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 widać, że wszystkie nastawy natywne (czyli poza programowymi ISO 64 i 100) przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, leżą poniżej nominalnych. Różnica wynosi ok. 1 i 1/3 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 przebieg pokrywa zakres wartości od 3 do ponad 10 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem dobrym poziomie. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze 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 200 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada około 14 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie ponad 56 ke^–, co można uznać za dobry wynik. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 1298 (czyli ciut poniżej nastawy aparatu ISO 3200). To dobry wynik. Przekroczenie tego progu powoduje, że za jakość obrazu wynikającą z 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.

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. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy dla czterech najniższych czułości (choć tylko dwóch natywnych), dla których aparat rejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 200 (najniższego natywnego) liczba tonów wynosi 310, co daje 8.3-bitowy zapis danych. Wartość ta jest na tyle wysoka, że daje pewność otrzymania gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Identyczny wynik zanotował Canon R7 dla ISO 100 (najniższego natywnego). Słabiej wypadł natomiast Fujifilm X-S20 – 7.9-bita dla ISO 160 (również najniższego natywnego).

Zwiększanie czułości w OM-5 powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego, do wartości 7 bitów dla nastawy ISO 1600, aż do 4.9 bita dla najwyższej czułości. Daje to nam tylko 29 przejść tonalnych.

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.

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.

Dla najlepszej jakości obrazu przy ISO 200 testowany aparat osiąga 8.1 EV. To całkiem dobry wynik, jak na 12-bitowy zapis danych. Taką samą wartość – mimo 14-bitowych RAW-ów – zanotował Fujifilm X-S20. Najlepiej wypadł natomiast EOS R7, uzyskując 9 EV, także przy 14-bitowym przetwarzaniu danych.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu (SNR=1), dla bazowej natywnej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 11.9 EV, co oznacza, że wykorzystywany jest praktycznie cały zakres pracy przetwornika ADC. Warto także zauważyć, że te same rezultaty notujemy dla ISO 64–400. Owo „wypłaszczenie” wykresu na niższych czułościach sugeruje, że w zastosowanej matrycy tkwi potencjał, którego nie wykorzystano w całości. Niewykluczone, że zastosowanie 14-bitowych przetworników i zapisu surowych plików umożliwiłoby osiągnięcie lepszych wyników w kategorii dynamiki tonalnej przynajmniej dla najniższych czułości.

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 przekracza nieco wartość 8 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonaliśmy przy czułości ISO 200 i przysłonie f/11 oraz ISO 1600 i przysłonie f/16. Czasy ekspozycji wynosiły odpowiednio 30 i 2 s. W przypadku wybranych aparatów – OM System OM-5 i Fujifilm X-T2 występowała pewna różnica w naświetleniu zdjęć, toteż zdecydowaliśmy się przymknąć przysłonę o 1/3 EV mocniej w X-T2. Następnie wywołaliśmy je jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniliśmy o +4 EV oraz przyciemniliśmy o −4 EV, po czym zapisaliśmy jako zdjęcia 24-bitowe.

200 ISO
	0 EV	+4 EV
OM-5
X-T2
1600 ISO
OM-5
X-T2

Po rozjaśnieniu zdjęć lepszy rezultat obserwujemy w przypadku aparatu Fujifilm. Intensywność szumu w X-T2 jest nieco mniejsza, podobnie jak degeneracja detali.

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.

200 ISO
	0 EV	−4 EV
OM-5
X-T2
1600 ISO
OM-5
X-T2