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.

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

Wszystkie wartości, przedstawione jako średnia z każdej grupy senseli, umiejscowione są niecałe 0.5 EV poniżej wartości nominalnej. Wyjątkiem jest bazowa wartość ISO 100, dla której średnia ze wszystkich grup senseli pokrywa się z krzywą wyznaczoną dla wartości nominalnych. Takie zachowanie, zaobserwowane dla czułości od ISO 200 wzwyż, jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach 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 wykres pokrywa wartości od 4 do 9 elektronów. Oznacza to, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na przeciętnym poziomie.

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 4 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 66 ke^–. Jest to stosunkowo wysoki wynik.

Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla ISO 386 (czyli powyżej nastawy aparatu ISO 400) – a więc wyżej, niż w poprzedniku. Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej, 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.

Szum całkowity

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

Wartości rosną wykładniczo, zatem nie mamy podstaw by podejrzewać, że dane są w jakikolwiek sposób manipulowane. Wartości odpowiadają tym zanotowanym przez takie aparaty, jak Canon 80D czy Canon 77D, co oznacza, że używając G1 X Mark III będziemy mieli naprawdę niezłą, jak na kompakt, jakość obrazu na wyższych czułościach.

Aby ukazać, jak wartości wyznaczonego szumu przekładają się na obraz, oprócz 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.

Na wstępie należy zaznaczyć, że szczegółowość wycinków z testowanego aparatu stoi na wysokim, porównywalnym z aparatem Fujifilm poziomie. G1 X Mark III przegrywa natomiast z tym aparatem pod względem zaszumienia, co uwidocznia się od ISO 6400. Jakość obrazu jest natomiast lepsza, niż ta generowana przez kompakt LX100 ze stajni Panasonika. Możemy uznać, że ISO 6400 jest ostatnią użyteczną czułością.

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 najwyższa wartość, dla ISO 100, wynosi około 280 przejść tonalnych, co daje 8.1-bitowy zapis danych. To stosunkowo dobry wyniki dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji.

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.

Wykres pokazuje, że dla czułości bazowej otrzymujemy dynamikę na poziomie 8.2 EV. Jest to wartość niższa, niż w aparatach 77D oraz 800D, w których zastosowano ten sam przetwornik i jednocześnie znacznie wyższa od rezultatu poprzednika. Warto porównać wynik G1 X Mark III do wyników zanotowanych przez Lumix LX100 oraz Fujifilm X-100F. Aparaty zanotowały kolejno 8 EV oraz 8.4 EV.

Jeżeli rozważymy kryterium słabej jakości, to dowiemy się, że aparat notuje wynik nieznacznie przekraczający 12 EV. Oznacza to, że stosowanie 14-bitowego przetwornika jest dość dyskusyjne i podbija jedynie wagę 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 20 dB dla ISO 200, 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 100
ISO 1600

Dla bazowej czułości próba wyciągnięcia informacji z cieni prezentuje się bardzo korzystnie – obraz charakteryzuje się niewielkim zaszumieniem. Jest to zdecydowany plus zastosowania większej matrycy. Gorzej wygląda sytuacja dla ISO 1600, zaszumienie jest bowiem znacznie większe.

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Darki

G1 X Mark III zapisuje RAW-y w postaci 14-bitowej. Taka wartość odpowiada maksymalnemu poziomowi zliczeń równemu 16384. Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy zarówno w formacie JPEG jak i RAW. Te pierwsze prezentujemy w postaci, w jakiej zostały zapisane przez aparat. Surowe pliki natomiast wywołujemy 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. W testowanym kompakcie mamy podobną sytuację jak w ostatnich lustrzankach EOS, bowiem dla czułości ISO 100 i 200 mamy do czynienia z biasem na poziomie ok. 512, podczas gdy dla pozostałych wynosi on około 2048. W związku z tym w poniższych przykładach dla dwóch najniższych czułości ograniczyliśmy sygnał do przedziału 0–1023, a dla pozostałych 1024–3072. Identyczne zakresy zostały również odłożone na poziomej osi odpowiednich histogramów. Maksymalne wartości na osi pionowej wynoszą dla wszystkich czułości 100 000 zliczeń.

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

Do wyglądu darków nie możemy mieć większych zastrzeżeń. Na wyższych czułościach nie zauważymy bandingu ani nierówności w zaszumieniu klatki. Warto wspomnieć o wyglądzie darka dla ISO 200 – jak pisaliśmy w drugim rozdziale, konstrukcja obiektywu nie jest do końca szczelna. Podczas wykonywania ciemnej klatki musiało przedostać się tamtędy trochę światła, stąd jego zaburzony wygląd. Należy również napomknąć, że po ekspozycji wykonywana jest kolejna, która jest następnie w plikach JPEG odejmowana. Stąd tak niewielkie na nich zaszumienie.

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

ISO	średni poziom sygnału	odchylenie standardowe
100	512	6.38
200	514	15.74
400	2050	17.52
800	2056	37.74
1600	2049	63.29
3200	2050	125.67
6400	2051	240.69
12800	2049	284.85
12800	2078	688.25

Dla porządku prezentujemy również pliki JPG.

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