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, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Niemal w całym zakresie czułości (poza rozszerzonym ISO 50) wartości średnie znajdują się ponad 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.

Na początek warto zaznaczyć, że na powyższym wykresie wyniki dla nastaw ISO 50 i 100 pokrywają się. Wyrażenie wyniku w elektronach umożliwia śledzenie jakości przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od 1 do 3 elektronów, co 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 najniższej natywnej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypadają prawie 3 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 44 ke^–. Taki wynik można uznać za dobry. Wysoka pojemność studni pozwala na użycie niewielkich wzmocnień sygnału – dla ISO 100 to 2.94 e^–/ADU. Dzięki temu, jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 149 (czyli trochę poniżej nastawy aparatu ISO 400). 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 został ustawiony bardzo 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. Pomiarów dokonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

Na powyższym wykresie możemy zauważyć, że dla najniższej natywnej czułości liczba tonów sięga około 388, czyli otrzymujemy 8.6-bitowy zapis danych. To odrobinę lepszy rezultat niż zanotowaliśmy w Canonie 5Ds R (8.5 bita), aczkolwiek nie tak wysoki jak w Nikonie D810 (9.2 bita), czy Pentaksie K-1 (8.8 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 5.8 bita, co daje około 55 przejść tonalnych. Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 17, co daje 4.1 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
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

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 8.7 EV, co można uznać za dobry wynik. Nikon D810 i Pentax K-1 zanotowały dla tego kryterium wyższe wartości – odpowiednio 10.2 EV i 9.7 EV. Canon 5Ds R natomiast uzyskał 8.5 EV.

14-bitowy zapis RAW-ów pozwolił uzyskać znacznie lepsze wyniki dla SNR=1 i czułości niższych od 400 w porównaniu do 12-bitowego w A7R II. Maksymalny wynik dla ISO 100 wyniósł 13.7 EV, a zatem wykorzystywany jest niemal całkowicie 14-bitowy zapis danych. Niestety, na wykresie (szczególnie dla „niskiej” jakości) dostrzegamy liczne załamania – znak, że bardzo prawdopodobna jest manipulacja surowymi danymi. 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. Gdy np. uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika osiąga wartość ok. 7.5 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy to 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.

Przy zdjęciach wykonanych aparatem Sony A99 II i Nikonem D3x w takich samych warunkach oświetleniowych i przy tych samych parametrach ekspozycji okazało się, że różnią się one zauważalnie jasnością. Różnica wyniosła mniej więcej 2/3 EV, przy czym jaśniejsze były zdjęcia z lustrzanki Nikona. Aby zatem porównanie rezultatów rozjaśniania i przyciemniania było bardziej miarodajne, zdecydowaliśmy się użyć zdjęć z A99 II z ekspozycją o 2/3 EV większą.

100 ISO
	0 EV	+4 EV
A99 II
D3x
1600 ISO
A99 II
D3x

Efekt rozjaśniania obrazu prezentuje się lepiej w przypadku A99 II. O ile dla ISO 100 różnica nie jest drastyczna, to dla ISO 1600 poziom zaszumienia na zdjęciu z aparatu Sony jest znacznie niższy (szczególnie niebieska składowa).

Przyciemnianie jasnych partii obrazu daje podobny efekt w obu aparatach, a widoczne różnice są raczej spowodowane różną jasnością oryginalnych zdjęć. Porównanie utrudnia także spora dysproporcja rozdzielczości zdjęć.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
A99 II
D3x
1600 ISO
A99 II
D3x