Producent aparatu Sony RX100 zdecydował się na użycie matrycy o rozmiarze 1 cala i rozdzielczości 20 Mpix. Takie parametry zadziwiają: z jednej strony dostajemy matrycę o sporym rozmiarze w porównaniu do innych produktów tego segmentu, z drugiej strony stosunkowo duża liczba pikseli każe zapomnieć o potencjalnym zysku wynikającym z ich powierzchni – pojedynczy sensel ma rozmiar 2.3 µm. To niewiele więcej od tego, co oferują matryce o wielkości 1/1.7 cala i rozdzielczości 10 MPix.

Przypomnijmy, że matryce o tym samym rozmiarze co u Sony, zostały też zastosowane w bezlusterkowcach firmy Nikon, jednak oferują one rozdzielczość 10 Mpix.

----- R E K L A M A -----

Szumy

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

W przedstawionych wykresach nie widać nic niepokojącego. Szum rośnie liniowo, przez co nie widać ingerencji w dane w celu jego minimalizowania. To na co warto zwrócić uwagę, to sama wartość odnotowanego szumu dla wyższych czułości. Przypomnimy sobie jak wyglądał wykres dla plików JPEG – tam szum nie przekraczał poziomu 2%. W przypadku plików RAW dochodzi on nawet do 16%.

Ciekawie może wyglądać porównanie szumu kanału luminacji między aparatami Sony RX100, Canonem G1 X oraz Nikonem V1 wyliczone dla formatu 24-bitowego.

Jak widać, matryce Nikona i Canona szumią podobnie, natomiast matryca użyta w Sony notuje około dwa razy gorsze wyniki.

Szybkie przeliczenie wielkości pojedynczego sensela tych aparatów daje następujące wyniki:

• Sony RX100 – matryca 1", 20 MPix = 2.3 µm;
• Nikon V1 – matryca 1", 12 MPix = 3,1 µm;
• Canon G1 X – matryca 1.5", 14 MPix = 4.3 µm.

Mimo że sensel w Nikonie jest mniejszy, a przez to zbiera mniej światła, jego szum jest porównywalny z matrycą z Canona. Z drugiej strony mamy matrycę Sony, gdzie sensel jest mniejszy w porównaniu do matrycy Nikona, w związku z czym dociera do niego odpowiednio mniej światła. Szum jednak w całym zakresie ISO jest dwa razy większy od matryc Nikona i Canona. Patrząc na powyższy wykres, możemy odnieść wrażenie, że matryca w Sony notowałaby lepsze wyniki, gdyby konstruktorzy zdecydowali się na mniejsze zagęszczenie pikseli, co poskutkowałoby zwiększeniem stosunku sygnału do szumu.

Aby zobrazować, jak wartości wyznaczonego szumu przekładają się na obraz, prócz wykresów prezentujemy tabelkę z fragmentami zdjęć (w skali 1:1) pól nr 3 oraz nr 11 tablicy Kodak Q-14. W pierwszej tabelce znajdują się fotografie w formacie JPEG, w drugiej natomiast – w formacie RAW.

ISO 80
RX100
ISO 100
G1X
RX100
V1
ISO 125
RX100
ISO 200
G1X
RX100
V1
ISO 400
G1X
RX100
V1
ISO 800
G1X
RX100
V1
ISO 1600
G1X
RX100
V1
ISO 3200
G1X
RX100
V1
ISO 6400
G1X
RX100
V1
ISO 12800
G1X

Na przedstawionych wycinkach widzimy to, co już wcześniej pokazały wykresy. W RX100 szum widać już przy najniższej czułości, podczas gdy konkurencyjne aparaty radzą sobie nieźle aż do ISO 800. Dla tej czułości szum z matrycy V1 może dla niektórych być już zauważalny, podczas gdy szum na zdjęciach z G1 X aż do ISO 1600 jest na tyle drobny, że można zrezygnować z odszumiania. Pamiętajmy jednak, że G1 X posiada stosunkowo dużą matrycę przy rozsądnej gęstości pikseli (1.5" i 14 Mpix) – z tego punktu widzenia może wypadać lepiej, ale przecież trudno porównywać aparat Sony do słabszych modeli o matrycy wielkości 1/1.7" czy 1/2.3". W całym zakresie wartości szum Sony RX100 utrzymuje się ok. 2 EV za matrycami Nikona i Canona. Można śmiało powiedzieć, że szum z matrycy Sony dla ISO 400 jest porównywalny z ISO 1600 G1 X i V1. Struktura szumu RX100 jest też inna od konkurencji – dominuje kanał niebieski, dając wyraźne chromatyczne placki (szczególnie przy wyższych czułościach).

