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. Przebieg pokrywa zakres wartości od 5 do 2 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem wysokim poziomie. Nie widać natomiast większej różnicy pomiędzy szumem dla nastaw ISO 100 i 200 oraz pozostałych. W tym miejscu przypuszczenie o stosowaniu dwóch poziomów wzmocnień (czyli architektury dual-gain) nie ma poparcia.

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 przypadają 4 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 56 ke^–. Nie jest to szczególnie wysoki wynik. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 1206 (czyli nieco powyżej 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 całkiem 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 Pentaksie K-3 III, dla ISO 100 liczba tonów sięga 362, a to daje 8.5-bitowy zapis danych. To dobry wynik, który daje gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Bardzo podobnie wypadł Fujifilm X-T4 (dla ISO 160), notując 8.6 bita. Lepszym rezultatem może się pochwalić Nikon D500 – 8.9 bita. Na tym wykresie widać załamanie przy przejściu z nastawy ISO 200 do 400. Trudno powiedzieć, czym jest ono spowodowane, wartości szumu przetwarzania nie wskazują jednoznacznie na użycie architektury dual-gain.

Zwiększanie czułości powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i przy ISO 1600 mamy 7.7 bita, a przy 102400 – 4.7 bita, co odpowiada 26 przejściom tonalnym.

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
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400
204800
409600
819200
1600000

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 dobry wynik – 9 EV. Konkurencja zanotowała jednak wyższe osiągi. W przypadku X-T4 różnica to tylko 0.1 EV, natomiast dla D500 – 0.7 EV. Na tym wykresie, i to dla wszystkich SNR, także obserwujemy załamanie przy przejściu z nastawy ISO 200 do 400.

Dla SNR=1 i ISO 100 dynamika osiąga 13.5 EV, co pokazuje, że niewiele brakuje do wykorzystania 14-bitowego zapisu danych. 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 lekko przekracza 10 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. 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.

	0 EV	+4 EV
100 ISO
K-3 Mark III
200 ISO
X-T2
1600 ISO
K-3 Mark III
X-T2

Po rozjaśnieniu obrazu, naszym zdaniem efekt końcowy prezentuje się odrobinę lepiej w przypadku Pentaksa. Dotyczy to zarówno niskich, jak i wysokich nastaw ISO w obu aparatach.

Zmniejszenie ekspozycji o 4 EV daje bardzo porównywalne wyniki w przypadku obydwu aparatów. Drobne różnice mogą wynikać z faktu różnej jasności oryginalnych zdjęć.

	0 EV	−4 EV
100 ISO
K-3 Mark III
200 ISO
X-T2
1600 ISO
K-3 Mark III
X-T2