Balans bieli

W celu sprawdzenia jakości odwzorowania kolorów przez Canona G9 wykonaliśmy serię zdjęć 24-polowej tablicy kolorów Gretag-Macbeth oświetlanej różnymi rodzajami światła. W każdym przypadku stosowaliśmy dwa ustawienia balansu bieli w aparacie: automatyczny oraz zdefiniowany przez producenta balans odpowiadający danemu rodzajowi oświetlenia. Następnie wyliczone zostały parametry dC - odchylenie od właściwej barwy w przestrzeni L*a*b*, czyli wartość błędu, z jakim ocenił barwę aparat oraz S - nasycenie barwy wyrażone w procentach. Wyniki naszych pomiarów przedstawione są w poniższych tabelach:

Światło Balans bieli	Tablica kolorów	Przestrzeń kolorów Lab
Światło: pochmurny dzień Balans bieli: Auto
Światło: pochmurny dzień Balans bieli: Chmury
Światło: lampa o temp. barwnej 3500K Balans bieli: Auto
Światło: lampa o temp. barwnej 3500K Balans bieli: Żarówka
Światło: lampa błyskowa aparatu Balans bieli: Auto
Światło: lampa błyskowa aparatu Balans bieli: Lampa błyskowa
Światło: lampa błyskowa aparatu + żarówki Balans bieli: Auto

Canon G9 całkiem dobrze radzi sobie z odwzorowaniem kolorów. Automatyczny balans bieli poważną wpadkę notuje tylko tam, gdzie prawie wszystkie aparaty cyfrowe, czyli w świetle o temperaturze barwnej 3500K (dC=20.8). Ręczne ustawienie balansu bieli na światło żarówki sprowadza błąd do niskiego poziomu (dC=6.84). Kolory odwzorowane były najlepiej (dC 4.89) w przypadku zdjęć wykonanych z użyciem wbudowanej lampy błyskowej w pomieszczeniu oświetlonym zwykłymi żarówkami i balansie bieli ustawionym na auto.

Zwracamy uwagę, że normalne ustawienie aparatu, czyli wyłączenie specjalnych efektów kolorystycznych, nie prowadzi do systematycznego przesycania czy niedosycania kolorów. W niektórych przypadkach kolory są przesycone (pochmurny dzień), w innych niedosycone (lampa błyskowa - auto), a czasami nasycenie jest niemal idealne (lampa błyskowa + żarówki - auto).

Szumy

Pomiarów poziomu szumów dla różnych czułości dokonaliśmy na podstawie zdjęć wzorcowej tablicy szarości Kodak Q-13. Wykres przedstawiony poniżej pokazuje wyniki pomiarów dla zdjęć zapisanych w formacie JPEG.

Na pierwszy rzut oka poziom szumu jest bardzo niski. W szczegółach nie jest już tak całkiem wesoło. Po pierwsze poziom szumu dla ISO 200 jest prawie taki sam jak dla ISO 100. Jest to tylko trochę podejrzane, ale dalej czyli dla ISO 400, 800 i 1600 nagle okazuje się, że poziom szumu we wszystkich składowych kolorów jest taki sam jak dla światła białego. Sugeruje to softwarową ingerencję w obraz czyli odszumianie.

Na szczęście mamy zdjęcia zapisane w formacie RAW. Wykres zmierzonego dla nich poziomu szumów zamieszczamy poniżej.

Wyszło szydło z worka. Rzeczywiście dla ISO 80 i ISO 100 poziom szumów na zdjęciach zapisanych w formacie RAW oraz na zdjęciach zapisanych w formacie JPEG jest mniej więcej taki sam. Dalej, wraz ze wzrostem czułości różnice stają się coraz większe. Dla ISO 1600 prawdziwy poziom szumów jest ponad dwukrotnie wyższy niż na zdjęciach zapisanych jako JPEGi.

Okazuje się, że G9 szumi całkiem sporo. Daleko mu pod tym względem do lustrzanek. Możemy natomiast stwierdzić, że poziom szumów nie jest wyższy niż u konkurencyjnego Nikona P5100. Być może jest nawet niższy, bo konkurent pozwala tylko na zapisanie zdjęć w formacie JPEG i nie daje pewności co do stopnia ich odszumiania.

Poniższa tabelka pokazuje w skali 1:1 fragmenty zdjęć z polami nr 4 oraz nr 12 tablicy Kodak Q-13 wykonanych dla różnych czułości ISO i zapisanych w formacie JPEG.

