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 mocno poniżej wartości nominalnych. Takie zachowanie tłumaczy funkcja sterowania dynamiką, gdzie aparat obniża czułość, by lepiej przetworzyć partie jasne obrazu. Drugim powodem jest „zdegenerowanie” (szybciej osiągają stan pełnej saturacji) zielonych i niebieskich fotodiod w stosunku do senseli czerwonych. Takie zachowanie jest raczej niespotykane, pokazuje też, że jeśli nie jest to modyfikacja programowa, przy projektowaniu wafla krzemowego konstruktorzy zastosowali pewne specjalne rozwiązania. Więcej światła na ten aspekt mogłaby rzucić analiza przekroju struktury krzemowej.

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, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na wysokim 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 czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypadają niewiele ponad 4 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 65 ke-. Taki wynik należy uznać za stosunkowo wysoki, pamiętajmy jednak, że do czynienia mamy z nieprzeładowaną pikselami matrycą o rozmiarze APS-C.

Manipulowanie wzmocnieniem sygnału oraz niższe realne czułości ISO prowadzą do sytuacji, że podnoszenie czułości stosunkowo szybko pozbawia nas realnej informacji o parametrach zarejestrowanego oświetlenia. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 288 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 800). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej, w związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania takiej obróbki w aparacie.

Szum całkowity

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

W poprzednim rozdziale analizowaliśmy zachowanie czułości wyższych od ISO 6400. Okazuje się, że aparat X100T nie pozwala na użycie czułości wyższych niż ISO 6400, gdy zapisujemy zdjęcia w formacie RAW. Chociaż do wykresów nie można mieć zastrzeżeń, warto zwrócić uwagę na poziom szumu. Składowa luminancji nawet dla najwyższej czułości nie osiąga wartości większej niż 2% dla zapisu 24-bitowego.

Szum wzrasta równomiernie ze wzrostem czułości ISO. Krzywa dla składowej niebieskiej notująca wyższe wyniki ukazuje słabszą wydajność kwantową krzemu w tych pasmach widma – co jest fizycznym zachowaniem. Całkowita wartość szumu jest stosunkowo niska i w porównaniu z takim konstrukcjami jak Nikon A czy Sony RX1, Fuji X100T nie ma się czego wstydzić. To dobry znak. Tak jak i przy analizie plików JPEG, widzimy przegięcie w okolicach ISO 1600. Oznacza ono kres możliwości wzmacniacza w przetworniku ADC, co też potwierdziliśmy w poprzednich analizach tego rozdziału.

Aby ukazać, 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.

Inna ogólna jasność obrazów z aparatu Fuji X100T jest spowodowana sposobem zapisu danych RAW, pokazanych już w pierwszych paragrafach tego rozdziału, a nie korygowanych podczas demozaikowania przy użyciu programu dcraw. Gdy spojrzymy na wycinki przez pryzmat jakości obrazu, dopiero przy ISO 1600 dostrzegamy delikatne zakłócenia, szum jednak nie zmienia postrzegania detali. Wyższe czułości także wyglądają stosunkowo dobrze, jedynie dla ISO 6400 ilość widocznego szumu jest zdecydowanie większa. Pod tym względem ponownie widać wyższość X100T nad modelami Nikon A czy Ricoh GR. Struktura szumu opisywanego Fuji jest drobnoziarnista i wydaje się łatwa do usunięcia w obróbce, co może też tłumaczyć tak dobrą jakość zdjęć w formacie JPEG. To duża różnica w stosunku do X100s, gdzie narzekaliśmy na plackowatą charakterystykę szumu. Musimy jednak pamiętać o zmianie algorytmu demozaikowania, co może wpływać na postrzeganie z uwagi na użycie filtru medianowego, a więc delikatnego rozmywania, by pozbyć się niepożądanych artefaktów.

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 najniższej czułości dostępnej w trybie RAW wartość zakresu tonalnego wynosi 8.2 bitów, czyli 294 odcieni. To całkiem rozsądny wynik gwarantujący gładkie przejścia kolorystyczne. Ważne też, że wraz ze wzrostem czułości ISO dostępna paleta tonów ulega osłabianiu tak, że dla ISO 3200 oraz ISO 6400 dostępny mamy 7-bitowy zapis (czyli 128 przejść tonalnych) na składową, co dla przestrzeni koloru RGB możemy interpretować jako 21-bitowy kolor.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-13. Pomiarów wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania. Na wykresie przedstawiamy wartości dynamiki tonalnej dla wysokiej, dobrej, średniej i niskiej jakości obrazu. Odpowiada to stosunkom sygnału do szumu na poziomie 10, 4, 2 i 1.

Od razu zauważamy wartości dynamiki proporcjonalnie zmniejszające się wraz ze wzrostem czułości jedynie do wartości ISO 1600. Powyżej niej następuje manipulowanie poziomem szumu przetwarzania. Dla najlepszej jakości obrazu matryca notuje wynik w okolicach 9.2 EV. Taki osiąg plasuje aparat w kategorii wysokiej i daje nadzieję na doskonałą jakość obrazu. Gdy zdecydujemy się na najniższą jakość, do dyspozycji mamy 13.8 bitów danych – kolejny plus, szczególnie istotny dla osób lubujących się w forsownej obróbce plików RAW.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane 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 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 8.5 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaką oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej z czasem 30 s i 2 s przy czułości odpowiednio ISO 200 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom 5.7 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 200
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 200
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny na całej powierzchni kadru. Producent zastosował dodawany do wejścia przetwornika ADC sygnał stały, który w postaci cyfrowej ma wartość 1024. Z jednej strony to ukłon w kierunku użytkowników zainteresowanych zaawansowanym odszumianiem materiału i programów dających takie możliwości. Z drugiej jednak nawet dla największej czułości dystrybuanta rozkładu jest stosunkowo niewielka (maksymalne odchylenie standardowe równe jest 16.4); trudno ocenić, czym kierował się producent, stosując tak silny sygnał bias. Pamiętając jednak wyniki wcześniejszych testów, uznajemy, że tak przygotowane dane były niezbędne dla dalszej ich obróbki. Nierównomierność histogramów nawet dla najniższej czułość, przy braku odejmowania ciemnej klatki jest niefizyczna, co stanowi dowód modyfikacji danych z matrycy. Wszystkie histogramy są narysowane w tym samym zakresie na osiach OX i OY, a jednak ich wysokość w maksimum nie zmienia się wraz ze wzrostem czułości.

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.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.