dyspozycji 7.4 EV dynamiki. To dobry wynik, biorąc pod uwagę niewielki rozmiar matrycy i 10-bitowe przetwarzanie. W całym zaprezentowanym zakresie nastaw ISO dla SNR=1 dynamika nie spada poniżej 10 EV. Z jednej strony można by się w związku z tym pokusić o 12-bitowe przetwarzanie danych. Z drugiej jednak, należy pamiętać, że wymagałoby to więcej energii na ich analizę, co przełożyłoby się na krótszy czas pracy urządzenia na jednym ładowaniu.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane na podstawie wykonanych pomiarów dla zakresu nastaw ISO 50–400.

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 400, widzimy, że dynamika przekracza 7.5 EV.

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.

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
1600
3200

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki wyglądają, delikatnie mówiąc, mało zachęcająco. Wyraźnie jaśniejszy pierścień nie świadczy dobrze o pracy matrycy. Widać ponadto ślady bandingu. Statystyka także może budzić wątpliwości. 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
1600
3200