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 czułości aż do 51200, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Dla zakresu ISO 100–1600 wartości średnie znajdują się ok. 0.5 EV poniżej, a dla wyższych różnica się zmniejsza wraz ze wzrostem czułości. Dla ISO 102400 i 204800 średnie wartości są nawet wyższe od nominalnych. 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 3 do 6 elektronów dla ISO 100. To oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na wysokim poziomie. 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 100 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada ponad 7 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 115 ke-. To świetny wynik. Wysoka pojemność studni pozwala na użycie niewielkich wzmocnień sygnału – dla ISO 100 to 7.52 e-/ADU. Dzięki temu, jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 497 (czyli nieco poniżej nastawy aparatu ISO 800). 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. W testowanym aparacie punkt wzmocnienia jednostkowego jest ustawiony dość nisko.

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 K-1 liczba tonów dla ISO 100 sięga 478, co daje 8.9-bitowy zapis danych. To lepszy rezultat niż zanotowaliśmy w Canonie 5Ds R (8.5 bita), lecz nie tak wysoki jak w Nikonie D810 (9.2 bita). Tak czy inaczej gwarantuje on wizualnie gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Wraz ze zwiększaniem czułości zakres tonalny oczywiście maleje. Przy ISO 6400 otrzymujemy wartości 5.9 bita, co daje około 60 przejść tonalnych. Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 6, co daje 2.6 bita.

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
51200
102400
204800

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 100 testowany aparat osiąga wartość dynamiki tonalnej na poziomie 9.7 EV, co można uznać za świetny wynik. Testowany model wypadł nieco słabiej niż Nikon D810 (10.2 EV dla ISO 64), wyprzedza natomiast Canona 5Ds R (8.5 EV) i A7R II (8.4 EV). Patrząc na kolejne czułości dla tego kryterium widać jednak, że krzywa dynamiki sensora w K-1 opada nieco szybciej niż u konkurencji.

Także dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga korzystne rezultaty, a wynik 13.8 EV dla ISO 100 pokazuje, że wykorzystywany jest niemal całkowicie 14-bitowy zapis danych.

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 niecałych 8 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonujemy przy czułości ISO 100 i 1600, przysłonie f/16 i czasach odpowiednio 30 i 2 s. Następnie wywołujemy je jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniamy o +4 EV oraz przyciemniamy o −4 EV, po czym zapisujemy jako zdjęcia 24-bitowe. Do porównania w tym przypadku użyliśmy Canona 5D Mark III.

100 ISO
	0 EV	+4 EV
K-1
5D Mark III
1600 ISO
K-1
5D Mark III

Dla ISO 200, końcowy efekt rozjaśniania ciemnych partii obrazu wygląda lepiej w przypadku K-1. Poziom szumu jest znacznie niższy, a szczegóły są całkiem nieźle rozpoznawalne. Przy wyższej czułości większych różnic w zasadzie nie ma, bowiem na obu wycinkach zakłócenia mocno psują obraz.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu daje porównywalne rezultaty dla obu aparatów, niezależnie od użytej czułości. Ewentualne różnice wynikają raczej z niewielkiej różnicy jasności źródłowych zdjęć.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
K-1
5D Mark III
1600 ISO
K-1
5D Mark III