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.

Zauważyć można, że poza nastawą ISO 80, która położona jest w okolicy wartości nominalnej oraz nastawą ISO 25600, która leży znacznie poniżej 1 EV od wartości nominalnej, wszystkie czułości, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są ponad 0.5 EV poniżej wartości nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Możemy zaobserwować, że czułość ISO 80 jak i 25600 są wytwarzane sztucznie.

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.

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

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 dla większości nastaw czułości szum ten jest na innym poziomie, a stabilizuje się dopiero po przekroczeniu ISO 1600, osiągając poziom 3,5 elektronu. Takie zachowanie wskazuje na korygowanie zachowania matrycy w zależności od nastawy 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 nastawy czułości ISO 125 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada około 8.8 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. FWC – full well capacity) na poziomie 36 ke^–. Taki wynik należy uznać za całkiem dobry, jednak nie zapominajmy, że na 1-calowej matrycy upchnięto ponad 20 mln fotodiod – wielkość pojedynczego sensela to zaledwie 2.3 µm.

Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 854 (czyli ponad nastawą aparatu ISO 800, dwóch najwyższych czułości nie widać na wykresie). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej, w związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania takiej obróbki w aparacie. Dokładnie takie same wyniki uzyskamy fotografując na niższej czułości i w komputerze odpowiednio zwiększając ekspozycję. Innymi słowy, czułości wyższe od nastawy ISO 800 są użyteczne jedynie dla tych użytkowników, którzy nie poddają zdjęć komputerowej obróbce.

Szum całkowity

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

Łatwo zauważyć, że w zakresie ISO 125–6400 krzywe zachowują charakter wykładniczy, co świadczy o braku ingerencji oprogramowania aparatu w surowe dane. Dopiero przy ISO 12800 widać lekką redukcję szumu, o czym świadczy lekkie ugięcie wszystkich składowych.

Zerknijmy, jak FZ2000 prezentuje się w porównaniu do aparatów konkurencji.

Testowany Lumix notuje praktycznie identyczną procentową obecność składowej luminancji, jak aparat Sony RX10 II. Ocenę ograniczamy jednak do ISO 32000, ponieważ powyżej tej wartości u Sony widać wyraźne załamanie, świadczące o modyfikowaniu surowych danych. W porównaniu do Canona G7 X Mark II model FZ2000 szumi ponad 1 EV więcej w całym zakresie czułości aparatu konkurenta. Usprawiedliwieniem nie może być wielkość pojedynczego piksela, bowiem ta we wszystkich aparatach jest identyczna.

Warto zobaczyć, jak prezentuje się obraz generowany przez wszystkie trzy matryce w praktyce.

Szczegółowość obrazu generowanego przez 20.1-megapikselową matrycę stoi na wysokim, porównywalnym do RX10 II oraz G7 X Mark II poziomie. Warto zauważyć, że jasność zdjęć odbiega od innych dla ISO 80 oraz ISO 12800 i ISO 25600. Zaszumienie jest widoczne już od najniższych nastaw ISO, jego poziom można natomiast uznać za wysoki przy ISO 3200. Wydaje się, że obraz z FZ2000 jest zaszumiony na podobnym poziomie co RX10 II, struktura szumu w tych aparatach jest natomiast nieco inna, na plus wyróżnia się jednak Canon. Podobnie jak przy zdjęciach JPEG, najwyższą wartością ISO, którą będziemy mogli w wyjątkowych sytuacjach się podpierać, jest ISO 6400.

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 można odczytać, że dla nastaw aparatu ISO 100 oraz ISO 125 zakres tonalny zbliża się do 250 przejść, a więc mamy do czynienia z praktycznie 8-bitowym zapisem danych. To dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji.

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.

Dla czułości ISO 125 dynamika tonalna dla kryterium SNR=10 osiąga wartość 7.8 EV. Jest to nieco lepszy wynik, niż w poprzedniku testowanego aparatu. Dla kryterium SNR=1 natomiast, dynamika dla tej nastawy ISO wynosi 11.8 EV, a więc aparat praktycznie w pełni wykorzystuje 12-bitowy przetwornik. Niefizyczne zachowanie można dostrzec tylko dla ostatniej, programowej wartości ISO 25600. Dla porównania, Sony RX10 II osiągnął dla wysokiej jakości obrazu wynik 8 EV, a dla niskiej 12 EV. Canon G7 X Mark II natomiast zanotował kolejno 8.1 EV oraz 12.7 EV – należy jednak pamiętać, że zastosowano w nim 14-bitowe przetwarzanie danych, zatem bezpośrednie porównanie rezultatów wszystkich kompaktów jest niemożliwe.

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 800, widzimy, że dynamika sięga wartości 8 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaki oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej z czasem 25 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 5 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. 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 0 do 1300. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 000 zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
80
100
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

ISO	średni poziom sygnału	odchylenie standardowe
80	142.652	21.505
100	142.591	23.484
125	142.326	28.002
200	142.389	40.441
400	142.470	51.963
800	140.139	70.477
1600	143.982	128.586
3200	151.740	173.343
6400	145.019	323.358
12800	159.786	503.749
25600	160.244	504.136

Bias utrzymuje się na poziomie wartości 142, a więc nie zaszła tutaj zmiana względem FZ1000. Darki nie wykazują żadnych oznak bandingu, co należy zaliczyć na plus. Ciężko jednak uznać kształt histogramów za poissonowski – już od najniższej czułości po prawej stronie piku zauważymy kolejny, mniejszy pik. Jest on wynikiem nierównomierności wykonania matrycy, co zdarza się przy architekturze BSI dosyć często – już przy FZ1000 zwracaliśmy uwagę na ten problem. Dla wyższych czułości zauważalny będzie jaśniejszy obszar kadru po prawej stronie – jest on wynikiem nagrzewania się elementów elektronicznych sąsiadujących z matrycą. Jak widać, i tu nie nastapiła względem FZ1000 poprawa.

Dla porządku prezentujemy również pliki JPEG.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop
80
100
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600