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.

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 1 do 5 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 4 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 61 ke^–. Wynik ten jest całkiem wysoki. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada już dla czułości 318 (czyli nieco powyżej 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 niezbyt wysoko.

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.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy dla trzech najniższych czułości, dla których aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 200 liczba tonów przekracza 360, co daje 8.5-bitowy zapis danych. Wartość ta zapewni bardzo dobre przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Warto jednak przypomnieć, że w przypadku np. modelu X-T10 (wyposażonego w 16-megapikselowy sensor poprzedniej generacji) zanotowaliśmy wyższy rezultat – 8.7 bita. Więcej uzyskał także Sony A6300 – 8.8 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 0.3 EV.

ISO	Granica czerni i bieli
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

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 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął 9.1 EV. Niższymi osiągami charakteryzowały się aparaty konkurencji – Panasonic GX8 i Olympus OM-D E-M5 Mark II (odpowiednio 8 i 8.2 EV), jednak w ich przypadku producenci stosują 12-bitowe przetwarzanie. 14-bitowe RAW-y mamy za to w A6300, który zanotował aż 9.6 EV.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu, dla bazowej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 13.6 EV, co oznacza, że niewiele brakuje, by wykorzystywany był praktycznie cały zakres pracy przetwornika ADC. Przy ISO 400–800 po raz kolejny obserwujemy załamanie. Niefizyczne zachowanie widać także dla minimalnej i maksymalnej czułości ISO, choć w tym wypadku mamy do czynienia z wartościami rozszerzonymi.

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 zbliża się do 9 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Czasy otwarcia migawki wynosiły odpowiednio 30 s dla niskiej i 2 s dla wysokiej czułości. Okazało się jednak, że przy identycznych parametrach ekspozycji i warunkach oświetleniowych zdjęcia z obu aparatów zauważalnie różnią się jasnością. Ostatecznie zatem do analizy wzięliśmy zdjęcia z X-T20 wykonane z ekspozycją o 2/3 EV mniejszą (stosując odpowiednio przysłony f/11 i f/9 dla ISO 1600). Pliki wywołaliśmy następnie jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniamy o +4 EV oraz przyciemniamy o −4 EV, po czym zapisaliśmy jako zdjęcia 24-bitowe.

	0 EV	+4 EV
200 ISO
X-T20
E-M5 II
1600 ISO
X-T20
E-M5 II

Po rozjaśnieniu zdjęć lepszy rezultat uzyskaliśmy w przypadku aparatu Fujifilm. Różnica jest jednak widoczna tylko dla ISO 200, gdzie dla E-M5 Mark II obserwujemy silny wpływ niebieskiej składowej szumu. Przy ISO 1600 efekt jest raczej porównywalny.

Po przyciemnieniu jasnych partii obrazu widzimy, że na zdjęciach z X-T20 nie udało się odzyskać praktycznie żadnych szczegółów. Co ciekawe, wygląda na to, że w E-M5 Mark II dla ISO 200 śladowa ilość detali jest znów widoczna.

	0 EV	−4 EV
200 ISO
X-T20
E-M5 II
1600 ISO
X-T20
E-M5 II