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 powyższym wykresie widać, że wszystkie czułości przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są poniżej wartości nominalnych. Wartości średnie są niższe o niespełna 0.5 EV. Takie zachowanie umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu.

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 2 do 7 elektronów. Podobne wartości notowaliśmy w przypadku poprzednika. 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.

Z wykresów odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 543 (czyli nieco poniżej nastawy aparatu ISO 800). Wygląda zatem na to, że dopiero nastawa ISO 800 (realnie wynosząca ok. 626) uzyskiwana jest na drodze programowej. Dla najniższej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 17 elektronów. Daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na niezbyt wysokim poziomie 17 ke^–.

Szum całkowity

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

Przebiegi dla poszczególnych składowych są zasadniczo gładkie i nie obserwujemy niczego niepokojącego, co mogłoby sugerować odszumianie surowych plików.

Dla porównania prezentujemy jeszcze wykres z wartościami składowej luminancji szumu dla smartfonów Apple iPhone 8 Plus, Huawei P9 Plus, LG V30 oraz Samsung S9 Plus.

W przypadku smartfonów konkurencji producenci stosują mniejsze bądź większe odszumianie, przez co niełatwo w przejrzysty sposób porównać ich osiągi. Widać natomiast, że generalnie najniższym poziomem zaszumienia charakteryzuje się model P9 Plus, za nim V30, natomiast S9 Plus zajmuje trzecie miejsce. Warto też nadmienić, że iPhone 8 Plus nie udostępnia bezpośrednio 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) naszej scenki oraz pól nr 3 i nr 11 tablicy Kodak Q-14. Zdjęcia wykonaliśmy korzystając z obiektywu 4.3 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.

Odwzorowanie szczegółów w przypadku wszystkich trzech wybranych smartfonów można uznać za poprawne. Daleko im oczywiście do aparatów opartych choćby o matryce Mikro 4/3, co z uwagi na spore dysproporcje rozmiarów sensorów nie powinno dziwić. Jeśli chodzi o poziom zaszumienia, to z jednej strony S9 Plus ustępuje urządzeniom od Huawei i LG. Z drugiej jednak, w ich przypadku wyraźnie widać ślady odszumiania. Naszym zdaniem, jeśli producent umożliwia zapis plików RAW, to powinien pozwolić użytkownikowi samodzielnie zdecydować, czy lub jak będzie chciał je odszumić. W tym przypadku plus idzie do Samsunga.

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.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla najniższej czułości liczba tonów wynosi 172, czyli otrzymujemy 7.4-bitowy zapis danych. To stosunkowo niewielki wynik dający jednak całkiem gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Niestety, taka sytuacja tyczy się tylko najniższej wartości ISO, bowiem zakres tonalny szybko spada do bardzo małej wartości, osiągając dla ISO 400 poziom 62 półtony i 40 dla ISO 800. W tej kategorii wyraźnie lepiej wypada LG V30, bowiem dla ISO 50 i 100 przekroczony został poziom 200 półtonów.

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.

Przede wszystkim, warto zwrócić uwagę na 10-bitowe przetwarzanie danych. To bardzo mała wartość dająca niewielkie pole manewru przy obróbce zdjęć w komputerze. Dla bazowej czułości i najlepszej jakości obrazu zanotowaliśmy 6.2 EV. To niewysoka, choć typowa jak na smartfon wartość.

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 nieco 5 EV.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki, który w przypadku Galaxy S9 Plus wynosi 10 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 63. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 500 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800

10-sekundowe darki nie dostarczą nam zbyt wielu informacji odnośnie szumu termicznego. Widzimy jednak, że rozkład zakłóceń jest dość jednorodny i nie dostrzegamy oznak bandingu. Maksimum histogramów wypada w zasadzie w zerze, a cała ich lewa część jest obcięta. Mamy zatem do czynienia z redukcją 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
ISO	Dark Frame	Crop
50
100
200
400
800