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.

Wszystkie wartości są poniżej nominalnych dla każdej z grup kolorów. Średnia wartość ISO dla zakresu 200–12800 leży około 1 EV poniżej wartości idealnych. Takie podejście zapewnia odpowiedni margines na manipulację danymi lub zabezpieczenie przed przepaleniem 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.

Widzimy, że przebieg dla większości punktów znajduje się w okolicach wartości od 2 elektronów. Najwyższe wartości pomiaru notujemy dla najniższych czułości (poza czułością rozszerzoną ISO 50) – 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 przypada 7 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 100 ke-. Pamiętajmy, że przy rozdzielczości 42 Mpix wielkość pojedynczej fotodiody możemy przyjąć jako 4.5 µm. To dwa razy więcej od wielkości sensela w 1-calowych matrycach o rozdzielczości 20 Mpix. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 466, co odpowiada nastawie ISO 1600. Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane w torze cyfrowej obróbki sygnału, w związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania tej obróbki w aparacie.

Każde zwiększenie nastawy ISO w tych samych warunkach oświetleniowych powinno skutkować skróceniem czasu naświetlania lub domknięciem przysłony. Ponieważ na matrycę w takim wypadku trafia dwa razy mniej fotonów, zależność między współczynnikiem konwersji a czułością powinna być liniowa. Innymi słowy, po podzieleniu wzmocnienia przez czułość powinniśmy dostać stałą wartość.

Powyższy wykres przedstawia te same dane co poprzednio, jedynie dokonana została transformacja zgodnie z opisem powyżej. Wykres ten przedstawia tzw. współczynnik jednostkowy, czyli unikalny, charakteryzujący każdą matrycę parametr. Widzimy wyraźnie, że dla tej matrycy i procesora obrazowego wynosi on 4. Łatwo też dostrzec, że dla czułości wyższych od 12800 oraz ISO 50 producent stosuje inną wartość. W zakresie ISO 200–12800 widzimy zatem prawidłowe, fizyczne zachowanie.

Szum całkowity

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

W przeciwieństwie do analizy plików JPEG, w wypadku plików RAW zauważamy dość znaczny szum dla składowych niebieskiej i czerwonej – co jest zachowaniem fizycznym, jako że dla tych części widma matryce krzemowe wykazują najsłabszą efektywność kwantową. Możemy dopatrzyć się delikatnej modyfikacji danych dla czułości ISO 3200 oraz ISO 6400, gdzie wprost widzimy załamanie wykresu. Wyższe czułości trudno uznać za niemodyfikowane, choć pamiętajmy, że są one wytwarzane na drodze programowej. Dla wysokich czułości różnice w składowych luminancji i chrominancji są prawie dwukrotne – to znak, że wizualnie obraz jest mocno skażony kolorowym ziarnem.

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.

Poziom odtworzenia detali na zdjęciach ze wszystkich zestawionych powyżej aparatów jest doskonały, a palmę pierwszeństwa przyznać musimy modelowi EOS 5Ds R. Niskie wartości ISO nie wykazują zaszumienia, a większa ostrość detalu poprawia odbiór zdjęcia. Pierwsze wyraźne oznaki szumu dostrzegamy przy ustawieniu czułości na wartość ISO 1600, jego poziom jednak nie przeszkadza w percepcji obrazu. Wzrost poziomu zakłóceń zauważamy od nastawy ISO 6400, nadal jednak szum wydaje się prosty w usunięciu. Wysokie czułości, wytwarzane na drodze programowej charakteryzują się tak silnym poziomem zakłóceń, że mocno tracimy na detalu, a przebarwienia stają się coraz bardziej skomplikowane. Nie powinno też dziwić porównanie do RX1R – nowy RX1R II generuje zdjęcie o wyższym poziomie szumu w całym zakresie czułości.

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 dwóch najniższych czułości wyniki są tożsame. Najwyższy zanotowany poziom – prawie 9 bitów (wartość dziesiętna 460) jest warty uznania za doskonały. Gwarantuje on naprawdę dobre oddanie przejść tonalnych. Świetną jakość obrazu de facto uzyskamy aż do czułości ISO 1600, gdzie jej wartość spada do około 150 tonów, czyli otrzymujemy nieco ponad 7-bitowy zapis informacji. Dalsze zwiększanie czułości powoduje równomierne zmniejszanie się wartości wyników, aż do uzyskania niecałych 20 tonów, czyli 12-bitowego zapisu koloru.

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.

Przy najniższej natywnej czułości (ISO 100) i dla najlepszej jakości obrazu RX1R II notuje wartość dynamiki tonalnej na poziomie ponad 10 EV. Gdy zwiększymy czułość ISO, wartości dynamiki dla najlepszej jakości obrazu zaczynają się proporcjonalnie zmniejszać. Widać też wyraźnie, że powyżej czułości ISO 400 krzywa zmienia swój kształt, co może prowadzić do wniosków o programowej ingerencji w surowe pliki. Godne pochwały są też wyniki dla najniższej jakości obrazu, które sięgają aż 14 EV, co możliwe jest dzięki zastosowaniu przez producenta 14-bitowych 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 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 9 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 100 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 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 1300. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 500 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, szum jest jednorodny aż do poziomu ISO 3200, gdzie lekko zauważalna zaczyna być nierównomierność. Zastosowany w aparacie dodatkowy sygnał (tzw. bias) ma wartość 512, dzięki czemu zachowana jest statystyka szumu, który wyglądem przypomina typowy rozkład normalny (tj. o kształcie przypominającym gaussowski dzwon).

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
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.