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.

Z powyższego wykresu możemy odczytać, że do ISO 12800 włącznie średnia ze wszystkich grup senseli pokrywa się z krzywą nominalną. Powyżej tej wartości mamy do czynienia z wartościami położonymi nad tą prostą. Takie zachowanie jest dość nietypowe, bowiem zazwyczaj wartości czułości ułożone są poniżej nominalnych, co 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.

----- 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 przebieg pokrywa zakres wartości od 2 do 6 elektronów (pomijając najwyższą czułość), co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na wysokim poziomie. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Tutaj widzimy, że wartości zmieniają się dla różnych nastaw ISO.

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 przypada około 8 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 131 ke^–. Wynik ten jest bardzo wysoki. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 1385 (czyli pomiędzy nastawami ISO 800 i 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.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy dla czterech najniższych czułości, dla których aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 100 liczba tonów wynosi 450, co daje 8.8-bitowy zapis danych. Warto zauważyć, że pomiędzy czułościami ISO 400 i ISO 800 zauważymy charakterystyczne załamanie, które świadczy o modyfikowaniu surowych danych. W porównaniu do konkurencji aparat Pentaksa wypada nieco gorzej. Sony A7R III i Nikon D850 zanotowały wynik 9 bitów.

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.

Z powodu ograniczenia ekspozycji, zmuszeni jesteśmy przedstawić wycinki tylko do ISO 204800.

ISO	Granica czerni i bieli
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 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął 9.7 EV, co jest bardzo dobrym wynikiem, dokładnie takim samym, jak u poprzednika. Mimo to, K-1 II musi nieznacznie ustąpić w tej kategorii konkurentom – Sony A7R III osiągnął 9.9 EV, natomiast Nikon D850 10 EV.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu, dla bazowej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 13.8 EV, co oznacza, że niewiele brakuje, by wykorzystywany był cały zakres pracy przetwornika ADC. Przy ISO 400–800 zauważymy załamanie, które jest wyraźnie zauważalne dla wszystkich jakości SNR. To jedynie potwierdza nasze przypuszczenia, że Pentax odszumia pliki RAW.

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 30 dB, widzimy, że dla ISO 200 dynamika wynosi ok. 6 EV.

Warto zauważyć, że krzywe SNR wykreślone dla ISO 400 i 800 pokrywają się. Gdybyśmy mieli do czynienia z architekturą dual-gain, krzywe te jedynie by się przecinały, co można zaobserwować w teście Sony A7R III.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonaliśmy przy następujących parametrach ekspozycji: ISO 200, f/16 i 30 s oraz ISO 1600, f/16 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 wybraliśmy aparat Sony A7R II. Zdjęcia przy tych samych parametrach ekspozycji różniły się nieco jasnością, dlatego z aparatu Sony wybraliśmy te wykonane przymkniętą o 1/3 EV przysłoną.

	0 EV	+4 EV
100 ISO
K-1 II
A7R II
1600 ISO
K-1 II
A7R II

Dla bazowej czułości poziom szumu w obu aparatach wydaje się być podobny. W Pentaksie spotkamy się jednak z nieco magentowym zabarwieniem, Sony natomiast dobrze oddaje barwę. Przy ISO 1600 na pierwszy rzut oka wydaje się, że odrobinę lepiej poradził sobie K-1 II. Należy jednak pamiętać, że RAW-y z tego aparatu są odszumiane, co może wpłynąć na odbiór powyższych wycinków.

	0 EV	−4 EV
100 ISO
K-1 II
A7R II
1600 ISO
K-1 II
A7R II