JPEG
ISO 80	ISO 100	ISO 200	ISO 400	ISO 800	ISO 1600

Następna tabelka pokazuje w skali 1:1 fragmenty zdjęć z polami nr 4 oraz nr 12 tablicy Kodak Q-13 wykonanych dla różnych czułości ISO i zapisanych w formacie RAW.

RAW
ISO 80	ISO 100	ISO 200	ISO 400	ISO 800	ISO 1600

Wpływ szumu na jakość uzyskiwanego obrazu można również ocenić na podstawie przedstawionych poniżej tabelek z wycinkami 1:1 ze zdjęć naszej scenki wykonanych z różnymi czułościami.

ISO 80
JPEG
RAW
ISO 100
JPEG
RAW
ISO 200
JPEG
RAW
ISO 400
JPEG
RAW
ISO 800
JPEG
RAW
ISO 1600
JPEG
RAW

Jak pokazują powyższe przykłady lekki wpływ szumu na jakość obrazu widać już przy ISO 400. Obraz uzyskany z czułością ISO 800 można jeszcze czasami zaakceptować. Zniekształcenia obrazu spowodowane szumami przy ISO 1600 są bardzo duże. Powyższa tabela pozwala dostrzec wpływ odszumiania na ilość szczegółów widocznych na JPEGach wykonanych przy dużych czułościach ISO. W tych przypadkach jest ono drugą po silnym wyostrzaniu przyczyną, dla której JPEGi z Canona G9 wyglądają nienaturalnie.

Zakres tonalny

Na podstawie zdjęć tablicy stopni szarości Stouffer 4110, które zapisane zostały w formacie RAW przebadaliśmy całkowity zakres tonalny (DR) dla wszystkich czułości. Zakres ten zdefiniowany jest jako odległość pomiędzy stopniem najjaśniejszym, a najciemniejszym, który daje się odróżnić od następnego. Dla czułości z zakresu od ISO 80 do ISO 800 mierzone przez nas wartości DR mieszczą się w granicach od 7.5 EV do 8.0 EV. Dla czułości ISO 1600 wartość DR spada minimalnie poniżej 6 EV.

Wykres przedstawiamy poniżej został sporządzony równocześnie dla zdjęć zapisanych w formacie JPEG oraz w formacie RAW. Tym razem podajemy zakresy dla których poziom szumu nie przekracza 0.1 EV - jakość wysoka oraz 0.25 EV - jakość dobra.

Zwracamy uwagę, że żaden fragment zdjęć wykonanych z czułością ISO 1600 nie może mieć wysokiej jakości, a co najwyżej dobrą. Znacznie większe zakresy zmierzone dla zdjęć zapisanych w formacie JPEG świadczą o tym, że zdjęcia te są odszumiane przez aparat.

Podsumowując możemy stwierdzić, że zakres tonalny Canona G9 nie odbiega specjalnie od normy dla aparatów kompaktowych.

W poniższej tabelce przedstawiamy paski szarości z tablicy Kodak Q-13, na których widać jak w praktyce wygląda wpływ zmiany czułości na zakres tonalny.

ISO	Tablica szarości
JPEG
80
100
200
400
800
1600
RAW
80
100
200
400
800
1600

Prąd ciemny

Sygnał odczytywany z matryc CCD to po prostu elektrony wybite z jej powierzchni przez padające światło czyli inaczej zwykły prąd elektryczny. Prąd ten ma bardzo niskie natężenie. Naturalny w przyrodzie szum powoduje, że przy zamianie tego prądu na sygnał cyfrowy mogłyby powstawać zliczenia ujemne. Dla uniknięcia tego zjawiska do prądu zmiennego dodawany jest prąd stały dający pewien poziom odniesienia.

Dla sprawdzenia poziomu odniesienia oraz szumów generowanych przez elektronikę Canona G9 wykonaliśmy dwie serie zdjęć bez dopływu światła, dla różnych czułości ISO. Za każdym razem zdjęcia zapisywane były jednocześnie w formacie RAW oraz jako JPEGi.

Pierwsza seria z czasem intergracji 1/2500 sekundy ma w przybliżeniu pokazać jaki jest minimalny poziom sygnału oraz szum jemu towarzyszący. Każde zdjęcie wykonane tym aparatem zawiera właśnie takie szumiące tło i do niego dopiero dodawany jest obraz pochodzący z obiektywu.

