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.

Na powyższym wykresie widać, że wszystkie czułości (poza ostanią), przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Różnice nie są jednak stałe i wynoszą od ok. 1/3 EV do prawie 1 EV. Dla nastawy 102400, średnia jest nawet wyższa. 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.

Wyrażenie wyniku w elektronach pozwala śledzić jakość przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od 4 do 6 elektronów dla ISO 100. To oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na dość 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, choć fluktuacje nie są duże.

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 czułości ISO 100 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 5 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 76 ke-. To bardzo dobry wynik. Dzięki temu, jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 355 (czyli nieco poniżej 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 nisko. W oczy rzuca się także wyraźne załamanie na wykresie, związane prawdopodobnie z korektą współczynnika wzmocnienia dla nastaw ISO większych lub równych 800.

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. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

W K-70 liczba tonów dla ISO 100 sięga 381, co daje 8.6-bitowy zapis danych. Osiągi konkurencji w tej kategorii przedstawiają się porównywalnie. Nikon D5600 uzyskał 8.7-bita, natomiast Canon 800D i Sony A68 po 8.5-bita. Wraz ze zwiększaniem czułości zakres tonalny oczywiście maleje. Przy ISO 6400 otrzymujemy wartość 6.3 bita, co daje około 80 przejść tonalnych. Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 12, co daje 3.6 bita. Widoczne na wykresie załamanie wskazuje na modyfikację danych w RAW, o czym pisaliśmy w poprzednim rozdziale.

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
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 9.2 EV, co można uznać za bardzo dobry wynik. Nieco wyższą wartość zanotował Nikon D5600 - 9.4 EV. Testy Canona 800D i Sony A68 pokazały, że w tych aparatach dysponujemy dynamiką na poziomie odpowiednio 8.9 i 8.1 EV. W lustrzance Sony stosuje się 12-bitowy zapis RAW, stąd niższy wynik nie dziwi.

Także dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga korzystne rezultaty, a wynik 13.5 EV dla ISO 100 oznacza, że niewiele brakuje do całkowitego wykorzystania 14-bitowego zapisu danych. Niestety, widoczne na wykresie załamania bez wątpienia wskazują na modyfikację surowych danych, np. manipulowanie szumem przetwarzania.

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. Dla przykładu, jeśli uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika jest bliska wartości 9 EV.

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

Do porównania wykorzystaliśmy Nikona D7000. Okazało się jednak, że zdjęcia wykonane w tych samych warunkach oświetleniowych i przy takich samych parametrach ekspozycji zbyt mocno różnią się jasnością. Dla lepszego dopasowania jasności musieliśmy wykorzystać zdjęcia z Nikona wykonane z ekspozycją o 1/3 EV większą (zmieniając wartość przysłony).

100 ISO
	0 EV	+4 EV
K-70
D7000
1600 ISO
K-70
D7000

Dla ISO 100, końcowy efekt rozjaśniania ciemnych partii obrazu wygląda porównywalnie w przypadku obu aparatów. Zarówno poziom szumu jak i rozpoznawalność detali utrzymują się na rozsądnym poziomie. Przy ISO 1600 zakłócenia praktycznie zdominowały obraz, trudno też wymienić zdecydowanego faworyta tego zestawienia.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu daje podobne efekty dla obu aparatów, niezależnie od użytej czułości. Ewentualne różnice wynikają z różnicy jasności źródłowych zdjęć.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
K-70
D7000
1600 ISO
K-70
D7000