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 dla nastaw natywnych, czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są poniżej nominalnych. Przesunięcie nie jest duże i nie przekracza 1/2 EV. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Widać też, że nastawy 100 i 50 (Lo1) różnią się w niewielkim stopniu.

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 32–200 mamy do czynienia z wyższym szumem przetwarzania niż w zakresie 400–102400, co sugeruje użycie architektury dual-gain. W efekcie, szum przetwarzania jest dla wyższych wartości ISO obniżony, co w mniejszym stopniu ogranicza ich wyniki dynamiki tonalnej.

Dla niższych czułości szum przetwarzania wynosi od 9 do 7 elektronów. Z kolei od nastawy ISO 200 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 Z7 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 128 ke^–. Taki wynik można uznać za wysoki. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 524 (czyli trochę poniżej nastawy aparatu ISO 800). 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 dość nisko.

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 Z7 II, dla ISO 64 liczba tonów sięga 503, a to daje 9-bitowy zapis danych. Tym samym Z7 II ustępuje nieco Lumiksowi S1R (9.5 EV), wypada natomiast korzystniej od Canona R5 (8.4 EV) oraz Sony A7R IV (8.8 EV).

Zwiększanie czułości w Z6 II powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i przy ISO 1600 mamy już 6.9 bita, co odpowiada 115 przejściom tonalnym. Dla maksymalnego natywnego ISO (25600) przejść tonalnych jest już zaledwie 27, co daje 4.8 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
32
64
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

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 64 testowany aparat osiąga 9.8 EV. To bardzo dobry wynik. S1R i A7R IV znów wypadły niewiele niżej, uzyskując dla ISO 100 (swojego najniższego natywnego) odpowiednio 9.5 i 9.6 EV. Nieco większą różnicę zauważymy względem EOS-a R5, który zanotował 9 EV. Na wykresie bardzo dobrze widać załamanie pomiędzy nastawami ISO 200 i 400 (najlepiej dla niskiej jakości), co najprawdopodobniej wynika z zastosowania dwóch poziomów wzmocnień.

Dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga 13.9 EV dla bazowego ISO, co oznacza, że 14-bitowy zapis danych wykorzystywany jest prawie całkiem. Przy tej jakości dobrze widać zysk wynikający z architektury dual-gain, przekładający się na poprawę osiągów dynamiki od ISO 400.

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 przekracza 8 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 Z7 II i Sony A7R II występowała spora różnica w naświetleniu zdjęć, toteż zdecydowaliśmy się otworzyć przysłonę o 1 EV mocniej w A7R II. 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
Z7 II
A7R II
1600 ISO
Z7 II
A7R II

Dla ISO 100 rezultat rozjaśniania prezentuje się nieco lepiej w przypadku aparatu Sony, choć różnica nie jest duża. Ta jednak trochę się pogłębia dla wyższej nastawy, widać bowiem, że szum na wycinku z Z7 II wyraźniej dominuje w obrazie.

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 rozbieżności jasności pomiędzy zdjęciami oraz realnymi czułościami.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
Z7 II
A7R II
1600 ISO
Z7 II
A7R II