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. Zachowanie takie, podobne do odnotowanego w teście modelu G7 X, wskazuje, że producent zastosował podobny sensor. Brak pozostawionego miejsca dla obróbki sygnału spowodowany jest dość wysokim progiem biasu, który dla tego aparatu wynosi 2048. Takie sterowanie czułością daje mniejsze pole do manipulacji danymi w jasnych partiach obrazu (odzyskiwanie przepalonych partii obrazu).

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, z tym że najwyższe wartości pomiaru notujemy dla 3 najniższych czułości – dla tych nastaw producent stosuje odmienne współczynniki wzmocnienia sygnału.

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 przypadaja niecałe 2 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 30 ke^–. Taki wynik należy uznać za typowy i porównywalny z tym, jaki uzyskaliśmy przy pomiarze matrycy zainstalowanej w aparacie Sony RX10. Wartość graniczna, dla której współczynnik wzmocnienia spada poniżej jedności, jest niepokojąco niska. Już wynik dla nastawy ISO 200 sugeruje, że jest ona wytworzona na drodze cyfrowej manipulacji danymi. W tym miejscu warto odnieść się do wyników aparatu canon G7 X, gdzie producent zastosował 12-bitowe przetwarzanie. Wprost widzimy, że wyniki obu aparatów różnią się o czynnik 4, czyli dokładnie o różnicę między 12 a 14 bitami.

Zastosowanie 14-bitowego przetwarzania przy tej samej pojemności studni potencjałów powinno skutkować jedynie dokładniejszym odwzorowaniem zmienności analogowego sygnału. I zapewne byłoby tak, gdyby nie znacząco obniżony współczynnik wzmocnienia. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 184, dla wyższych czułości powinniśmy obserwować charakterystykę grzebieniową histogramów. By to potwierdzić, przyjrzyjmy się kształtom histogramów dla czułości ISO 400 i 800 pozyskanych z obrazów zarejestrowanych bez dostępu światłą na najkrótszej dostępnej wartości migawki (w celu ograniczenia do minimum wpływu takich zjawisk, jak prąd ciemny). Dodatkowo prezentujemy wykres dla czułości ISO 400 aparatu G7 X.

Histogram szumu przetwarzania
Canon G7 X ISO 400	Canon G3 X ISO 400	Canon G3 X ISO 800

Widzimy wyraźnie, że histogramy nie są ciągłe, a odległości między poszczególnymi słupkami są podobne – to typowe zachowanie „grzebieniowe”. Z kronikarskiego obowiązku odnotowujemy, że odstępy między poszczególnymi słupkami wynoszą 4 jednostki.

Innymi słowy, wprowadzenie 14-bitowego przetwarzania w wypadku tego sensora skutkuje jedynie tworzeniem większych plików RAW.

Szum całkowity

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

Do kształtu wykresu nie możemy mieć żadnych zastrzeżeń. Szum narasta proporcjonalnie wraz z podnoszeniem czułości ISO. Wartość szumu dla najwyższej czułości (w wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu) i składowa luminancji dochodzą do poziomu 10%, co traktujemy jako wartość typową.

W celu lepszej oceny zachowania matrycy w stosunku do konkurencyjnych rozwiązań przygotowaliśmy porównanie, które prezentujemy poniżej.

Widzimy wyraźnie, że istnieje dysproporcja między Canonem G3 X a modelem G7 X na korzyść tego pierwszego. Wydawać by się mogło, że różnica 2 punktów procentowych przy ISO 3200 jest niewielka, a co za tym idzie, nie powinna być dostrzegalna. Z drugiej jednak strony łatwo zaobserwować dystans około 1 EV między obydwoma aparatami już od najniższych czułości. Warte odnotowania jest też inne spostrzeżenie. Otóż przedstawione aparaty grupują się w pary: Canon G3 X z Sony RX10, natomiast Canon G7 X z Panasonikiem FZ1000. To ciekawa wskazówka mogąca przydać się przy analizie pochodzenia matryc.

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.

W tym teście, gdy porównamy matrycę Canona z modelami Panasonic FZ1000 oraz Sony RX10, trudno dostrzec większe różnice poza mniejszą gęstością pikseli ostatniego. Oczywiście dysproporcje między modelem G3 X i Panasonic FZ1000 w ilości szumu są widoczne już od ISO 800, a wyraźna przewaga Canona ujawnia się powyżej ISO 1600. Takie zachowanie zgodne jest z tym, o czym pisaliśmy, porównując charakterystyki szumu powyżej. Co istotnej, nie widać dużej różnicy w ostrości próbek z różnych aparatów. To znak, że filtry antyaliasingowe są podobnej siły, a charakterystyki zdolności rozdzielczej obiektywów nie stanowią wąskiego gardła toru przetwarzania obrazu dla tych ustawień. To bardzo dobry znak, pozwalający świadomie porównywać zachowanie samych matryc. Przy najwyższej czułości dostrzegamy ciekawą strukturę szumu, która nie wygląda naturalnie i przywodzi na myśl podejrzenia o manipulację danymi.

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.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla najniższej czułości liczba tonów wynosi 223, czyli otrzymujemy prawie 8-bitowy zapis danych. To stosunkowo dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do bardzo niskiej wartości 4.6 bita, co stanowi 24 półtonów. Czułości powyżej ISO 1600 wykazują zatem stosunkowo słabe przetwarzanie odcieni, a przez to ich używalność jest mocno dwuznaczna.

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 zakresu tonalnego dla wysokiej, dobrej, średniej i niskiej jakości obrazu. Odpowiada to stosunkom sygnału do szumu na poziomie 10, 4, 2 i 1.

Wyniki powyżej 12 EV to najlepszy dowód na zastosowanie 14-bitowego przetwarzania. Niestety, wartość 12.5 EV, którą notujemy dla najniższej jakości zdjęć, nie daje dużo więcej pod względem obróbki sygnału. To kolejny dowód na niewłaściwe zastosowanie 14-bitowego przetwarzania. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, Canon G3 X osiąga wartości dynamiki tonalnej 7.5 EV przy najniższej czułości. Otrzymujemy więc stosunkowo dobry wynik, jednak nieco słabszy od tego, jaki uzyskał model G7 X.

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 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 7 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 125 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom 6 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 125
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 125
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki, czyli 30 s. Canon G3 X wymusza odejmowanie ciemnej klatki oraz nie pozwala na długie ekspozycje dla wysokich wartości ISO – w tym wypadku dostępny czas naświetlania wynosi jedynie 1 s.

Zdjęcia wywołujemy programem dcraw do postaci czarno-białej bez demozaikowania. 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 1400 do 2700. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 70 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Pamiętając o odejmowaniu ciemnej klatki oraz ograniczeniu długości ekspozycji, nie możemy powiedzieć nic ponad to, że darki nie wykazują silnych cech bandingu, gdyż resztki szumu dla wyższych czułości, wydają się być tworzące wzór obejmujący całą matrycę (widoczny najlepiej dla wysokich czułości). W konstrukcji przetwornika ADC producent wykorzystał stały sygnał dodawany w celu lepszego odseparowania szumu przetwarzania od użytecznego sygnału o wartości 2048. Liczbowo to wartość 4-krotnie większa od tej, jaka zastosowana była w G7 X. Gdy weźmiemy pod uwagę różnicę w liczbie bitów przetwarzanego słowa maszynowego, wynik pokaże, że poziom sygnału analogowego użytego do sumowania i tego z matrycy jest taki sam.

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
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.