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 1.78 mm.

Na powyższym wykresie widać, że wszystkie czułości przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Wartości średnie są nieco ponad 1 EV niższe, a wartość ta nie zmienia się znacząco w zakresie nastaw ISO.

Kolejny wykres przedstawia pomiar dla obiektywu 4.03 mm.

Tutaj w zakresie nastaw ISO 50–400 przesunięcie jest mniejsze i wynosi ok. 1 EV. Od ISO 800 zauważamy zmianę charakterystyki przetwarzania matrycy.

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 odpowiednio dla obiektywów 1.78 i 4.03 mm.

Wyrażenie wyniku w elektronach pozwala śledzić jakość przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że dla obiektywu 1.78 mm przebieg pokrywa zakres wartości od 3 do 6 elektronów, natomiast w przypadku 4.03 mm – od 4 do 12 elektronów. Korzystniej w tej kategorii wypada zatem kamera szerokokątna.

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 1.78 oraz 4.03 mm.

Z wykresów odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 626 oraz 1392 (odpowiednio dla aparatu 1.78 i 4.03 mm). Dla najniższej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 14 oraz 33 elektrony. Daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 14.4 oraz 30.6 ke–.

Szum całkowity

Pomiar szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Odpowiednie wykresy znajdują się poniżej. Zacznijmy od obiektywu 1.78 mm.

Bardzo wyraźne załamanie przy ISO 400 świadczy o odszumianiu surowych plików od tej nastawy.

Spójrzmy jeszcze na wyniki pomiaru szumu matrycy przy obiektywie 4.03 mm.

Tutaj także widzimy, że dane z RAW są modyfikowane, choć załamanie (w dodatku mniejsze) wypada przy nastawie ISO 800.

Dla porównania prezentujemy jeszcze wykres z wartościami składowej luminancji szumu dla smartfonów Apple iPhone 8 Plus, Huawei P9 Plus, LG V30 oraz Samsung S8 Plus.

Jak widać, V30 plasuje się pomiędzy smartfonami Huawei i Samsunga. Jako ciekawostkę, na wykresie zamieściliśmy także wyniki pochodzące z iPhone 8 Plus. Należy jednak zaznaczyć, że samo urządzenie nie generuje pliku RAW, lecz jest on uzyskiwany poprzez zewnętrzne aplikacje.

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 4.03 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.

Wprawdzie różnice w odtworzeniu detali pomiędzy wybranymi smartfonami nie są duże, to naszym zdaniem LG wypada nieco lepiej od konkurencji. Ową niewielką przewagę zawdzięcza głównie sensorowi o wyższej rozdzielczości. Niemniej jednak szum przeszkadza już od ISO 200, przez co V30 ustępuje nieco P9 Plus. Dla ISO 800 pogorszenie jakości obrazu jest już znaczne, nietrudno dostrzec kolorowe przebarwienia.

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 1.78 oraz 4.03 mm.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla najniższej czułości liczba tonów wynosi zaledwie 137 dla obiektywu 1.78 mm oraz 239 dla obiektywu 4.03 mm. Kamera szerokokątna wypada zatem dość słabo w tej kategorii, w dodatku znów rzuca się w oczy załamanie przy ISO 400. Aparat podstawowy tylko dla dwóch najniższych ISO rejestruje ponad 200 przejść tonalnych, jednak na tle szerokokątnego i tak radzi sobie całkiem nieźle, przynajmniej do ISO 400. Dla wyższych nastaw, wyniki nieco się wyrównują i dla ISO 1600 zanotowaliśmy 38 i 43 półtony (odpowiednio dla obiektywu 1.78 oraz 4.03 mm).

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. Poniższe wykresy wykonano dla obiektywu odpowiednio 1.78 oraz 4.03 mm.

Pomiary dla obu obiektywów dały podobne rezultaty. Warto zwrócić uwagę na 10-bitowe przetwarzanie danych. To bardzo mała wartość dająca niewielkie pole manewru przy obróbce zdjęć w komputerze. Dla obu obiektywów i najlepszej jakości obrazu zanotowaliśmy nieco ponad 6 EV dynamiki, a zatem podobnie jak w modelu G6.

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 przekracza 6 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 511. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 200 tysięcy zliczeń.

RAW, 1.78 mm
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800
1600
3200

RAW, 4.03 mm
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800
1600
3200

W obu przypadkach histogramy zostały obcięte w zerze. Sygnał został w istotny sposób zniekształcony, co widać po ich charakterystyce grzebieniowej. Darki nie wykazują cech bandingu, jednak ogólny poziom szumu jest dość wysoki. Sytuacja przy ISO 100 dla głównego aparatu może być związana z dodatkową obróbką 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, 1.78 mm
ISO	Dark Frame	Crop
000050
000100
000200
000400
000800
001600
003200

JPEG, 4.03 mm
ISO	Dark Frame	Crop
50
100
200
400
800
1600
3200