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.

Z powyższego wykresu możemy odczytać, że wszystkie czułości (poza rozszerzonym ISO 50), przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Dla sporej części zakresu czułości wartości średnie znajdują się ok. 1 EV poniżej. 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.

Na początek warto zaznaczyć, że najwyższy punkt na wykresie (w okolicy 17 elektronów) to wynik uzyskany dla rozszerzonego ISO 50 i nie ma on fizycznego znaczenia. Ponieważ dla pozostałych czułości ich realne wartości wypadają poniżej ustawień aparatu (nawet o 1 EV), trzeba o tym pamiętać odczytując dane z wykresu. Innymi słowy pierwszy punkt na wykresie wypadający minimalnie poniżej ISO 50 odnosi się do ustawienia ISO 100 w aparacie. Wyrażenie wyniku w elektronach umożliwia śledzenie jakości przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od 2 do niemal 9 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na dobrym 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.

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 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada prawie 5 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 80 ke^–. Taki wynik można uznać za bardzo dobry. Wysoka pojemność studni pozwala na użycie niewielkich wzmocnień sygnału – dla ISO 100 to 4.85 e^–/ADU. Dzięki temu, jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 791 (czyli trochę poniżej nastawy aparatu ISO 1600). 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.

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.

W Canonie 5D Mark IV liczba tonów dla ISO 100 sięga 402, co daje 8.7-bitowy zapis danych. Można to niewątpliwie uznać za dobry rezultat, który zapewni wizualnie gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Pentax K-1 dla ISO 100 zanotował nieco wyższy wynik na poziomie 8.9 bita (478 tonów). Zwiększanie czułości powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i w testowanym aparacie przy ISO 25600 mamy już tylko 5.6 bita, co przekłada się na 48 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
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
32000
51200
102400

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.

Przy ISO 100 dla najlepszej jakości obrazu 5D Mark IV notuje wynik dynamiki tonalnej na poziomie 9.1 EV. Co ciekawe, dynamikę tej samej wartości obserwujemy dla ISO 200. Niewątpliwie rezultat ten można uznać za dobry, aczkolwiek do wyników konkurentów trochę jednak brakuje. Pentax K-1 dla ISO 100 zanotował dla tego kryterium 9.7 EV, a Nikon D810 dla ISO 64 nawet 10.2 EV.

Dla pozostałych kryteriów maksymalne osiągi testowanego EOS-a również utrzymują dobry poziom. Dla SNR=1 przy ISO 5D Mark IV osiąga 13.3 EV, zatem nie do końca efektywnie wykorzystuje on 14-bitowy zapis danych. Warto przypomnieć, że wspomniane wcześniej lustrzanki konkurencji dla najniższych czułości notowały przy tym kryterium niemal 14 EV. Należy jednak dodać, że wraz ze wzrostem czułości dynamika w przypadku Canona maleje wolniej niż ma to miejsce u konkurentów. Dlatego też powyżej ISO 400 można zauważyć przewagę nowego 5D w zasadzie dla każdego z kryteriów jakości obrazu.

Canon 5D Mark IV jest kolejną lustrzanką systemu EOS (po 80D i 1D X Mark II), w której zastosowano niższy bias (o wartości 512) na niskich czułościach (do ISO 200). Wcześniej wiele razy zwracaliśmy uwagę, że stosowanie biasu na poziomie 2048 zliczeń odbija się negatywnie na dynamice tonalnej i w zupełności wystarczyłaby wartość 2 lub 4 razy niższa. Po uzyskiwanych wynikach widać, że mieliśmy rację, a obniżenie biasu umożliwiło zanotowanie lepszych rezultatów. Warto jeszcze dodać, że naszym zdaniem obniżony bias można by zastosować w szerszym zakresie 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. Dla przykładu, jeśli uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika osiąga wartość niemal 9 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. Dla porównania, zdjęcia w tych samych warunkach wykonaliśmy również Canonem 5D Mark III.

100 ISO
	0 EV	+4 EV
5D Mark IV
5D Mark III
1600 ISO
5D Mark IV
5D Mark III

Nie da się ukryć, że dla ISO 100 przy rozjaśnianiu ciemnych partii obrazu nowy model poradził sobie zauważalnie lepiej niż poprzednik. Zastosowanie niższego biasu przynosi jak widać wymierne korzyści. Przy ISO 1600 natomiast sytuacja wygląda słabo w przypadku obu aparatów. Szum wyraźnie się uwydatnia i mocno utrudnia odzyskiwanie szczegółów obrazu.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu wygląda lepiej w przypadku 5D Mark IV. Wyjściowe zdjęcia różnią się jednak jasnością obrazu (mimo tych samych ustawień i warunków oświetleniowych), co wpływa niewątpliwie na efekt końcowy.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
5D Mark IV
5D Mark III
1600 ISO
5D Mark IV
5D Mark III