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.

Na powyższym wykresie może zaobserwować trzy odmienne zachowania: dla najniższych rozszerzonych czułości (6-50), strefę czułości kalibrowanych (100-12800) oraz najwyższe, rozszerzone czułości (25600-102400). Dla zakresu kalibrowanego, pomiary przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, leżą poniżej nominalnych. Różnica wynosi ok. 1 EV. Takie zachowanie 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

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. Widzimy, że dla zakresu kalibrowaniem czułości, przebieg pokrywa zakres wartości od 2 do ponad 11 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem dobrym poziomie. Pamietajmy, iż cztery pierwsze czułości to efekt uśredniania wielu ekspozycji, zatem wynik ich pomiaru w tym teście nie opisuje rzeczywistości. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, że wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Widać jednak, 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 czułości ISO 100 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 6 elektronu. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie ponad 98 ke^–, co można uznać za dobry wynik. Pamiętajmy, że do czynienia mamy z matrycą BSI o rozmiarze pełnej klatki o dużym zagęszczeniu senseli. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 1103 (czyli nieco powyżej nastawy aparatu ISO 800). To dobry wynik. Przekroczenie tego progu powoduje, że za jakość obrazu odpowiadają już tylko 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 nie doświetlając zdjęcie, a następnie korygując ekspozycję w komputerze.

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.

Dla najniższej natywnej czułości (ISO 100), zakres tonalny to niewiele poniżej 9 bitów. To wysoki wynik, dający zapas danych przy zapisie 8-bitowych plików JPEG bez widocznej posteryzacji. Do ISO 800 aparat rejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Zwiększanie czułości powoduje degradację zakresu tonalnego, do wartości 6.4 bita dla ISO 6400. Daje to nam 82 przejścia tonalne. Ciekawie wyglądają testy dla czułości rozszerzonych w dół, gdzie dla ISO 6 aparat notuje aż 737 przejść tonalnych (9.8 bita).

Zakres tonalny na plikach zapisanych w formacie JPEG możemy ocenić wizualnie na wycinkach zdjęć tablicy Stouffer T4110. Odległość pomiędzy sąsiednimi polami szarości wynosi 0.3 EV.

ISO	Granica czerni i bieli
6
12
25
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-13. 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 9.3 EV. To bardzo dobry wynik, jak na 14-bitowy zapis danych. Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu (SNR=1), dla bazowej natywnej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 13.5 EV, co oznacza, że wykorzystywany jest praktycznie cały zakres pracy przetwornika ADC. Warto także zauważyć, że podobne rezultaty notujemy dla ISO 200 oraz 400. Powyżej ISO 6400 widzimy już spore manipulowanie danymi. Czułości niskie (6 do 50) notują bardzo dobre wyniki, pamiętajmy jednak, że to rezultat intensywnej obróbki danych.

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 RMS = 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 sięga wartości 9 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaki oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej z czasem 30 s i 2 s przy czułości odpowiednio ISO 100 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW/DNG14 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”). Dla porównania zestawiamy wyniki aparatu Sony A7R II.

	0 EV	+4 EV
ISO 100
Sigma fp L
Sony A7R II
ISO 1600
Sigma fp L
Sony A7R II

Po rozjaśnieniu zdjęć, na wycinku z ISO 100 nie widać szumu. Przy ISO 1600 degradacji ulega detal a struktura obrazu jest nierównomierna. Dodatkowo dla ISO 100 widoczne dobrze stają się wysaturowane piksele, będące efektem nierównomierności matrycy, opisanej w poprzednim rozdziale.

	0 EV	−4 EV
ISO 100
Sigma fp L
Sony A7R II
Sigma fp L
Sony A7R II

Przyciemnianie jasnych partii obrazu nie ukazuje problemów w ratowaniu przepalonych fragmentów. Faktem jest dobre kontrolowanie jasnych partii. Szczególnie przy ISO 100 widoczna dobrze jest odzyskana w procesie przyciemniana faktura materiału.