Druga seria wykonana została z maksymalnym dostępnym czasem integracji czyli 15 sekund. Standardowe oprogramowanie Canona G9 przy ekspozycjach dłuższych niż 1 sekunda automatycznie wykonuje kolejne zdjęcie bez dopływu światła, a następnie je odejmuje od zdjęcia właściwego. Zadaniem drugiej serii było pokazanie ile szumu pozostaje takim po odjęciu.

Poniższa tabela pokazuje średni poziom zliczeń wraz z odchyleniem standardowym dla uzyskanych obrazów prądu ciemnego. Dla ułatwienia jej interpretacji dodajmy, że 12-bitowy procesor obrazu w Canonie G9 daje maksymalny poziom sygnału równy 4095 zliczeń. Odchylenie standardowe jest miarą rozrzutu sygnału w różnych pikselach w stosunku do jego "prawdziwego" czy lepiej powiedzieć średniego poziomu. Jeżeli np. średni poziom sygnału wynosi 100, a odchylenie standardowe wynosi 10, to około 30% pikseli będzie zawierało sygnał na poziomie niższym niż 90 lub wyższym niż 110 zliczeń. Może się więc zdarzyć, że na zdjęciu bardzo gładkiej powierzchni będziemy mieli obok siebie punkty z sygnałem 85 i 115 zliczeń.

Jak pokazuje powyższa tabela poziom sygnału ciemnego utrzymuje się na mniej więcej stałym poziomie niezależnie od wybranej czułości. Dopiero przy ISO 1600 poziom ten gwałtownie rośnie. Wraz ze wzrostem czułości rośnie natomiast rozrzut zliczeń w różnych pikselach, który na zdjęciach widać jako wzrost ilości szumu. Odejmowanie obrazu ciemnego na długich ekspozycjach również spełnia swoje zadanie i wynikowy poziom jest niski. Większy jest natomiast rozrzut zliczeń. Tak jak nakazują prawa fizyki średni sygnał można łatwo odjąć, ale szum musi zostać. Całkowitego zakresu tonalnego również nie da się już odzyskać.

W tabeli poniżej umieściliśmy uzyskane w teście zdjęcia prądu ciemnego dla minimalnie krótkiego czasu integracji. Dla każdej czułości w pierwszym wierszu umieściliśmy dane ze zdjęć zapisanych w formacie CR2 (RAW), a w drugim dane ze zdjęć zapisanych przez aparat w fromacie JPEG. Zdjęcia w formacie RAW przedstawione zostały w taki sposób, że widać zakres sygnału od 0 do 511. Wszystkie piksele z sygnałem powyżej górnej granicy są więc białe. Takie skalowanie pozwala ocenić jednorodność rozkładu sygnału pochodzącego od prądu ciemnego na powierzchni detektora. W drugiej kolumnie pokazaliśmy wycinki z centrum uzyskanych zdjęć. W trzeciej kolumnie pokazane są histogramy sygnału. Dla zdjęć zapisanych w formacie RAW histogramy są w skali liniowej dla zakresu od 0 do 511, a dla zdjęć zapisanych w formacie JPEG sporządzone zostały w skali logarytmicznej dla zakresu od 0 do 255.

ISO	Obraz ciemny	Centrum (1:1)	Histogram
80 RAW
80 JPEG
100 RAW
100 JPEG
200 RAW
200 JPEG
400 RAW
400 JPEG
800 RAW
800 JPEG
1600 RAW
1600 JPEG

Wycinki w skali 1:1 ze zdjęć zapisanych w formacie RAW pokazują jak na skutek wzrostu ilości szumu bardzo gładki obraz uzyskany np. przy czułości ISO 100 zmienia się w "kaszkę" przy czułości ISO 800 podczas gdy prawie nie zmienił się poziom średni. Na zdjęciach zapisanych w formacie JPEG szumu nie widać, chociaż tam jest. Po odjęciu średniego poziomu i przeskalowaniu do zakresu do 0 do 255 szum znajduje się w "czarnej" strefie, gdzie nasze oczy go nie dostrzegają. Dowodem na to niech będzie przedstawiony poniżej negatyw ze zdjęcia centrum kadru przy czułości ISO 1600.

Przykład ten pokazuje, że pozornie zaniedbywalny szum ujawnia swoją obecność po dodaniu do niego sygnału rejestrowanego obrazu.