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.

Dla nastaw natywnych czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są poniżej nominalnych – odstępstwa wynoszą ok. 1 i 1/2 ±1/3 EV. Takie zachowanie umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Widzimy, że trzy najwyższe nastawy, tj 12800 oraz rozszerzone 25600 i 51200 są de facto tymi samymi realnymi czułościami.

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. Najwyższy szum występuje dla pierwszej nastawy, niemniej i tak nie przekracza 5 elektronów, a przeważnie utrzymuje się przy wartości 2. To 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 34 ke^–. Wynik ten jest niezbyt wysoki, choć przy tak wysokim upakowaniu pikseli nie dziwi. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 171 (czyli mniej więcej dla nastawy ISO 500). 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 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.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy dla trzech najniższych czułości, dla których aparat rejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 125 liczba tonów wynosi 268, co daje 8.1-bitowy zapis danych. Wartość ta jest na tyle wysoka, że daje pewność otrzymania gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Konkurencja poradziła sobie jednak lepiej. Canon R7 zanotował 8.3 bita, Lumix G9 II 8.4 bita, a A6700 – 8.7 bita

Wraz ze zwiększaniem czułości zakres tonalny naturalnie maleje. Przy ISO 1600 mamy już 6.6 bita, co odpowiada 97 przejściom tonalnym. Dla maksymalnego dostępnego ISO (rozszerzonego) przejść tonalnych jest 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
64
125
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 125 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął dość przeciętny wynik 8.3 EV. Wszystkie trzy aparaty konkurencji zanotowały trochę lepsze rezultaty (dla ISO 100): EOS R7 9 EV, Lumix G9 II 9.3 EV i A6700 – 9.6 EV.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu, dla bazowej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 13.4 EV, co oznacza, że trochę brakuje, by wykorzystywany był cały zakres pracy przetwornika ADC.

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 osiąga prawie 8 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonaliśmy przy następujących parametrach ekspozycji: ISO 125, f/13 i 30 s oraz ISO 1600, f/11 i 2 s. 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. Ze względu na różnicę ekspozycji pomiędzy ujęciami z obu modeli, do porównania zdjęcia z X-T5 naświetliliśmy o 1/3 mniej niż te z X-T2.

	0 EV	+4 EV
125 ISO
X-T5
200 ISO
X-T2
1600 ISO
X-T5
X-T2

Szum na rozjaśnionych zdjęciach z X-T5 mocniej rzuca się w oczy niż w przypadku X-T2 i to dla obu nastaw czułości. Różnice nie są może spektakularne ale łatwo je dostrzec.

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

	0 EV	−4 EV
125 ISO
X-T5
200 ISO
X-T2
1600 ISO
X-T5
X-T2