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 czułości, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są o około 1 i 1/3 EV poniżej wartości nominalnych. Wyjątkiem są rozszerzone czułości ISO 25600 i 51200, które powstają programowo, a zatem rzeczywista czułość jest w ich przypadku zbliżona do tej dla nastawy ISO 12800.

Utrzymanie rzeczywistych czułości poniżej wartości nominalnych 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

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 około 1.5 do 4 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na bardzo dobrym poziomie. 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 najniższej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypadają 2 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 34 ke^—. To dość niski wynik, typowy raczej dla urządzeń z mniejszymi matrycami oraz zauważalnie gorszy niż w przypadku poprzedników – Fujifilm X100F notował 45 ke^—, a wyposażony w 16-megapikselową matrycę X100T aż 65 ke^—.

Z wykresu możemy także odczytać, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 265. To około 2/3 EV poniżej nastawy aparatu ISO 800. 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.

Szum całkowity

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

Przebieg wykresu przypomina wykładniczy i nie posiada widocznych załamań, co oznacza, że w testowanym aparacie najprawdopodobniej nie mamy do czynienia z odszumianiem surowych plików. Również wyższe wyniki dla składowej niebieskiej są prawidłowym, fizycznym zachowaniem wynikającym z charakterystyki wydajności kwantowej krzemu w tym zakresie widma.

Pod względem ilości szumu Fujifilm X100V nie ma się czego wstydzić. Wypada zauważalnie lepiej od poprzednika i większości kompaktowej konkurencji.

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.

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.

Przewagę X100V nad wybraną do niniejszego porównania konkurencją widać praktycznie od samego początku. Lumix LX100 II wypada w tym zestawieniu najgorzej, a Ricoh GR III w środku stawki.

Jeśli chodzi o jakość obrazu, to do okolic ISO 6400 szum nie powoduje wyraźnej degeneracji szczegółów w obrazie. Lumix przy tej czułości nie daje już użytecznych zdjęć. Obrazy z GR III wyglądają nieco lepiej dzięki minimalnie innej ekspozycji, ale poziomy szumów w tym aparacie pozostają wyższe niż w Fujifilm.

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 173, czyli otrzymujemy 7.4-bitowy zapis danych. Jest to akceptowalny wynik, ale jest on też zauważalnie gorszy niż u poprzednika, czy konkurencji. Fujifilm X100F oraz Ricoh GR III zanotowały w tej kategorii wynik 8.5 bita, a Panasonic LX100 II niecale 8.2.

Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do wartości 6.6 bita dla ISO 1600, co stanowi 95 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 stosunkom sygnału do szumu na poziomie 10, 4, 2 i 1.

Przedstawiony wykres ukazuje prawidłowe i fizyczne zachowanie dla wszystkich testowanych czułości. Zwiększanie czułości powoduje naturalny spadek dynamiki. Identyczny wynik dla ISO 160 i 200 pokazuje z kolei, że mimo pewnego zapasu, aparat z jakiegoś powodu nie wykorzystuje pełnego zakresu swojego 14-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Dokładna wartość, jaką osiąga X100V przy kryterium niskiej jakości, to 13.2 EV. Z kolei dla jakości wysokiej jest to 8.1 EV. Są to wyniki zbliżone do poprzednika, który notował odpowiednio 8.4 oraz 13.3 EV.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane 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 osiąga 8 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaki oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej z czasem 20 s i 2 s przy czułości odpowiednio ISO 160 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom Classic na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 160
ISO 1600

Rozjaśniony obraz wygląda dobrze. Na czułości ISO 160 jest on całkiem czysty, co robi wrażenie. Na czułości ISO 1600 szumu jest oczywiście sporo, ale nadal ma on monochromatyczny charakter i nie przysłania całkowicie obrazu. Jedyne zastrzeżenie można mieć do pojawiającego się w obydwu przypadkach lekkiego zafarbu w obrazie.

	0 EV	−4 EV
ISO 160
ISO 1600

Przyciemnione wycinki wyglądają na obu badanych czułościach niemal identycznie i zachowują się typowo, trudno mieć tu jakiekolwiek zastrzeżenia.

Zarówno przykłady na rozjaśnianie, jak i przyciemnianie obrazu pokazują, że pomimo nieco niższych niż poprzednik wyników laboratoryjnych, dynamika testowanego aparatu jest w praktyce całkiem dobra.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW. 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 800 do 1200. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 1 milion zliczeń.

Należy w tym miejscu dodać, że testowany aparat prezentuje dziwny problem przy wykonywaniu długich ekspozycji. Używany przy wykonywaniu darków czas 180 sekund (zweryfikowany zewnętrznym stoperem) został w danych EXIF zapisany jako 200 sekund. Może to wprowadzić zamieszanie w praktycznych sytuacjach. Nie jest to pierwsza taka sytuacja, z podobną mieliśmy do czynienia przy testach innych korpusów Fujifilm.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Zastosowana w X100V matryca X-Trans CMOS czwartej generacji posiada bias na tym samym, wysokim poziomie około 1024, co jej trzecia implementacja. To ukłon w kierunku użytkowników zainteresowanych zaawansowanym odszumianiem materiału i programów dających takie możliwości.

Darki wyglądają dobrze. Nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Co ważne, w porównaniu z poprzednikiem zniknął występujący w modelu X100F kwadrat na środku kadru wskazujący obszar czujników fazowych AF. Powyżej ISO 3200 zauważamy, że poissonowski rozkład jest zaburzony w maksimum sygnału, a także po prawej stronie piku. Szum, reprezentowany przez odchylenie standardowe rośnie jednak proporcjonalnie. Dopiero przy rozszerzonych czułościach – ISO 25600 oraz 51200 – spotkamy się z oczywistym odszumianiem, o którym świadczy grzebieniowy charakter histogramu oraz niefizycznie mały wzrost odchylenia standardowego dla ISO 51200.

Dla porządku prezentujemy również darki w formacie JPEG. Nie prezentują one niczego niepokojącego, jedynie na najwyższej czułości ISO 51200 pojawia się zauważalny kolorowy zafarb.

JPEG
ISO	Dark Frame	Crop
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200