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.

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. Dla nastaw 50–400 mamy do czynienia z wyższym szumem przetwarzania niż w zakresie 800–204800, co sugeruje użycie architektury dual-gain. W efekcie, szum przetwarzania jest dla wyższych wartości ISO obniżony, co nie ogranicza ich wyników dynamiki tonalnej.

Dla niższych czułości szum przetwarzania wynosi od 14 do 9 elektronów. Z kolei powyżej nastawy ISO 400 szum przetwarzania osiąga poziom od 3 do 2 elektronów. Można więc uznać, 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. W przypadku Z6 II, ze względu na użycie dwóch poziomów wzmocnień, otrzymujemy dwie charakterystyki, z których każda jest z grubsza zbliżona do prostej.

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 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 13 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 205 ke^–. Taki wynik można uznać za bardzo wysoki. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 1103 (czyli praktycznie dla nastawy aparatu 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. W testowanym aparacie punkt wzmocnienia jednostkowego jest ustawiony niezbyt wysoko.

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 Nikonie Z6 II, dla ISO 100 liczba tonów sięga 578, a to daje 9.2-bitowy zapis danych. Tym samym Z6 II nie różni się znacząco od Panasonika S1 i Sony A7 III, które uzyskały odpowiednio 9 i 9.3 EV.

Zwiększanie czułości w Z6 II powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i przy ISO 3200 mamy już 7 bitów, co odpowiada 124 przejściom tonalnym. Dla maksymalnego natywnego ISO przejść tonalnych jest już zaledwie 13, co daje 3.8 bita.

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
50
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 testowany aparat osiąga aż 10 EV. To bardzo dobry wynik. S1 i A7 III znów wypadły dość podobnie, uzyskując odpowiednio 9.7 i 10.2 EV. Na wykresie bardzo dobrze widać załamanie pomiędzy nastawami ISO 400 i 800, co najprawdopodobniej wynika z zastosowania dwóch poziomów wzmocnień.

Dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga 13.8 EV dla bazowego ISO, co oznacza, że niewiele brakuje, by wykorzystywany był 14-bitowy zapis danych. Przy tej jakości dobrze widać zysk wynikający z architektury dual-gain, przekładający się na poprawę osiągów dynamiki od ISO 800.

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 ok. 9.5 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonujemy przy czułości ISO 100 i 1600, przysłonie f/16 i czasach odpowiednio 30 i 2 s. W przypadku wybranych aparatów – Nikona Z6 II i Sony A7R III występowała spora różnica w naświetleniu zdjęć, toteż zdecydowaliśmy się otworzyć przysłonę aż o 1 i 1/3 EV mocniej w A7R III. Zdjęcia 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.

100 ISO
	0 EV	+4 EV
Z6 II
A7R III
1600 ISO
Z6 II
A7R III

Dla ISO 100 rezultat rozjaśniania dla obu aparatów jest dość zbliżony, z niewielką przewagą A7R III. Przy ISO 1600 natomiast poziom szumu wizualnie utrzymuje się na podobnym poziomie w obu urządzeniach.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu daje podobny efekt w obu aparatach, Widać, że zbyt wielu szczegółów nie udało się odzyskać, a ewentualne różnice mogą wynikać z niewielkich różnic jasności pomiędzy zdjęciami oraz realnymi czułościami. W oczy rzuca się także spora dysproporcja w rozdzielczości zdjęć.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
Z6 II
A7R III
1600 ISO
Z6 II
A7R III