Jeśli docelowe fotografie będą niewielkich rozmiarów (np. 8 czy 12 Mpix), zadowolą użytkownika, jako że zmniejszanie rozmiaru łączy się z interopolowaniem danych, a co za tym idzie, uśrednianiem szumu, który to – jako wartość przypadkowa – szybko się rozprasza. Mniejszy szum oznacza także wyższą dynamikę. Rozdzielczość 12 Mpix wystarcza w zupełności, by wykonać wydruk A0 przy gęstości druku 90 dpi – to odpowiednia wartość przy standardowej odległości patrzenia.

Poniżej przedstawiamy porównanie wycinków dla wyższych czułości wykonane przy zmniejszeniu plików z RX100 w taki sposób by odpowiadały rozmiarem plikom z G1 X.

ISO 1600
G1X
RX100 14 MPix
RX100
ISO 3200
G1X
RX100 14 MPix
RX100
ISO 6400
G1X
RX100 14 MPix
RX100

Patrząc na pokazane wycinki, powinniśmy ponownie wrócić do wykresów szumu w plikach JPEG oraz fragmentów prezentujących odszumianie i wyostrzanie. Programistom Sony należą się brawa za tak dobre oprogramowanie wywoływarki: z jednej strony niweluje wady obiektywu, a z drugiej – niedomagania matrycy, serwując nam obraz o dobrej jakości. Gdy przypomnimy sobie, że jeszcze jakiś czas temu algorytmy używane przez producenta do tworzenia plików JPEG odbiegały (i to mocno) od oferty konkurencji, z tym większym uznaniem będziemy patrzeć na model RX100.

Na zakończenie warto wspomnieć o innych wywoływarkach plików RAW, w szczególności tych, które nie bazują na programie dcraw czy bibliotek z tej aplikacji się wywodzących. Okazuje się, że wbudowane w nie algorytmy nie tylko korygują dystorsję, ale i wstępnie odszumiają i wyostrzają, dostarczając materiał do dalszej edycji niewiele ustępujący innym modelom aparatów tej klasy. Dla użytkownika Sony RX100 to dobra wiadomość, dla osób badających zachowanie poszczególnych jego elementów – nie, ponieważ utrudnia zebranie informacji o własnościach aparatów.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną matrycy wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-13. 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.

W zakresie czułości 400–3200 ISO dynamika spada liniowo w naturalny sposób, to znaczy każde zwiększenie czułości o 1 EV pozbawia nas 1 EV dynamiki. Przy niższych wartościach tendencja ta jest zakłócona przez stosowanie 12-bitowego przetwarzania, które ogranicza sygnał. Najwyższa czułość nie zachowuje się liniowo – to znak, że dane dla tej czułości są dodatkowo modyfikowane. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, aparat RX100 osiąga wartości bliskie 7,5 EV przy najniższej czułości. Jest to o 1 EV więcej niż w wypadku Canona G1 X. Trzeba też dodać, że dla najwyższych czułości dynamika utrzymuje się na poziomie 3 EV – to znakomity wynik. W całym zakresie czułości Sony notuje wyraźnie lepsze wyniki od Nikona V1, który to przy tym samym rozmiarze matrycy posiada dwa razy mniej pikseli.

Przy akceptowaniu niższych progów jakości okazuje się, że do dyspozycji mamy cały zakres pracy 12-bitowego przetwornika. Trzeba przyznać, że to bardzo dobry wynik.

Przestrzegamy jednak czytelników przed nadmiernym optymizmem. Dlaczego? Powód tej sugestii opisujemy w podrozdziale dotyczącym analizy prądu ciemnego.

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

Punkt 0 na osi OX oznacza maksymalną wartość, którą aparat może zapisać w pliku RAW. Na prawej osi OY oznaczyliśmy miejsca dla kryteriów RMS = 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 1600, widzimy, że dynamika sięga wartości 6.5 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaki oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej z czasem 30 s i 2 s przy czułości odpowiednio ISO 100 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom 4 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 100
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW. Wywołujemy je programem dcraw do postaci czarno-białej bez interpolacji. 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 512. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 250 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
80
100
200
400
800
1600
3200
6400

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Pod tym względem nie można mieć do RX100 żadnych zastrzeżeń. Brak jednak charakterystycznego dla szumu kształtu przypominającego gaussowski dzwon.

Warte odnotowania jest jedynie zachowanie, szczególnie dla wyższych czułości, które przy długich ekspozycjach narażone są na rejestrowanie szumu termicznego powodowanego nagrzewaniem matrycy przez inne komponenty elektroniki. Poniżej przedstawiamy zdjęcie wykonane bez dostępu światła na czułości ISO 6400 i czasie migawki równym 2 minuty.

