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.

Czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli dla nastaw natywnych są od 1.5 do nawet 2 EV poniżej nominalnych. To spora wartość, daje jednak możliwość manipulacji danymi w jasnych partiach obrazu.

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.

----- R E K L A M A -----

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 1 do 3 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem wysokim 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 najniższej natywnej czułości przypada nieco ponad 2 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 31 ke^–. Wynik ten jest niezbyt wysoki. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 93 (czyli ok. 1/3 EV poniżej nastawy 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 bardzo 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.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy dla dwóch najniższych czułości, dla których aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 160 liczba tonów wynosi 238, co daje 7.9‑bitowy zapis danych. Trochę więcej uzyskaliśmy w teście poprzednika (8.6 bita), a także Canona R7 (8.3 bita) i Panasonika GH6 (8.4 bita), w obu dla ISO 100.

Zwiększanie czułości powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i przy ISO 1600 w X‑S20 otrzymujemy wartości 6.7 bita, co daje około 106 przejść tonalnych. Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 37, co daje 5.2 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 1/3 EV.

ISO	Granica czerni i bieli
80
100
160
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

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 160 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął niezbyt imponujący wynik 8.1 EV, ponad 1 EV niższy od poprzednika. Z konkurencji, Canon R7 wypadł korzystniej, uzyskując 9 EV. Lumix GH6 korzysta z 12-bitowego przetwarzania sygnału, zatem jego wyniku (7.7 EV) nie można miarodajnie porównywać.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu, dla bazowej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 13.2 EV, co oznacza, że trochę brakuje, by wykorzystywany był praktycznie cały zakres pracy przetwornika ADC. Przy ISO 400–800 zauważymy niewielkie załamanie dla jakości niskiej, średniej i dobrej, które wskazuje, że matryca X-S20 charakteryzuje się budową dual-gain. Dzięki temu do dyspozycji mamy większa dynamikę dla niższych czułości ISO.

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. 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. Zdjęcia wykonaliśmy przy czasie 30 s dla ISO 160 i 200 oraz 2 s dla ISO 1600. 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
160 ISO
X-S20
200 ISO
X-T2
1600 ISO
X-S20
X-T2

W przypadku X-S20, po rozjaśnieniu widać znacznie wyższą intensywność niebieskiej składowej szumu, zarówno dla bazowego ISO, jak i 1600. Innymi słowy, starszy model poradził sobie nieco lepiej w tej części testu.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu daje podobny efekt w obu aparatach. Widać, że zbyt wielu szczegółów nie udało się odzyskać, a ewentualne różnice mogą wynikać z niewielkich rozbieżności w jasności pomiędzy zdjęciami oraz realnymi czułościami.

	0 EV	−4 EV
160 ISO
X-S20
200 ISO
X-T2
1600 ISO
X-S20
X-T2