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 nastawionym w aparacie (a nie 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 7 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na wysokim poziomie. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Tu widzimy, że oprogramowanie przetwornika ADC zmienia jego charakterystykę w zależności od użytej czułości. Zastanawiający jest dość wyraźny skok pomiędzy ISO 200 a 400. Do tej kwestii jeszcze jednak powrócimy.

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 nastawionym w aparacie (a nie realnym) czułościom matrycy, a wyniki odwzorowują średnią wartość z wszystkich grup senseli.

Dla ISO 100 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada ponad 6 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 100 ke-. Biorąc pod uwagę rozmiar pojedynczego piksela z jakim mamy do czynienia w przypadku analizowanej matrycy, taka wartość wydaje się być nieco za wysoka. Jeśli natomiast weźmiemy wartość otrzymaną dla ISO 200, wówczas otrzymamy pojemność studni potencjału na poziomie 50 ke-, a taka wartość stanowi dobry i co ważne fizycznie bardziej uzasadniony wynik.

Czyżby zatem ISO 100 było programową czułością? Szczegółowe wyniki zdradzają pewien problem, na który zwróciliśmy uwagę kilka akapitów wcześniej. Postaramy się pokrótce wyjaśnić na czym on polega. Podczas obliczeń otrzymujemy wartości szumu przetwarzania wyrażone w jednostkach ADU ( Analog-Digiital conversion Unit). Owe wartości powinny rosnąć adekwatnie w miarę wzrostu czułości. I od ISO 400 w górę faktycznie tak jest. Przy ISO 200 napotykamy jednak problem. Szum przetwarzania (w ADU) powinien być dwukrotnie mniejszy niż przy ISO 400, a okazuje się być nieznacznie wyższy. Również wartość dla ISO 100 wychodzi inna niż należałoby oczekiwać. Mamy zatem pewne podejrzenia, że dla dwóch najniższych czułości może mieć miejsce dodatkowa kompensacja wartości na przetworniku ADC poprzez modyfikację wartości wzmocnienia jednostkowego.

Podsumowując, obliczenia poczynione na podstawie pomiarów sugerują, że najniższa realna czułość jest bliższa ISO 200 niż ISO 100. Należy mieć jednak świadomość, że w tej konkretnej kwestii nie mamy bezpośrednich dowodów. Nie sprawdzamy bowiem podczas testu fizycznie bezpośrednio samej matrycy i jej komponentów. Dane otrzymujemy w sposób pośredni na podstawie tego, co zostaje zapisane w plikach surowych.

Powracając jeszcze na chwilę do powyższego wykresu, łatwo z niego odczytamy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości ISO 733 (czyli nieco poniżej nastawy aparatu ISO 800). Przekroczenie tego progu powoduje, że za jakość obrazu 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. Trzeba uczciwie zaznaczyć, że nie jest to zbyt imponująca wartość. Przykładowo, niedawno przez nas testowany Olympus PEN-F miał tę wartość wynoszącą ISO 3595.

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, których wyniki prezentujemy na poniższym wykresie, wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

Dla ISO 100 liczba tonów sięga 430, co daje 8.8-bitowy zapis danych. Jest to niewątpliwie dobry wynik, który zagwarantuje otrzymanie wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Dla tej samej czułości poprzednik zanotował nieco niższy rezultat 381 tonów (8.6 bita). Canon M3 z wynikiem 300 (8.2 bita) również pozostaje w tyle. Fujifilm X-Pro2 dla najniższej natywnej czułości, czyli ISO 200 osiągnął 320 (8.3 bita). Wraz ze wzrostem czułości zakres tonalny oczywiście maleje i dla czułości ISO 25600 wynosi 5.2 bita, co przekłada się na zaledwie 36 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 1/3 EV.

ISO	Granica czerni i bieli
100
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.

Biorąc pod uwagę najlepszą jakość obrazu (kryterium SNR=10), A6300 dla ISO 100 notuje wartość dynamiki na poziomie 9.6 EV. Jest to niewątpliwie bardzo dobry wynik. Dla przykładu, poprzednik zanotował maksymalnie 8.2 EV, aczkolwiek ze względu na 12-bitowe RAW-y w A6000, bezpośrednie porównanie nie jest miarodajne. Warto jednak zauważyć, że A6300 ma przewagę nad X-Pro2 w tej kategorii. Bezlusterkowiec Fujifilm dla ISO 200 osiągnął bowiem rezultat 8.4 EV. Również Canon M3 nie ma szans w tym pojedynku, gdyż może pochwalić się najlepszym wynikiem sięgającym zaledwie 7.9 EV.

Maksymalne osiągi Sony A6300 dla pozostałych kryteriów są również na dobrym poziomie. Dla SNR=1 notuje 13.8 EV i tym samym efektywnie wykorzystuje możliwości 14-bitowego zapisu. Nie sposób jednak przegapić załamania pojawiającego się przy ISO 200. Jest to rezultat tego, o czym pisaliśmy wcześniej przy omawianiu współczynnika konwersji i wzmocnienia jednostkowego. Na powyższym wykresie załamanie pojawia się też powyżej ISO 6400. Tego jednak można się było jednak spodziewać po tym, co zaobserwowaliśmy w poprzednim rozdziale.

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. Dla przykładu, jeśli uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika osiąga wartość około 8.5 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonujemy przy czułości ISO 100 i 1600, przysłonie f/16 i czasach odpowiednio 30 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. Do porównania użyliśmy redakcyjnego aparatu Fujifilm X-E1. W jego przypadku ze względu na brak natywnego ISO 100, zdjęcie wykonaliśmy przy ISO 200, zachowując czas ekspozycji 30s i odpowiednio zmieniając przysłonę.

100 ISO
	0 EV	+4 EV
A6300
200 ISO
X-E1
1600 ISO
A6300
X-E1

Rozjaśnianie daje podobne efekty w przypadku obu aparatów. Można jednak zauważyć, że A6300 dla obu czułości wypada nieznacznie lepiej. W jego przypadku bowiem szum uwidocznił się w nieco mniejszym stopniu niż w X-E1.

W kategorii przyciemniania trudno wyłonić zwycięzcę. Wynikowe obrazy są podobne, a widoczne różnice wynikają raczej z nieco różnej jasności oryginalnych zdjęć.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
A6300
200 ISO
X-E1
1600 ISO
A6300
X-E1