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. Warto jednak zwrócić uwagę, że czułość 12800 jest odmiennie wyskalowana. Rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi jest typowa dla matryc krzemowych FSI, gdzie sprawność kwantowa nie rozkłada się równomiernie w całym spektrum światła widzialnego.

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 3 do 5.5 elektrona, z tym że najwyższe wartości pomiaru notujemy jedynie dla najniższej 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.

Punkt wzmocnienia jednostkowego jest położony bardzo nisko, z wykresu odczytać możemy wartość 199. Ponieważ aparat przetwarza dane z 14-bitową rozdzielczością, daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 30 ke^–. Taki wynik należy uznać za typowy i porównywalny z tym, jaki uzyskaliśmy przy pomiarach innych 1-calowych matryc o rozdzielczości 20 Mpix. Powyżej nastawy ISO 400 nie ma już żadnego zysku z operowania sygnałem analogowym w aparacie – te same wyniki uzyskamy odpowiednio nie doświetlając zdjęcia, a następnie wzmacniając obraz w procesie obróbki.

Szum całkowity

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

Do kształtu wykresu nie możemy mieć istotnych zastrzeżeń. Od ISO 400 szum narasta proporcjonalnie wraz z podnoszeniem czułości ISO. Uwagę zwraca przegięcie krzywej przy czułości ISO 200. Widzimy wyraźnie, że matryca jest zupełnie inaczej oprogramowana niż w aparacie G9 X. W wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu TIFF składowa luminancji dochodzi do poziomu 14%, co traktujemy jako wartość dostateczną.

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.

Pierwsze ślady zakłóceń w postaci kolorowych przebarwień dostrzec możemy od ISO 400. Dla tej czułości są one jednak bardzo niewielkie i trudno spodziewać się, by przeszkadzały w odbiorze zdjęcia. Porównując do tej czułości aparaty Canon G9 X Mark II, Panasonic LX15 i Sony RX100 IV trudno orzec, który produkuje najlepszy obraz. Wystarczy jednak zwiększyć czułość o jedną działkę, by stwierdzić, że opisywany Canon daje najsłabsze w tym zestawieniu zdjęcie. Przy ISO 3200 kolorowy szum jest już dobrze widoczny, a jego struktura wydaje się dość monotoniczna. Wybierając czułości 6400 i 12800 widzimy dokładnie, dlaczego wycinki JPEG wyglądały tak źle. Poziom szumu jest w wypadku tych czułości bardzo wysoki. Ostatecznie Canon G9 X Mark II jest niewiele w tyle za RX100 IV. Znów musimy podkreślić, że zdecydowanym faworytem pozostaje Panasonic LX15 – zdjęcia przez niego zrobione przy wysokich czułościach mają najmniej widocznych zakłóceń.

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.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla najniższej czułości liczba tonów wynosi 252, czyli otrzymujemy praktycznie 8-bitowy zapis danych. To dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do bardzo niskiej wartości 4.8 bita, co stanowi 27 półtonów, zatem najwyższa czułość nie jest pod tym względem używalna.

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.

Pierwsze spostrzeżenie to brak wykorzystywania w pełni zalet 14-bitowego przetwarzania. Zwiększanie czułości powoduje naturalny spadek dynamiki. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, Canon G9 X Mark II osiąga wartości dynamiki tonalnej 8.1 EV przy najniższej czułości. Jest to dobry wynik, porównywalny z innymi aparatami o matrycy 1-calowej i rozdzielczości 20 Mpx. Gdy akceptujemy niższe progi jakości, okazuje się, że przy wykorzystaniu najniższej dostępnej czułości dysponujemy dynamiką 12.4 EV.

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 z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki, czyli 30 s. Canon G9 X Mark II wymusza odejmowanie ciemnej klatki oraz nie pozwala na długie ekspozycje dla wysokich wartości ISO – w tym wypadku dostępny czas naświetlania wynosi jedynie 1 s. Pozyskane zdjęcia wywołaliśmy programem dcraw do postaci czarno-białej bez interpolacji. Uzyskane w ten sposób pliki TIFF zapisujemy w formatu GIF, dobierając zakres w taki sposób, aby najlepiej zobrazować generujący się na matrycy szum. Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 1400 do 2700. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 100 tysięcy zliczeń.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Pamiętając o odejmowaniu ciemnej klatki oraz ograniczeniu długości ekspozycji, nie możemy powiedzieć nic ponad to, że darki nie wykazują cech bandingu, a resztki szumu wydają się w odbiorze jednorodne. W konstrukcji przetwornika ADC producent wykorzystał stały sygnał dodawany w celu lepszego odseparowania szumu przetwarzania od użytecznego sygnału o wartości 2048.

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
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.