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.

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

Z powyższego wykresu możemy odczytać, że wszystkie czułości, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są około 1 EV poniżej wartości nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Możemy zaobserwować, że czułości poniżej ISO 125 są wytwarzane sztucznie. Także nastawa 25600 jest mocno zdeformowana przez obróbkę programową.

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.

Wyrażenie wyniku w elektronach pozwala śledzić jakość przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od niecałych 3 do 13 elektronów dla większości zmierzonych czułości – wyjątkiem jest ISO 80. gdzie szum przetwarzania to aż 16 elektronów.

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 fizycznej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 9 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku i ograniczeniu poziomem saturacji daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 37 ke^–. Taki wynik należy uznać za całkiem dobry.

Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 603 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 1600). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej (na jedną jednostkę kwantyzacji przypada „ułamek” niepodzielnego fotonu), 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 1600 są użyteczne jedynie dla tych użytkowników, którzy nie poddają zdjęć komputerowej obróbce.

Szum całkowity

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

Powyższe wykresy nie dają nam żadnych powodów do niepokoju – szum wraz z czułościami rośnie wykładniczo. Jego poziom jest zbliżony do innych 1-calowych 20-megapikselowych sensorów.

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. W pierwszej tabelce znajdują się fotografie w formacie JPEG, w drugiej natomiast – w formacie RAW.

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 zostanie zaktualizowana poniższa tabelka nowymi wycinkami testowej scenki.

Dość ciężko wybrać aparaty do porównania, bowiem na rynku nie ma aparatów innych producentów w segmencie TZ200. Dopiero Sony RX100 VI, który miał niedawno swoją premierę, zbliża się wymiarami i zakresem zoomu do TZ100 czy TZ200, ale tego aparatu nie ma jeszcze w naszej bazie. Z tego powodu, do porównania zdecydowaliśmy się umieścić Canona G9X II oraz Sony RX100 IV – mimo, że są to aparaty z mniejszym zoomem oraz dobrą jasnością obiektywu. Oba posiadają 20-megapikselowe, 1-calowe matryce.

Tutaj wielkich zaskoczeń nie ma – wszystkie aparaty prezentują podobny poziom szczegółowości i zaszumienia. Kompakty z jaśniejszą optyką pozwolą jednak na stosowanie niższych czułości ISO, co da lepszą jakość obrazu.

Jakość zdjęć z TZ200 będzie zadowalająca do ISO 1600. Stosunkowo użyteczną czułością jest jeszcze wartość ISO 3200. Od ISO 6400 zaszumienie obrazu będzie na tyle wyraźne, że nie polecamy stosowania tych wartości.

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.

Dla ISO 125 liczba tonów wynosi 227, czyli dostajemy 7.9-bitowy zapis danych. To nie najgorszy 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.

Przedstawiony wykres pokazuje, że od ISO 125 do ISO 6400 zachowanie matrycy jest fizyczne (obserwujemy naturalny spadek dynamiki) i trudno mieć do tych wyników uwagi. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, aparat TZ200 osiąga wartości dynamiki tonalnej 7.5 EV przy czułości ISO 125. Jest to stosunkowo dobry wynik, choć gorszy, niż osiągnął poprzednik (8.1 EV). Gdy akceptujemy niższe progi jakości, okazuje się, że przy wykorzystaniu najniższej dostępnej czułości dysponujemy praktycznie całym zakresem pracy 12-bitowego przetwornika.

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 1600, widzimy, że dynamika sięga wartości 7 EV. Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaki oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej przy czułości odpowiednio ISO 125 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW, wywołane do 48-bitowych TIFF-ów i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom.

	0 EV	+4 EV
ISO 125
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 125
ISO 1600

Jak widać, efekt rozjaśnienia zdjęcia przy bazowej czułości prezentuje się bardzo dobrze. Poziom szumu nie jest specjalnie duży i wciąż da się rozpoznać sporo detali. Przy ISO 1600 sytuacja wygląda już znacznie gorzej.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW w ciemności i przy czasie migawki równym 128 s (maksymalny czas, na jaki pozwala TZ200). 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 511. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 600 tysięcy 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	142.463	11.390
100	142.696	13.858
125	142.354	22.350
200	142.076	27.156
400	141.695	40.668
800	141.669	58.134
1600	145.201	121.635
3200	138.020	113.003
6400	135.060	310.892
12800	215.345	654.107
25600	138.090	350.348

Aparat nie odejmuje ciemnej klatki, co oznacza, że widoczne powyżej zdjęcia stanowią natywny obraz prądu ciemnego matrycy. Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Do ISO 800 darki utrzymują kształt zbliżony do rozkładu Poissona, zauważyć można jednak mniejszy pik po prawej stronie, który jest prawdopodobnie wynikiem architektury BSI. Od wartości ISO 6400 zauważyć można, że maksimum sygnału znajduje się w okolicy 0, co może świadczyć o odszumianiu długich ekspozycji. Bias, podobnie jak w aparacie TZ100, ustawiony jest na poziom około 140. Zaszumienia ciemnych klatek w tych dwóch aparatach nie można jednak porównywać bezpośrednio, bo w teście poprzednika wykonywaliśmy 30-sekundowe ekspozycje, które z oczywistych względów będą mniej „zaszumione”, niż 128-sekundowe z TZ200.

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