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 przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są tylko minimalnie niższe od wartości nominalnych. Niestety, ze względu na specyfikę sensora i generowanego przez aparat pliku DNG nie można mieć pewności, że powyższe wyniki są w pełni miarodajne. Nie widać bowiem typowej dla matryc krzemowych rozbieżności między poszczególnymi kolorami podstawowymi. Czy jest to efekt zastosowania dodatkowych elementów w torze analogowym matrycy, czy rezultat pracy programistów – nie sposób stwierdzić.

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 9 do prawie 12 elektronów, co oznacza, 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. Widać jednak, że oprogramowanie przetwornika ADC zmienia jego charakterystykę w zależności od użytej 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 czułości ISO 100 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada około 13 elektronów. Daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 54 ke^–. Taki wynik można uznać za całkiem dobry. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 4050 (czyli nieco powyżej nastawy aparatu ISO 3200). Wartość ta jest bardzo wysoka. 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. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

W sd Quattro liczba tonów dla ISO 100 sięga 346, co daje 8.4-bitowy zapis danych. Jest to dobry wynik, który gwarantuje gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. FujifilmX-T20 dla czułości ISO 200 (najniższa natywna) zanotował porównywalną wartość (8.5 EV), ale Sony A6300 może się pochwalić maksymalnym wynikiem 430 (8.8 bita). Zwiększanie czułości powoduje degradację zakresu tonalnego, aż do wartości 6 bitów dla najwyższej czułości. Daje to nam tylko 64 przejścia tonalne.

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

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 8 EV. Wynik ten raczej nie imponuje, bowiem konkurencja wypadła lepiej. Dla tego kryterium Sony A6300 osiągnął rezultat aż 9.6 EV, a Fujifilm X-T20 (dla ISO 200) 9.1 EV. EOS M5 z kolei zanotował 8.7 EV.

Dla niskiej jakości, sd Quattro uzyskał 11.8 EV, a zatem możliwości 12-bitowego zapisu (dla plików DNG) zostały wykorzystane niemal całkowicie. Zarówno EOS M5, jak i A6300 i X-T20 poradziły sobie lepiej, jednak w ich przypadku stosuje się 14-bitowe RAW-y.

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. Gdy np. uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika osiąga wartość około 6.5 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.

100 ISO
	0 EV	+4 EV
sd Quattro
200 ISO
X-T2
1600 ISO
sd Quattro
X-T2

Rozjaśniony obraz z sd Quattro na bazowej czułości nie wygląda zbyt dobrze, jednak sporo detali jest wciąż całkiem dobrze widocznych. Przy ISO 1600 natomiast wycinki z Sigmy prezentują się po prostu tragicznie.

Zmniejszenie ekspozycji o 4 EV nie dało żadnych pozytywnych rezultatów w przypadku obu aparatów. Na zdjęciach z Sigmy, otoczenie przepalonych obszarów ma dodatkowo zielone zabarwienie. Warto jeszcze dodać, że ze względu na różnice jasności zdjęć, do porównania wybraliśmy zdjęcie z X-T2 naświetlone o 1/3 EV więcej.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
sd Quattro
200 ISO
X-T2
1600 ISO
sd Quattro
X-T2