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 wszystkie czułości, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Dla nastaw natywnych odstępstwa wynoszą od niespełna 1/2 EV do ok. 2/3 EV. Takie zachowanie jest typowe i 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 2 do 5 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na wysokim poziomie. Jak widać, oprogramowanie przetwornika ADC w niewielkim stopniu zmienia jego charakterystykę w zależności od użytej czułości, bowiem w idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie.

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 nastawy czułości ISO 100 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada około 2 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. FWC – full well capacity) na poziomie 33 ke^–. To dość niski wynik w porównaniu np. do Sony A7R V (101 ke^–), wyposażonego w analogiczny sensor. Punkt wzmocnienia jednostkowego wypada (jak łatwo odczytać z wykresu) dla czułości 219 (czyli nieco poniżej nastawy aparatu ISO 400). 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. Punkt wzmocnienia w testowanym aparacie ustawiony jest nisko.

Szum całkowity

Pomiar całkowitych szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Poniżej prezentujemy uzyskane przez nas wyniki.

Wykresy mają naturalny, wykładniczy przebieg, co oznacza, że w plikach RAW nie jest stosowane odszumianie.

Zobaczmy jeszcze porównanie składowej luminancji szumu pomiędzy Q3 a kilkoma systemowymi pełnoklatkowymi bezlusterkowcami.

Do ISO 6400, poziom szumu luminancji w Q3 stoi praktycznie na tym samym poziomie, co w Sony A7R V. Tym samym, dla tej nastawy, pozostałe aparaty aparaty pełnoklatkowe notują nieco lepsze wyniki.

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

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.

Obrazowanie w RAW-ach w przypadku Q3 stoi na bardzo podobnym poziomie, jak w Sony A7R V zarówno pod kątem odtworzenia detali, jak i widocznego szumu. Ten ostatni jest odrobinę wyższy niż np. w Nikonie Z7 II. W każdym razie lepiej nie przekraczać nastawy ISO 6400, gdyż wówczas obraz mocno traci na jakości.

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 ISO 100 liczba tonów wynosi 270, co daje 8.1-bitowy zapis danych. To mniej niż zanotowaliśmy w teście Sony A7R V, aczkolwiek taka wartość nadal daje gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji.

Wraz ze zwiększaniem czułości zakres tonalny oczywiście maleje. Przy ISO 1600 otrzymujemy wartości 6.7 bita (co daje około 100 przejść tonalnych), a dla ISO 6400 – 5.8 bita (54 przejścia). Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 14.

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

Dla najlepszej jakości obrazu przy ISO 100 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął 8.3 EV. To wyraźnie mniej niż w przypadku Sony A7R V, który uzyskał 9.6 EV. Z kolei dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga 13.2 EV dla bazowego ISO, co oznacza, że trochę brakuje, by wykorzystywany był cały zakres pracy przetwornika ADC. Dla ISO 50, które mimo, że jest najprawdopodobniej wytwarzane sztucznie, zanotowaliśmy nieco więcej: 13.8 EV.

Załamanie pomiędzy nastawami ISO 200 i 400 (widoczne najlepiej dla niskiej jakości) świadczy najpewniej o stosowaniu architektury dual-gain, czyli dwóch poziomów wzmocnień. Dzięki temu, przy SNR=1 widać zysk, przekładający się na lepsze osiągi dynamiki.

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 1600, widzimy, że dynamika zbliża się do 8 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 i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 100
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Darki

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW. Wywołujemy je programem dcraw do postaci czarno-białej bez interpolacji. 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 255 do 768. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 300 000 zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12500
25000
50000
100000

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Histogramy wykonane na podstawie darków swoim kształtem przypominają rozkład Poissona aż do ISO 6400. Na niskich nastawach darki wyglądają całkiem dobrze, dopiero od ISO 6400 zauważamy niejednorodności. Widać je głównie pod postacią pionowych pasów o różnej jasności. Niepokojące są praktycznie równe wartości odchylenia standardowego w zakresie ISO 50–800 – to znak, że sygnał może być redukowany.

Na koniec tego rozdziału, dla porządku prezentujemy jeszcze darki dla formatu JPG zapisanego przez aparat razem z plikami RAW użytymi w wyżej zaprezentowanej analizie. Dla dwóch najwyższych nastaw ISO, widać podobne zakłócenia jak wyżej.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12500
25000
50000
100000