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 poniżej wartości nominalnych. Różnice nie są stałe, wynoszą od 1 EV (dla programowego ISO 100) do ponad 2 EV dla ISO 25600. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi jest typowa dla matryc krzemowych, gdzie sprawność kwantowa nie rozkłada się równomiernie w całym spektrum światła widzialnego.

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 2 do prawie 12 elektronów dla ISO 200. Tradycyjnie warto też dodać, że w idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Tu widzimy, 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 200 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada ok. 11 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 43 ke^–. Nie jest to może wybitny wynik, ale można go uznać za niezły. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 818 (czyli nieco poniżej nastawy aparatu ISO 3200). 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 GX9 liczba tonów dla ISO 200 sięga 289, co daje 8.2-bitowy zapis danych i gwarantuje gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Konkurencja wypada jednak lepiej w tej kategorii. Dla tej czułości model E-M10 Mark III uzyskał 360 tonów (8.6 bita). Fujifilm X-E3 zanotował wartość 370 (8.5 bita), najwięcej natomiast mamy w Sony A6300, który uzyskał 430 tony (8.8 bita) dla ISO 100. Zwiększanie czułości powoduje degradację zakresu tonalnego, aż do wartości 5.1 bita dla najwyższej czułości. Daje to nam zaledwie 35 przejść tonalnych.

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
12800
25600

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 200 dynamika tonalna osiąga poziom 8 EV, a zatem nieco niższy od Olympusa E-M10 Mark III (8.2 EV). Fujifilm X-E3 i Sony A6300, mogą się pochwalić lepszymi osiągami, dzięki 14-bitowym RAW-om. Wynoszą one odpowiednio 9.1 i 9.6 EV.

Dla SNR=1 GX9 notuje maksymalny wynik na poziomie 11.9 EV, mamy zatem wykorzystany praktycznie cały zakres pracy przetwornika ADC. Ten niestety stanowi wąskie gardło, bowiem potencjał matrycy możnaby lepiej wykorzystać – co widać na podstawie powyższego wykresu.

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 1600 dynamika osiąga około 8 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Testowanym aparatem zdjęcia wykonaliśmy przy najniższej natywnej czułości ISO 200 oraz tradycyjnie przy ISO 1600. Odpowiednio wartość przysłony wyniosła f/16 oraz f/11. Dodatkowo, scenkę sfotografowaliśmy aparatem Nikon D500 wykorzystując ISO 100 i 1600. Czasy otwarcia migawki wynosiły odpowiednio 30 s dla niskiej i 2 s dla wysokiej czułości. Ze względu na różnicę ekspozycji, wybraliśmy zdjęcia z Nikona naświetlone o 2/3 EV mocniej. Następnie zdjęcia wywołaliśmy jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniliśmy o +4 EV oraz przyciemniliśmy o −4 EV, po czym zapisaliśmy jako zdjęcia 24-bitowe.

	0 EV	+4 EV
100 ISO
D500
200 ISO
GX9
1600 ISO
GX9
D500

GX9 przegrywa w tym pojedynku z kretesem, co w zasadzie nie powinno stanowić zaskoczenia. Poziom szumu na rozjaśnionych zdjęciach z Lumiksa jest znacznie wyższy niż w przypadku D500, a szczegółowość – wyraźnie niższa.

Jeżeli chodzi o przyciemnianie jasnych partii obrazu istotnych różnic pomiędzy porównywanymi aparatami nie dostrzegamy. Widać jedynie, że zdjęcia oryginalne różnią się nieznacznie jasnością.

	0 EV	−4 EV
100 ISO
D500
200 ISO
GX9
1600 ISO
GX9
D500