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 zakresu nastaw ISO 64–1600, czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są prawie dokładnie 1/3 EV poniżej nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia lekką manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Z kolej dla nastaw ISO 3200–12800 wybrane wartości odpowiadają tym zmierzonym. W gruncie rzeczy do dość rzadka sytuacja, by nastawy były tak bliskie realnym czułościom.

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 pierwszych dwóch nastaw mamy ponad 6 elektronów, a kolejnych – niespełna 3. Oznacza to, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na wysokim poziomie. Mamy też najprawdopodobniej do czynienia z dwoma poziomami wzmocnień, przy czym oba wykresy to praktycznie proste linie.

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 prawie 2 elektrony. Przy 16-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 126 ke^–. Wynik ten można uznać wysoki. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada już dla czułości 114 (czyli pomiędzy nastawami aparatu ISO 100 i 200). Przekroczenie tego progu powoduje, że za jakość obrazu wynikającą ze wpływu szumu śrutowego 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. Punkt wzmocnienia w testowanym aparacie jest ustawiony 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. Pomiarów dokonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania. Prezentujemy wykres dla RAW-ów 16-bitowych.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy dla czterech najniższych czułości, dla których aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 64 liczba tonów wynosi 461, co daje 8.9-bitowy zapis danych. To nieco wyższy wynik niż GFX 100 dla analogicznych kryteriów, który wyniósł 8.7 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 0.3 EV. Zielonkawy odcień obrazów wynika z braku możliwości ustawienia balansu bieli wg własnego wzorca.

ISO	Granica czerni i bieli
64
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

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. Prezentujemy wykres dla RAW-ów 16-bitowych.

Dla najlepszej jakości obrazu przy ISO 64 testowany aparat osiągnął bardzo dobry wynik 9.9 EV. Fujifilm GFX 100 z kolei, dla ISO 100 (najniższego natywnego) uzyskał 9.7 EV, zatem bardzo podobnie. Z kolei przy ISO 100–200 zauważymy charakterystyczne załamanie dla jakości niskiej, średniej i dobrej, które potwierdza, że matryca w X2D 100C charakteryzuje się różnym wzmocnieniem dla dwóch zakresów czułości ISO.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu, dla bazowej czułości w X2D 100C mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 14.2 EV, a w GFX 100 – 14 EV. Widać zatem, że do wykorzystania pełnego, 16-bitowego zakresu sporo brakuje.

Poniżej przedstawiamy pełny wykres SNR (dla RAW-ów 16-bitowych) wygenerowany 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. Gdy np. uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika zbliża się do 8 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Czasy otwarcia migawki wynosiły odpowiednio 30 s dla niskiej i 2 s dla wysokiej czułości. Okazało się jednak, że przy identycznych parametrach ekspozycji i warunkach oświetleniowych zdjęcia z aparatu użytego dla porównania (Z7) zauważalnie różnią się jasnością. Ostatecznie zatem do analizy wzięliśmy zdjęcia z X2D wykonane z ekspozycją o 1/3 EV większą. Pliki wywołaliśmy następnie jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniamy o +4 EV oraz przyciemniamy o −4 EV, po czym zapisaliśmy jako zdjęcia 24-bitowe.

	0 EV	+4 EV
64 ISO
X2D
Z7
1600 ISO
X2D
Z7

Zarówno przy ISO 64, jak i 1600 efekt rozjaśnienia jest naszym zdaniem nieco lepszy w przypadku aparatu Nikona. Szum na zdjęciach z Hasselblada uwidacznia się trochę mocniej, choć nie jest to duża różnica.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu daje podobny efekt w obu aparatach, a widoczne różnice są raczej spowodowane różną jasnością oryginalnych zdjęć. Miejsca przepalone takowymi pozostaną.

	0 EV	−4 EV
64 ISO
X2D
Z7
1600 ISO
X2D
Z7