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 za wyjątkiem najwyższej (rozszerzonej), przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są o około 1 EV poniżej wartości nominalnych. 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 przebiegowi daleko do poziomej charakterystyki. Oznacza to, że współczynnik konwersji jest zmieniany nieproporcjonalnie do wzmacniania szumu z każdym wzrostem 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 najniższej fizycznej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada niecałe 10 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku i ograniczeniu poziomem saturacji daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 39 ke^-. Taki wynik należy uznać za całkiem dobry i typowy, gdy weźmiemy pod uwagę geometryczne rozmiary pojedynczej fotodiody.

Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 792 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 1600). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej (na jedną jednostkę kwantyzacji przypada „ułamek” niepodzielnego fotonu), w związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania takiej obróbki w aparacie. Dokładnie takie same wyniki uzyskamy, fotografując na niższej czułości i w komputerze odpowiednio zwiększając ekspozycję. Innymi słowy, czułości wyższe od nastawy ISO 1600 są użyteczne jedynie dla tych użytkowników, którzy nie poddają zdjęć komputerowej obróbce.

Szum całkowity

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

Do powyższych wykresów nie mamy większych zastrzeżeń. Wartość szumu zwiększa się równomiernie wraz z podnoszeniem wartości czułości ISO. Warto zwrócić uwagę na opis osi OY – dla najwyższej, nierozszerzonej czułości, czyli ISO 12800, szum luminancji dla 48-bitowego formatu zapisu wynosi niewiele ponad 5% – to bardzo niska wartość. Do wartości ISO 800 aparat charakteryzuje bardzo mały poziom szumu.

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.

Choć pierwsze ślady szumu pojawiają się już od czułości ISO 400, to musimy przyznać, że jego struktura jest drobnoziarnista. Co ciekawe, dla tej samej czułości Canon G9 X wykazuje zdecydowanie większy poziom szumu. Nie lepszy jest też Sony RX100 IV, któremu bliżej do Canona niż opisywanego Panasonika. Takie różnice między tymi aparatami utrzymują się też dla wyższych czułości. Poziom zakłóceń powoli rośnie, co zgadza się z pomiarem, jaki przedstawiliśmy w formie wykresu. Przy użyciu wysokich czułości nadal najlepszy jakościowo, choć mocno już zaszumiony obraz daje Panasonic. Wycinki uświadamiają też, że używanie plików RAW jest celowe, gdyż mamy większą kontrolę nad sposobem ich przetwarzania – w tym odszumiania. A jak zaobserwowaliśmy w poprzednim rozdziale, pliki JPEG dla wyższych czułości nie zawierają dużej liczby szczegółów.

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.

Dla ISO 125 liczba tonów wynosi 215, czyli dostajemy 7.8-bitowy zapis danych. To dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Wraz ze zwiększeniem czułości obserwujemy powolny spadek zakresu tonalnego. Poziom 7 bitów przekraczamy już przy ISO 800. Powyżej ISO 3200 mocno cierpi jakość obrazu, gdzie na każdą składową przypada jedynie 32 odcieni.

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 pokazuje, że zachowanie matrycy odbiega od fizycznego modelu. Doszukać się w miarę równomiernego spadku możemy jedynie w zakresie ISO 400 do ISO 6400. Dla najniższych czułości przetwornik ADC co prawda pracuje w optymalnym zakresie, jednak widzimy, że poziom szumu przetwarzania nie pozwala zbliżyć się do poziomu 12 EV. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, aparat LX15 osiąga wartości dynamiki tonalnej 7.6 EV przy czułości ISO 125. Jest to stosunkowo dobry wynik, jednak nie wybitny.

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 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 125 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 125
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo 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 0 do 1100. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 1 mln zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
80
100
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny dla niższych czułości. Pod tym względem nie można mieć do Panasonika LX15 żadnych zastrzeżeń. Należy zwrócić uwagę na fakt, że jasne punkty pojawiają się już od najniższej czułości. W kształcie histogramów trudno doszukiwać się typowego rozkładu Gaussa, widzimy też przesunięcie o 140 jednostek – bias, który jest dodawany do sygnału. Dodatkowo, przy wysokich czułościach zaczyna ukazywać się po prawej stronie kadru ślad promieniowania termicznego od elektroniki. To znak, że odprowadzenie ciepła z matrycy jest niewystarczające.

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
80
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.