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 dla zakresu nastaw ISO 200–25600, czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są ok. 1.5 EV poniżej nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Skrajne wartości, mianowicie 100 oraz 51200 prezentują odmienne zachowanie, co jednak nie powinno dziwić, gdyż są one rozszerzone.

Szum przetwarzania

Szum przetwarzania (ang. readout noise) to całościowe zakłócenia generowane przez elektroniczny tor przetwarzania danych. Ilość tego szumu nie zależy od ilości padającego światła ani czasu ekspozycji.

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

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 1 do 6 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. Tutaj widzimy, że wyróżnić można dwie quasi-proste, co pozwala nam sądzić, że matryca w X-E3 charakteryzuje się architekturą dual-gain.

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 natywnej czułości przypada nieco powyżej 4 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 70 ke^–. Wynik ten jest dość wysoki. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada już dla czułości 254 (czyli nieco poniżej nastawy aparatu ISO 800). Przekroczenie tego progu powoduje, że za jakość obrazu odpowiadają już tylko i wyłącznie algorytmy cyfrowej obróbki sygnału, a nie tor analogowy matrycy. W związku z czym nie ma żadnego zysku ze stosowania takiej obróbki w aparacie i dokładnie te same efekty uzyskamy niedoświetlając zdjęcie, a następnie korygując ekspozycję w komputerze. W testowanym aparacie punkt wzmocnienia jednostkowego jest ustawiony nisko.

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.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy dla trzech najniższych czułości, dla których aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 200 liczba tonów wynosi 370, co daje 8.5-bitowy zapis danych. X-E3 ustępuje tutaj Nikonowi D7500 oraz Sony A6500, które zanotowały rezultat 8.8 bita. Canon 80D osiągnął rezultat identyczny, jak X-E3.

Zakres tonalny na plikach zapisanych w formacie JPEG możemy ocenić wizualnie na wycinkach zdjęć tablicy Stouffer T4110. Kliknięcie na zdjęcie poniżej otworzy wycinek w pełnej rozdzielczości. Odległość pomiędzy sąsiednimi polami szarości wynosi 0.3 EV.

ISO	Granica czerni i bieli
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. 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.

Dla najlepszej jakości obrazu przy ISO 200 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął 9.1 EV, czyli taki sam, jak Canon 80D. Sony A6500 osiągnął 8.3 EV, a Nikon D7500 aż 9.5 EV.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu, dla bazowej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 13.6 EV, co oznacza, że niewiele brakuje, by wykorzystywany był praktycznie cały zakres pracy przetwornika ADC. Przy ISO 400–800 zauważymy charakterystyczne załamanie, które potwierdza nasze przypuszczenia, że matryca X-E3 charakteryzuje się różnym wzmocnieniem dla różnych czułości ISO. Dzięki temu do dyspozycji mamy większa dynamikę dla niższych czułości ISO.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane na podstawie wykonanych pomiarów dla wszystkich czułości aparatu.

Wartość 0 na osi OX oznacza maksymalną wartość, którą aparat może zapisać w pliku RAW. Na prawej osi OY oznaczyliśmy miejsca dla kryteriów SNR=10 (wysoka), 4 (dobra), 2 (średnia) i 1 (niska). Przy pomocy tego wykresu każdy może oszacować dostępną dynamikę dla wybranej przez siebie minimalnej użytecznej jakości obrazu. 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, widzimy, że dla ISO 6400 dynamika wynosi ok. 7 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonaliśmy przy następujących parametrach ekspozycji: ISO 200, f/16 i 30 s oraz ISO 1600, f/11 i 2 s. Następnie wywołujemy je jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniamy o +4 EV oraz przyciemniamy o −4 EV, po czym zapisujemy jako zdjęcia 24-bitowe. Do porównania wybraliśmy aparat Nikon D500.

	0 EV	+4 EV
200 ISO
X-E3
D500
1600 ISO
X-E3
D500

Dla bazowej czułości oba aparaty generują mało zaszumiony obraz, ale to X-E3 wydaje się zwycięzcą – to w jego przypadku obecność szumu wydaje się mniejsza. Przy ISO 1600 zaszumienie wydaje się w obu konstrukcjach podobne. Gdybyśmy mieli jednak wskazać zwycięzcę, to byłby to aparat Fujifilm.

Podczas przyciemniania prześwietlonych partii zdjęcia, w przypadku obu aparatów ciężko mówić o sukcesie.

	0 EV	−4 EV
200 ISO
X-E3
D500
1600 ISO
X-E3
D500