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. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Możemy zaobserwować, że czułość ISO 100 jest wytwarzana sztucznie.

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 śledzić jakość przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od 2 do 4 elektronów dla większości zmierzonych czułości – wyjątkiem są jedynie czułości poniżej ISO 200, ale wyniki dla tych punktów mogą być zakłamane przez dodatkową obróbkę sygnału, jaką wykonuje aparat.

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 fizycznej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada niecałe 8 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku i ograniczeniu poziomem saturacji daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 30 ke–. Taki wynik należy uznać za całkiem spory jak na tak gęstą matrycę. Przypomnijmy, że matryca Sony RX100 III z uwagi na większe zagęszczenie diod ma dużo mniejszą pojemność.

Taka pojemność studni potencjałów oznacza, że podnosząc czułość aparatu, szybko będziemy pozbawieni realnej informacji o parametrach zarejestrowanego oświetlenia. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 1260 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 3200). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej (na jedną jednostkę kwantyzacji przypada „ułamek” niepodzielnego fotonu), w związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania takiej obróbki w aparacie. Dokładnie takie same wyniki uzyskamy, fotografując na niższej czułości i w komputerze odpowiednio zwiększając ekspozycję. Innymi słowy, czułości wyższe od nastawy ISO 1600 są użyteczne jedynie dla tych użytkowników, którzy nie poddają zdjęć komputerowej obróbce.

Szum całkowity

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

Do powyższych wykresów nie mamy większych zastrzeżeń. Wartość szumu zwiększa się równomiernie wraz z podnoszeniem wartości czułości ISO. Spostrzegawczy czytelnik zapewne dostrzeże, że powyżej ISO 1600 zaobserwować możemy pewne załamanie krzywych. To znak manipulowania przy danych z matrycy. Warto zwrócić też uwagę na opis osi OY – nawet dla najwyższej czułości szum luminancji dla 48-bitowego formatu zapisu wynosi 9% – to bardzo niska wartość pokazująca, że do czynienia mamy z matrycą, która może śmiało konkurować z większością konstrukcji lustrzankowych. Nie jest to dziwne, jako że do czynienia mamy z nieprzeładowaną megapikselami matrycą formatu 4/3.

Aby pokazać, 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.

By porównać uzyskane próbki z innymi aparatami, należy wybrać z rozwijanych list odpowiednie modele oraz zaznaczyć czułość, dla której mają być podane wyniki. W efekcie poniższa tabelka zostanie zaktualizowana nowymi wycinkami scenki testowej.

Widoczny szum pojawia się dopiero od czułości ISO 1600, jego struktura jest na tyle drobnoziarnista, że nie przeszkadza w odbiorze. Co ciekawe, kolejna czułość – ISO 3200, jest już dość znacznie naznaczona szumem. Przekroczenie progu ISO 6400 uwidacznia coraz więcej kolorowej „kaszki”. Choć dla ISO 25600 szczegóły wydają się zachowane, jak widzieliśmy w poprzednich porównaniach, proces odszumiania oferowany przez oprogramowanie aparatu dość mocno degraduje jakość obrazu. Osobom zainteresowanym tą czułością zdecydowanie polecamy pracę na plikach surowych. Porównanie do Canona G1 X Mark II oraz Sony RX100 III może prowadzić tylko do jednego wniosku: patrząc z perspektywy pojedynczego piksela, szum pomiędzy tymi aparatami jest porównywalny. To co jednak warto dodać, to lepsze zachowanie LX100 pod względem ilości szczegółów. Na czułościach ISO 3200 i wyższych LX100 pokazuje wyraźnie lepszą realną rozdzielczość niż jego bezpośredni konkurenci.

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.

Dla ISO 100 liczba tonów wynosi 321, czyli dostajemy 8.3-bitowy zapis danych. To bardzo dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez mocno widocznej posteryzacji. Gdy porównamy go do osiągów Canona G1 X Mark II, okaże się, że Panasonic zyskuje lepszy wynik. Zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego aż do wartości 4.3-bitowego zapisu dla ISO 12800.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną 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.

Przedstawiony wykres pokazuje, że do ISO 400 przetwornik ADC pracuje w optymalnym zakresie. Dalsze zwiększanie czułości powoduje naturalny spadek dynamiki. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, aparat LX100 osiąga wartości dynamiki tonalnej 8.1 EV przy najniższej czułości. Jest to stosunkowo dobry wynik. Gdy akceptujemy niższe progi jakości, okazuje się, że przy wykorzystaniu najniższej dostępnej czułości dysponujemy całym zakresem pracy 12-bitowego przetwornika.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowanie na podstawie wykonanych pomiarów 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 1600, widzimy, że dynamika sięga wartości 8 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 5 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 200
ISO 1600

Musimy uznać, że test rozjaśniania ciemnych partii wygląda bardzo słabo. Prąd ciemny i szum termiczny jest stosunkowo spory, co może świadczyć o problemach z odprowadzaniem ciepła z tak dużej matrycy, którą umieszczono w stosunkowo małej obudowie.

	0 EV	−4 EV
ISO 200
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Pod tym względem nie można mieć do LX100 żadnych zastrzeżeń. Należy zwrócić uwagę na widoczne manipulowanie danymi z matrycy. Miniatury darków stają się coraz ciemniejsze, a wykresy histogramów przesuwają się w lewo. Pamiętajmy, że oś pozioma jest stała i pokrywa zakres wartości od 0 do 300. W kształcie histogramów charakterystyczne jest odcięcie sygnału na poziomie 200 – choć takie zachowanie możemy zaobserwować dla wszystkich czułości, jedynie dla najwyższej czułości jest bardzo dobrze widoczne. Wykresy pokazują, że liczenie odchylenia standardowego nie jest wiarygodne. W tej kategorii testowej aparat LX100 rozczarowuje.

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. Tutaj też trudno o zachwyty. Szczególnie nie podoba nam się jasna plama w środku kadru akcentująca swoją obecność wyraźnie na czułościach ISO 1600–6400.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.