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.

Wykres wyraźnie pokazuje, że wszystkie czułości skalibrowane są poniżej wartości nominalnych. Wartości średnie ze wszystkich grup senseli są przesunięte o niespełna 1 EV. Takie zachowanie jest właściwie typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu.

Szum przetwarzania

Kolejnym pomiarem jest tzw. szum przetwarzania (ang. readout noise), czyli 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 na śledzenie jakości przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że szum przetwarzania rośnie na niskich czułościach i wypłaszcza się na wyższych. Ogólnie jednak wartości nie przekraczają 5 elektronów, co można uznać za niezły wynik, szczególnie zważywszy na rezultaty konkurentów.

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 ISO 100 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada aż 50 elektronów. Przy 10-bitowym zapisie danych daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 50 ke^–. Nie ma wątpliwości, że jest to dobry rezultat, ale biorąc pod uwagę rozmiar piksela na poziomie 1.25 μm wynik ten jest podejrzanie wysoki.

Warto też zauważyć, że wszystkie nastawy czułości charakteryzują się współczynnikiem konwersji wyższym od 1. To by oznaczało, że nawet wartość ISO 3200 (realnie wynosząca ok. 2016) jest uzyskiwana na drodze sprzętowej, a nie programowej.

Szum całkowity

Pomiar szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Poniżej prezentujemy uzyskane przez nas wyniki.

Do ISO 800 przebieg wykresu prezentuje się dobrze i wygląda na wykładniczy. Trzeba jednak zwrócić uwagę na to, że wzrost szumu jest dość powolny i na wyższych czułościach jego poziom jest niewysoki. Nie ma też wątpliwości, że przy ISO 3200 mamy do czynienia z odszumianiem. Spójrzmy teraz na porównanie składowej luminancji szumu dla P9 Plus, LG G5 oraz GALAXY S7.

Nie da się ukryć, że w tym zestawieniu P9 Plus prowadzi. Notuje on wyraźnie niższy szum niż Galaxy S7, ale widać też jego nieznaczną przewagę nad LG G5 na niższych czułościach, która dla wyższych ISO staje się coraz większa. Warto zaznaczyć, że w G5 mamy do czynienia z odszumianiem surowych plików, zatem przewaga P9 Plus w tym przypadku jest co najmniej zastanawiająca.

Przyjrzyjmy się teraz wycinkom zdjęć zapisanych w surowym formacie. RAW-y z P9 Plus wywołaliśmy programem dcraw i zapisaliśmy jako 24-bitowe TIFF-y. Podobnie jak w poprzednim rozdziale, porównania dokonujemy z LG G5 oraz Galaxy S7.

Trzeba przyznać, że surowe pliki z P9 Plus charakteryzują się dobrą jakością obrazu. W powyższym porównaniu Huawei wypada naprawdę korzystnie w stosunku do konkurentów, szczególnie na wyższych czułościach. Struktura szumu widoczna na zdjęciach wskazuje odszumiane RAW-ów, ale do ISO 800 szczegóły obrazu pozostają dobrze zachowane. To sugeruje, że albo pierwotny poziom szumu nie był wysoki, albo proces jego redukcji działa wyjątkowo efektywnie. Przy ISO 1600 widać, że detale obrazu ulegają większej degradacji, ale dopiero przy maksymalnej czułości obraz na RAW-ach wyraźnie się pogarsza..

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.

Z powyższego wykresu wynika, że dla najniższej czułości ISO 100 liczba tonów przekracza 300, czyli daje nam 8.3-bitowy zapis danych. To z pewnością bardzo dobry wynik dający gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Do ISO 800 włącznie, zakres sukcesywnie opada. Zachowanie rezultatów dla dwóch najwyższych czułości wskazuje na manipulacje danymi.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-13. Pomiarów dokonaliśmy 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 i bazowej czułości (ISO 100) notujemy dynamikę tonalną na poziomie 6.4 EV. Przy 10-bitowym przetwarzaniu wynik ten można uznać za całkiem niezły, jednak LG G5 w tej kategorii może się pochwalić rezultatem na poziomie 7.4 EV. Warto jednak zauważyć, że dla tego kryterium P9 Plus wypadł minimalnie lepiej niż Galaxy S7 (6.2 EV). Aż do nastawy ISO 800 dla SNR=1 dynamika w testowanym aparacie utrzymuje się w okolicy 10 EV. To wskazuje, że w matrycy jest potencjał na zastosowanie 12-bitowego przetwarzania danych. Trzeba jednak pamiętać, że to wymagałoby więcej mocy obliczeniowej, a tym samym większy pobór mocy i krótszy czas pracy urządzenia na jednym ładowaniu.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane na podstawie pomiarów wykonanych dla wszystkich czułości aparatu:

0 na osi OX oznacza maksymalną wartość, którą aparat może zapisać w pliku RAW. Na prawej osi OY oznaczyliśmy miejsca dla kryteriów SNR = 10, 4, 2 i 1. Przy pomocy tego wykresu każdy może oszacować dostępną dynamikę dla wybranej przez siebie minimalnej użytecznej jakości. 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 dla ISO 800, widzimy, że dynamika sięga 7 EV.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki (nie przekraczającym 3 minut), który w przypadku P9 Plus wynosi 30 s.

Zdjęcia wywołujemy programem dcraw do postaci czarno-białej bez demozaikowania. Uzyskane w ten sposób pliki TIFF konwertujemy do formatu GIF, dobierając zakres w taki sposób, aby najlepiej zobrazować generujący się na matrycy szum. Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 0 do 63. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 500 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800
1600
3200

Już z wcześniejszej analizy pomiarów i zdjęć wiemy, że RAW-y nie są na tyle surowe, na ile należałoby oczekiwać. Widać to również po kształcie histogramów oraz wyglądzie struktury szumu na wycinkach darków 1:1. Całościowo natomiast darki prezentują się dobrze. Niejednorodności w rozkładzie szumu są nieznaczne. Na najwyższych czułościach daje się jednak zauważyć minimalne oznaki bandingu.

Szum termiczny w plikach JPEG

Na koniec tego rozdziału, dla porządku prezentujemy jeszcze darki dla formatu JPG zapisanego przez aparat razem z plikami RAW użytymi w wyżej zaprezentowanej analizie.

JPEG
ISO	Dark Frame	Crop
50
100
200
400
800
1600
3200