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.

----- R E K L A M A -----

Charakterystyka na całym zakresie nastaw ISO, poza programowym ISO 50, jest podobna. Czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są niewiele mniej niż 1 EV poniżej nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu.

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. Przebieg pokrywa zakres od 21.5 do 1 elektrona co znaczy, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na przeciętnym poziomie. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Tutaj można zauważyć, że dla czterech najniższych nastaw szum przetwarzania jest znacznie wyższy niż dla kolejnych. Może to oznaczać, że powyżej ISO 400 szum przetwarzania jest programowo redukowany.

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 przypada 14 elektronów (niewidoczne na wykresie). Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 230 ke^–. Taki wynik można uznać za nieco podejrzanie wysoki. Punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 945, czyli dla ISO 1600. 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.

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.

Liczba tonów dla natywnej czułości ISO 100 wynosi 598, co daje 9.2-bitowy zapis danych. Jest to wysoki wynik, który zapewni wizualnie gładkie przejścia tonalne. Przy najniższej, nieprogramowej wartości ISO zakres ten spada do wartości 27 przejść, co daje 4.8-bitowy zapis danych. Warto w tym miejscu przytoczyć wynik Nikona D5 (9.4-bitowy zapis danych) oraz Canona 1D X Mark II (8.9-bitowy zapis danych).

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
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400
204800

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 notuje wynik dynamiki tonalnej na poziomie 9.7 EV. Trzeba podkreślić, że jest to bardzo dobry wynik – lepszy zarówno od Canona 1D X Mark II, który osiągnął 9.5 EV jak i Nikona D5, którego rezultat to zaledwie 8.8 EV.

Dla kryterium SNR=1 Sony A9 osiąga dynamikę tonalną 13.3 EV. Do pełnej wartości 14 EV trochę brakuje, ale nie jest to, w porównaniu do konkurentów, zły rezultat. Nikon D5 osiąga bowiem zaledwie 12.1 EV, natomiast nieco lepiej od A9 radzi sobie 1D X Mk II i jego dynamika tonalna dla tego kryterium to 13.5 EV.

Powyżej ISO 400 z łatwością zauważyć można wyraźne załamanie w charakterze krzywej, co wprost pokazuje modyfikowania danych. Tylko które wyniki są bliższe prawdzie? Z zakresu ISO 50–400 czy ISO 800+? Na to pytanie nasza procedura pomiarowa nie odpowie wprost. Prawdopodobnie, biorąc pod uwagę niższy szum przetwarzania dla tych nastaw, modyfikowany jest właśnie ten drugi zakres.

Jako że Sony A9 oferuje zapis nieskompresowanych, 14-bitowych RAW-ów, lecz również skompresowanych, 12-bitowych surowych plików, postanowiliśmy zbadać dynamikę tonalną również dla tego drugiego typu zapisu. Wykres przedstawiamy poniżej.

Można zauważyć, że przy 12-bitowych RAW-ach dynamika tonalna stoi na poziomie 8.5 EV. Dla kryterium SNR=1 A9 wykorzystuje praktycznie pełny zakres przetwornika i dynamika wynosi 11.9 EV. Warto porównać wyniki z tymi osiągniętymi przez A7 II, który również badaliśmy pod względem skompresowanych stratnie 12-bitowych RAW-ów. Aparat ten dla kryterium wysokiej jakości oferuje 8.4-bitowy zapis danych. Widać więc, że wynik jest porównywalny z A9. Dodać należy, że dla kryterium niskiego A7 II wykorzystuje pełny zakres 12-bitowego zapisu do czułości ISO 800, A9 natomiast już do ISO 1600.

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 400 dynamika sięga ok. 10 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 użyliśmy aparatu Canon EOS 5D Mark III.

	0 EV	+4 EV
100 ISO
Sony A9
5D Mark III
1600 ISO
Sony A9
5D Mark III

Można zauważyć, że przy natywnej czułości ISO 100 znacznie lepiej radzi sobie Sony A9. Obraz charakteryzuje się bowiem znacznie niższym zaszumieniem. Przy ISO 1600 również to A9 jest na prowadzeniu, gdyż w jego przypadku zdjęcie charakteryzuje się wyższą szczegółowością (można rozróżnić periodyczną strukturę liścia).

Podczas przyciemnienia przepalonych miejsc z obu aparatów nie udało się przywrócić żadnych informacji.

	0 EV	−4 EV
100 ISO
Sony A9
5D Mark III
1600 ISO
Sony A9
5D Mark III