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.

Wykres ten nie jest podobny do innych prezentowanych na naszym portalu. Za wyjątkiem najwyższej czułości wszystkie nastawy wykazują kalibrację matrycy w zgodzie z wartościami ISO. Do poziomu ISO 800 średnia wartość zmierzonej czułości jest zgodna, dla wyższych ISO pomiary wykazują większą czułość aparatu. Takie zachowanie nie jest typowe i nie umożliwia manipulacji 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. Wyniki nie przekraczają poziomu 5–6 elektronów, co jest wynikiem bardzo dobrym.

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 fizycznej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 5 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku i ograniczeniu poziomem saturacji daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 80 ke^–. Taki wynik należy uznać za całkiem dobry. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada bardzo nisko, bo już dla ISO 866 (czyli niewiele powyżej wartości dla nastawy aparatu ISO 800). Wyższe czułości są zatem całkowicie sztucznie wytwarzane na drodze programowej (na jedną jednostkę kwantyzacji przypada „ułamek” niepodzielnego fotonu), 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 przeciwieństwie do plików JPEG, w surowych plikach dokładnie widzimy przesunięcie kolorów czerwonego i niebieskiego. Wynika to ze słabszej efektywności kwantowej matrycy krzemowej na brzegach zakresu światła widzialnego oraz użycia światła żarowego w teście. To zachowanie fizyczne, któremu nie możemy nic zarzucić. Wzrost wartości szumu jest naturalny, a sam jego poziom – stosunkowo niski. To znak, że matryca pod względem konstrukcji i oprogramowania prezentuje wysoki poziom.

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 zostanie zaktualizowana poniższa tabelka nowymi wycinkami testowej scenki.

Wycinki pokazują, że Ricoh GR szumi o ok. 1 EV mocniej od modelu Nikon Coolpix A – widać to wyraźnie na wysokich czułościach. Dominuje różowe zabarwienie, a intensywność odbioru szumu wynika z jego struktury. Jest on też drobnoziarnisty. Takie zachowanie jednak jest widoczne dopiero po przekroczeniu progu ISO 6400. Dla niższych wartości szum jest raczej niezauważalny, a tym samym nie przeszkadza w odbiorze.

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 wynik pomiaru zakresu to 374, co przekłada się na 8.5-bitowy zapis danych. To stosunkowo dobra wartość jak na matrycę APS-C i 14-bitowe przetwarzanie. Zwiększanie wartości czułości powoduje systematyczne zmniejszanie się zakresu tonalnego, jednak do wartości ISO 3200 możemy cieszyć się z miarę dobrymi przejściami tonalnymi (20-bitowy zapis koloru RGB). Dopiero przy najwyższych czułościach szum jest na tyle wysoki, że efektywny zakres tonalny spada do wartości 4.1 bita.

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.

Od razu zauważamy równe wykresy, proporcjonalnie zmniejszające się wraz ze wzrostem wartości ISO. Najniższa jakość, dla której stosunek sygnału do szumu jest równy 1, pokazuje, że do dyspozycji mamy praktycznie cały zakres przetwornika ADC. To doskonała wiadomość dla osób „wyciągających z cieni”. Dla najlepszej jakości obrazu matryca notuje wynik 9.3 EV. To bardzo dobry osiąg, który pokazuje, że wyniki pomiaru dynamiki są, krótko mówiąc, świetne!

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, 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 4 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 100
ISO 1600

Dla obu testowanych czułości musimy uznać, że rozjaśniany obraz nie wprowadza dodatkowej widoczności szumu. To nie jest znak, że jest go niewiele, a zasługa poprawnego skalibrowania czułości, dzięki której ciemne partie są wystarczająco dobrze naświetlone.

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Niestety nie można tego samego powiedzieć o jasnych partiach, które nawet delikatnie prześwietlone tracą – co wyraźnie widać dla czułości ISO 100.

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.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Test ukazuje ciekawe zachowanie – wielość stała dodawana do sygnału zmienia się w zależności od użytej czułości. Z jednej strony pomaga to uzyskać lepszą dynamikę zdjęć dla niższych nastaw ISO, z drugiej powoduje brak możliwości prezentowania histogramów ze stałym zakresem wartości w osi OX.

Odchylenie standardowe to miara poziomu szumu na zdjęciu. Dla ISO 100 oraz 200 ma ona wartość 2, co oznacza, że tracimy zaledwie najmniej znaczący bit. Potwierdza to też jakość zakresu tonalnego i dynamiki tonalnej pokazanej wcześniej.

Aparat nie wykazuje zmian w jasności obrazu wynikającej z nierównomiernego nagrzewania się matrycy od czynników zewnętrznych. Darki nie wykazują teź cech bandingu, a szum jest jednorodny.

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
102400

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.