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 użyliśmy światłomierza Sekonic.

Na powyższym wykresie widać, że wszystkie czułości przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są poniżej wartości nominalnych. Różnica jest dość duża i dla całego zakresu wynosi ok. 1 i 2/3 EV. Takie zachowanie umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu.

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 13 do 4–5 elektronów. 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 przypada 38 elektronów. Daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na stosunkowo wysokim jak na smartfon poziomie 38 ke^–. Wygląda na to, że dla wszystkich czułości współczynnik konwersji jest większy od 1, a zatem wszystkie nastawy są teoretycznie uzyskiwane sprzętowo, a nie programowo. Jak jednak zobaczymy w dalszej części tego rozdziału, za takie zachowanie najprawdopodobniej odpowiada modyfikacja danych w RAW.

Szum całkowity

Pomiar szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Odpowiednie wykresy znajdują się poniżej.

Przebiegi dla poszczególnych składowych posiadają kilka załamań, widocznych już od nastawy ISO 400. Wzrost pomiędzy wartościami 100, 200 i 400 wygląda na liniowy, a nie wykładniczy. Nie mamy zatem wątpliwości – RAW-y są odszumiane

Aby ukazać, jak wartości wyznaczonego szumu przekładają się na obraz, prócz wykresów prezentujemy tabelkę z fragmentami zdjęć (w skali 1:1) naszej scenki oraz pól nr 3 i nr 11 tablicy Kodak Q-14. Zdjęcia wykonaliśmy korzystając z obiektywu 5.97 mm.

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.

Odwzorowanie szczegółów w przypadku obydwu smartfonów stoi na bardzo podobnym poziomie. Oba generują zdjęcia o rozdzielczości ok. 12 megapikseli, zatem można się było tego spodziewać. Inaczej wygląda kwestia zaszumienia obrazu – to w Samsungu jest znacznie większe. W jego przypadku jednak nie zauważyliśmy odszumiania RAW-ów, a w Oppo i owszem. Na wycinkach z Find X5 Pro, podobnie jak na wykresach szumu, także dostrzegamy ślady odszumiania – stosunkowo delikatne przy ISO 800, ale coraz silniejsze wraz ze wzrostem czułości. Nawet kompakt „referencyjny”, czyli Canon G7 X Mark III, szumi zauważalnie mocniej.

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 208, czyli otrzymujemy 7.7-bitowy zapis danych. Wynik ten jest całkiem dobry, jak na smartfon i pozwala uzyskać całkiem gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Taka sytuacja tyczy się tylko najniższej wartości ISO, bowiem zakres tonalny spada do poziomu 67 półtonów dla ISO 6400. Podobną wartość Samsung uzyskał dla ISO 400, zatem Oppo wypada tu wyraźnie lepiej. Niestety, kształt wykresu sugeruje (po raz kolejny) modyfikacje sygnału.

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 stosunkowi sygnału do szumu na poziomie 10, 4, 2 i 1.

Od razu rzuca się w oczy fakt 10-bitowego przetwarzania danych. To bardzo mała wartość dająca niewielkie pole manewru przy obróbce zdjęć w komputerze. Dla bazowej czułości i najlepszej jakości obrazu zanotowaliśmy 6.4 EV. W Samsungu było to 6.2 EV. To niewysokie wartości, choć typowe jak na smartfon.

Co ciekawe, dla SNR=1 wykres jest praktycznie płaski w zakresie ISO 100–1600. Niewykluczone, że w sensorze tkwi pewien potencjał, który pozwoliłyby wykorzystać 12-bitowe przetwarzanie danych i zapisu RAW. Szkoda, że producent nie pokusił się o takie rozwiązanie.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowanie 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 800, widzimy, że dynamika przekracza 8 EV.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki, który w przypadku Oppo Find X5 Pro wynosi 32 s.

Zdjęcia wywołujemy programem dcraw do postaci czarno-białej bez demozaikowania. 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 0 do 63. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 500 tysięcy zliczeń.

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

32-sekundowe darki nie dostarczą nam zbyt wielu informacji odnośnie szumu termicznego. Jak widać, dla trzech najniższych nastaw ISO, maksimum histogramów wypada w zasadzie w zerze, a cała ich lewa część jest obcięta. To świadczy o redukcji sygnału. Co ciekawe, dla wyższych czułości histogramy zaczynają być separowane od zera, lecz za każdym razem mamy do czynienia z inną wartością średniego poziomu sygnału. Same darki wyglądają całkiem nieźle, przynajmniej jeśli ograniczymy się do nastaw nie większych od ISO 800.

Na koniec tego rozdziału, dla porządku prezentujemy jeszcze darki dla formatu JPG zapisanego przez aparat razem z plikami RAW użytymi w wyżej zaprezentowanej analizie.

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