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

ISO	średni poziom sygnału	odchylenie standardowe
80	200.223	0.590
100	200.367	0.786
200	200.262	0.797
400	200.596	1.597
800	201.079	3.088
1600	202.084	5.994
3200	204.050	10.875
6400	208.148	20.957

Przede wszystkim rzuca się w oczy zastosowane przez producenta odcięcie sygnału dla wartości mniejszych od 200. Nie jest to typowy bias (czyli składowa stała, dodawana w celu utrzymywania niezerowej wartości, gdzie przypadkowy szum rozłożony jest równo po obu stronach wartości bias, tworząc histogramy o kształcie przypominającym gaussowki dzwon), więc dzięki niemu nie poznamy charakterystyki szumu. W RX100 wartości mniejsze od użytego biasu są zamieniane na wartość równą temu biasowi – a w efekcie zamaskowane i niewidoczne dla wszystkich czułości. Powoduje to, że na wykresach nie widać szumu, a jego istnienia możemy się jedynie domyślać. W efekcie po odjęciu tego sztucznego „biasu”, czyli de facto pustego obszaru na histogramie, otrzymujemy dane, które nie wykazują cech mocnego zaszumienia aż do czułości ISO 800. I tu należy wrócić do wykresów dynamiki tonalnej i jej definicji jako stosunku możliwej najjaśniejszej do zarejestrowania wartości (ale nie przepalenia) do wartości minimalnej (ale pozbawionej szumu). Dla uproszczenia dalszych kalkulacji przyjmijmy wartość maksymalną równą 4096 oraz szum na poziomie 1:

SNR = 4096 / 1 = 4096, czyli 12 EV.

Teraz obliczmy dynamikę dla poziomu szumu równego 256:

SNR = 4096 / 256 = 16, czyli 4 EV.

Kolejne przeliczenie wykonamy przy zamaskowaniu szumu biasem o wartości 200:

SNR = (4096 – 200) / (256 – 200) = 3896 / 56 = 69,6, czyli 6 EV.

Co jednak stanie się, gdy szum wychodzi minimalnie poza zdefiniowaną maskę sygnału?

SNR = (4096 – 200) / (202 – 200) = 3896 / 2 = 1948, czyli 11 EV!

I oto mamy odpowiedź na wyjątkowo wysokie wyniki w pomiarze dynamiki tonalnej.
Pamiętajmy jednak, że oba zakresy są takie same, tj. 4096 – 256 = 3840 oraz 3896 – 56 = 3840. Uzyskany materiał jest identyczny i wykazuje zbliżoną podatność na dalszą obróbkę w komputerze.

Postanowiliśmy sprawdzić, jak wyglądałyby wartości dynamiki przy założeniu, że szum nie jest maskowany. By tego dokonać, trzeba najpierw oszacować wartość szumu dla wszystkich czułości. Szum dla najwyższej czułości możemy uznać za wartość naturalną, rzeczywistą. Wraz ze zwiększeniem czułości szum jest wzmacniany dwukrotnie, więc by wyznaczyć wartości dla poszczególnych stopni ISO z zakresu 100 – 3200, wystarczy iteracyjnie dzielić początkową wartość przez 2. W ten sposób możemy teoretycznie określić poziom szumu dla każdej z czułości. Wykres poniżej przedstawia wyliczoną dynamikę matrycy dla tak zasymulowanych wartości szumu.

Powyższe rozważania skłoniły nas do dokładniejszego przyjrzenia się plikom RAW tworzonym przez aparat RX100. Zamieszczony wykres prezentuje sposób zapisu danych w plikach i proces ich odkodowywania do zakresu wyjściowego.

Przerywana linia oznacza brak jakiejkolwiek modyfikacji danych – czyli na wyjściu otrzymujemy wartość z przetwornika ADC. Czerwonym kolorem oznaczono kompresowanie sygnału realizowane w plikach ARW2 z uwzględnieniem specyficznej krzywej tonalnej dla modelu RX100 (zapisaną w pliku RAW).

Jak łatwo zaobserwować, wyjściowy zakres 200–4095 (oś OY) wytwarzany jest z danych zawierających się w przedziale ok. 400–2000 (oś OX). Krzywa dobrana jest w taki sposób, by w miarę dokładnie zachować wartości w cieniach, podczas gdy dla jasnych partii obrazu następuje redukcja rozdzielczości sygnału. Widać wyraźnie, że zastosowany tu algorytm powoduje stratną kompresję.