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 mocno poniżej wartości nominalnych. Nie ma jednak mowy o równomierności w przedstawionym wykresie. ISO 100 i 200 wyglądają, jakby były sztucznie generowane. Podobnie wygląda czułość 51200. Pamiętajmy jednak, że tak ISO 100 jak i 25600 oraz 51200 to czułości rozszerzone.

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 1.5 do 4 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na dobrym 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 czułości wykazującej w miarę fizyczne zachowanie (czyli dla nastawy ISO 200) na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada prawie 3 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 45 ke^–. Taki wynik należy uznać za stosunkowo wysoki, pamiętajmy jednak, że jest on niższy od osiągów Fuji X100T, gdzie odnotowaliśmy 65 ke^–. Warto zaznaczyć, że w wypadku X100F mamy do czynienia z matrycą 24 Mpix wobec 16 Mpix z poprzedniego modelu. Manipulowanie wzmocnieniem sygnału oraz niższe realne czułości ISO prowadzą do sytuacji, że podnoszenie czułości stosunkowo szybko pozbawia nas realnej informacji o parametrach zarejestrowanego oświetlenia. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 275 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 400). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej, w związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania takiej obróbki w aparacie.

Szum całkowity

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

Chociaż do wykresów nie można mieć zastrzeżeń, warto zwrócić uwagę na poziom szumu. Składowa luminancji nawet dla najwyższej czułości nie osiąga wartości większej niż 10% dla zapisu 24-bitowego. Na pierwszy rzut oka to sporo, ale pamiętajmy, że poprzednie modele z tej serii nie umożliwiły fotografowania w trybie RAW z czułościami większymi od ISO 6400. Dla takiej nastawy X100F w kanale luminancji generuje szum o wartości lekko ponad 2%.

Szum wzrasta równomiernie ze wzrostem czułości ISO. Krzywa dla składowej niebieskiej notująca wyższe wyniki ukazuje słabszą wydajność kwantową krzemu w tych pasmach widma – co jest fizycznym zachowaniem. Całkowita wartość szumu jest stosunkowo niska, więc testowany Fuji X100F w porównaniu z takimi konstrukcjami, jak Nikon A czy Sony RX1, nie przynosi producentowi wstydu. To dobry znak.

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.

Matryca Fuji o rozdzielczości 24 Mpix pozbawiona filtru AA obrazuje już artefakty wynikające z liniatury druku offsetowego etykiety, którą używamy do testów. Gdy spojrzymy na wycinki przez pryzmat jakości obrazu, dopiero przy ISO 1600 dostrzegamy delikatne zakłócenia, szum jednak nie zmienia postrzegania detali. Dla ISO 3200 kolorowe ciapki na białym tle robią się wyraźniejsze, a dla ISO 6400 ilość widocznego szumu jest już zdecydowanie wysoka. Struktura szumu opisywanego modelu jest drobnoziarnista i wydaje się łatwa do usunięcia w obróbce, co może też tłumaczyć tak dobrą jakość zdjęć w formacie JPEG. Widzimy wyższość X100F nad modelem Ricoh GR, natomiast Sony RX1R II ponownie wygrywa, dostarczając więcej detalu.

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 najniższej czułości dostępnej w trybie RAW wartość zakresu tonalnego wynosi 8.5 bita, czyli 354 odcieni. To całkiem dobry wynik gwarantujący gładkie przejścia kolorystyczne. Ważne też, że wraz ze wzrostem czułości ISO dostępna paleta tonów ulega powolnemu osłabianiu tak, że dla ISO 3200 dostępny mamy 6.6-bitowy zapis (czyli 100 przejścia tonalne) na składową, co dla przestrzeni koloru RGB możemy interpretować jako 20-bitowy kolor.

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.

Od razu zauważamy wartości dynamiki proporcjonalnie zmniejszające się wraz ze wzrostem czułości jedynie od wartości ISO 800 do ISO 25600. Dla niższych czułości następuje manipulowanie poziomem szumu przetwarzania, co jest widoczne dla punktów oznaczających niską jakość obrazu (SNR=1). Dla najlepszej jakości matryca notuje wynik 8.4 EV. Taki osiąg plasuje aparat w kategorii wysokiej i daje nadzieję na doskonałą jakość obrazu. Gdy zdecydujemy się na najniższą jakość, do dyspozycji mamy 13.3 bita danych – kolejny plus, szczególnie istotny dla osób lubujących się w forsownej obróbce plików RAW. Podsumowując, możemy stwierdzić, iż manipulowanie sygnałem pozwoliło uzyskać wysoką jakość obrazu, podobną do tej w modelu X100T, jednak osoby przyzwyczajone do „wyciągania” ciemnych partii mogą czuć lekki zawód.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane 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 jest niewiele wyższa od 8.5 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 100 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 200
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 200
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 800 do 1200. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 1 milion zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny na całej powierzchni kadru. Warto jednak zwrócić uwagę na widoczny obszar czujników fazowych AF. Producent zastosował dodawany do wejścia przetwornika ADC sygnał stały, który w postaci cyfrowej ma wartość 1024. To ukłon w kierunku użytkowników zainteresowanych zaawansowanym odszumianiem materiału i programów dających takie możliwości. Nierównomierność histogramów nawet dla najniższej czułość przy braku odejmowania ciemnej klatki jest niefizyczna, co stanowi kolejny dowód modyfikacji danych z matrycy.

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
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.