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 użyliśmy światłomierza Sekonic.

Na początek przedstawiamy wyniki uzyskane z pomiaru dla obiektywu 2 mm.

Średnie wartości ze wszystkich grup senseli są przesunięte o około 0.5 EV, choć ciekawsze zachowanie widzimy powyżej ISO 800, gdzie dodatkowo zauważamy zmianę charakterystyki przetwarzania matrycy.

Kolejny wykres przedstawia pomiar dla obiektywu 4 mm.

Porównując oba wykresy widzimy odmienne zachowanie dla matryc w obiektywie 2 mm i 4 mm.

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.

Poniżej przedstawiamy wykresy dla 2 i 4 mm.

Wyrażenie wyniku w elektronach pozwala śledzić jakość przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od 3 do 7 elektronów, z tym że najwyższe wartości pomiaru notujemy jedynie dla czułości ISO 50. Wyniki nie zachwycają, choć trudno o jednoznaczną krytykę takiego zachowania.

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. Ponownie prezentujemy dwa wykresy, odpowiednio dla obiektywu 2 oraz 4 mm.

W wypadku obu matryc notujemy podobne zachowanie, dla najniższej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada około 10 elektronów. Daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 10 ke^–. Taki wynik należy uznać za bardzo niski, co nie powinno dziwić, gdy weźmiemy pod uwagę małą powierzchnię pojedynczej fotodiody. Taka mała wartość może też tłumaczyć wysoki szum przetwarzania pokazany na poprzednim wykresie.

Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO odpowiednio 1097 oraz 923, dla wyższych czułości powinniśmy obserwować charakterystykę grzebieniową histogramów. I faktycznie z wykresu ISO dla wyższych czułości odnotowaliśmy także zmianę w sposobie przetwarzania danych.

Szum całkowity

Pomiar szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Odpowiednie wykresy znajdują się poniżej. Zacznijmy od obiektywu 2 mm.

Dla porównania spójrzmy na wyniki pomiaru szumu matrycy przy obiektywie 4 mm.

Kolejny raz rzuca się w oczy czułość ISO 800, gdzie widzimy zmianę charakterystyki pracy matrycy. Jest to jedyne miejsce, gdzie następuje modyfikacja danych. Dla czułości mniejszych od 800 i od niej wyższych szum narasta proporcjonalnie wraz z podnoszeniem czułości ISO. Wartość szumu dla najwyższej czułości (w wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu) i składowa luminancji dochodzą do poziomu 7%, co traktujemy jako wartość typową, porównywalną z lepszymi aparatami kompaktowymi wyposażonymi w matrycę 1-calową.

W wypadku obiektywu 4 mm notowane wartości szumu są znacznie wyższe, inaczej też wygląda charakterystyka przebiegu wykresu. Możemy powiedzieć, że obie matryce dzieli 1 EV różnicy w poziomie 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. Zdjęcia wykonaliśmy korzystając z obiektywu 4 mm.

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.

W surowym formacie widać szum już od najniższej czułości. Dla ISO 800 jego udział jest już znaczący, dodatkowo mocno zaznaczają się kolorowe przebarwienia. Jakość obrazu pod względem detali jest dobra, a struktura szumu pozwoli stosunkowo łatwo go zniwelować w obróbce komputerowej.

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. W kolejności prezentujemy wykresy dla matrycy z obiektywu 2 oraz 4 mm.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla najniższej czułości liczba tonów wynosi niecałe 210 dla obiektywu 2 mm oraz 175 dla obiektywu 4 mm. To stosunkowo niewielki wynik dający jednak gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Niestety, taka sytuacja tyczy się tylko najniższej wartości ISO, bowiem zakres tonalny szybko spada do bardzo małej wartości, osiągając dla ISO 400 poziom 80 półtonów.

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 stosunkowi sygnału do szumu na poziomie 10, 4, 2 i 1.

Pierwsza rzecz, na którą chcemy zwrócić uwagę, to 10-bitowe przetwarzanie danych. To bardzo mała wartość dająca niewielkie pole manewru przy obróbce zdjęć w komputerze. Dla obiektywu 2 mm i najlepszej jakości obrazu odnotowujemy poziom 6.2 EV dynamiki, co oznacza wprost, że format RAW jest w zasadzie nadmiarowy, o ile nie interesuje nas zaawansowane odszumianie zdjęć.

Pomiar dla obiektywu 4 mm dał praktycznie identyczne rezultaty. Dla porządku prezentujemy odpowiedni wykres.

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 5 EV.

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.

Zdjęcia wywołujemy programem dcraw do postaci czarno-białej bez demozaikowania. 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 100. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 100 tysięcy zliczeń.

RAW, 2 mm
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800
1600
3200

RAW, 4 mm
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
400
800
1600
3200

Nie zauważamy bandingu na zdjęciach, co dobrze świadczy o pracy matrycy. Jednak trudno nie wspomnieć o lokalnych silnych sygnałach widocznych nawet na najniższej czułości, podgląd pliku GIF dla ISO 400 może wobec tego służyć jako tekstura, gdy potrzebujemy pokazać gwiaździste niebo.

Histogramy pokazują, że sygnał został obcięty w zerze. Nie widzimy wobec tego pełnej reprezentacji typowego rozkładu normalnego. Dodatkowo już od najniższych czułości dostrzec możemy charakterystykę grzebieniową, co oznacza skalowanie danych na drodze cyfrowej obróbki sygnału.

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.

JPEG, 2 mm
ISO	Dark Frame	Crop
50
100
200
400
800
1600
3200

JPEG, 4 mm
ISO	Dark Frame	Crop
50
100
200
400
800
1600
3200