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, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Wartości średnie znajdują się od ok. 1/3 do 1 i 1/3 EV poniżej nastaw. 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 realne wartości czułości wypadają poniżej ustawień aparatu (nawet o ponad 1 EV) i trzeba o tym pamiętać odczytując dane z wykresu. Innymi słowy pierwszy punkt na wykresie wypadający minimalnie poniżej ISO 100 odnosi się do ustawienia ISO 200 w aparacie. Wyrażenie wyniku w elektronach umożliwia śledzenie jakości przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Przebieg pokrywa zakres wartości od 3 do 51 elektronów (dla nastawy ISO 100), co oznacza, że dla niskich nastaw ISO elektronika generuje spory szum przetwarzania. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Być może jest to efekt zastosowania nietypowych przetworników ADC.

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 12 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 185 ke^–. Taki wynik można uznać za świetny. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 797 (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 6D Mark II liczba tonów dla ISO 100 sięga 454, co daje 8.7-bitowy zapis danych. Można to niewątpliwie uznać za dobry rezultat, który zapewni wizualnie gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Podobnie wypadł Sony A7 II (8.6 EV). Lepsze wyniki w tej kategorii zanotowały natomiast aparaty Nikona (D750 – 9.3 bita) oraz Pentaksa (K-1 – 8.9 bita). Zwiększanie czułości powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i w testowanym aparacie przy ISO 25600 mamy już tylko 5.4 bita, co przekłada się na 41 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
40000
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 6D Mark II notuje wynik dynamiki tonalnej na poziomie 8.2 EV. Biorąc pod uwagę 14-bitowy zapis RAW, wynik ten można uznać za zwyczajnie słaby. Pentax K-1 dla ISO 100 zanotował dla tego kryterium 9.7 EV, a Nikon D750 nawet 10.3 EV. Sony A7 II (testowany jeszcze na 12-bitowych RAW-ach) uzyskał 8.4 EV.

Także dla kryterium SNR=1 dynamika nie osiąga zbyt imponujących rezultatów, o czym świadczy zanotowana dla ISO 100 wartość 11.8 EV.

W testowanych ostatnio EOS-ach, dla niskich czułości (do ISO 200) zastosowano obniżony bias, o wartości 512 (zamiast 2048 jak dla pozostałych). Pozwoliło to na osiągnięcie lepszych wyników dynamiki tonalnej. W modelu 6D Mark II mamy jednak do czynienia z wysokim szumem przetwarzania, który skutecznie ogranicza osiągi w tej kategoii. Nie ma jednak dowodów na to, że modyfikowane są dane w RAW, być może jest to kwestia zastosowania nietypowych przetworników 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. Dla przykładu, jeśli uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika przekracza lekko 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. Dla porównania, zdjęcia w tych samych warunkach wykonaliśmy również Canonem 5D Mark III.

100 ISO
	0 EV	+4 EV
6D Mark II
5D Mark III
1600 ISO
6D Mark II
5D Mark III

Różnica w uzyskanych rezultatach rozjaśniania ciemnych partii obrazu nie jest może drastyczna, ale naszym zdaniem starszy EOS wypadł nieco lepiej. Wizualnie, na wycinkach z 6D Mark II poziom szumu jest wyższy, zarówno dla ISO 100, jak i 1600.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu wygląda lepiej w przypadku 6D Mark II. 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
6D Mark II
5D Mark III
1600 ISO
6D Mark II
5D Mark III