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 co najmniej 1 EV poniżej wartości nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi jest typowa dla matryc krzemowych, gdzie sprawność kwantowa nie rozkłada się równomiernie w całym spektrum światła widzialnego.

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 pokrywa zakres wartości od 3 do 4 elektronów. To bardzo dobry wynik świadczący o dobrej jakości elektroniki matrycy.

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 2 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 31 ke^–. Taki wynik należy uznać za typowy i porównywalny z tym, jaki uzyskaliśmy przy pomiarze aparatów z matrycą 1-calową o rozdzielczości 20 Mpix. Używanie 14-bitowego zapisu wydaje się błędną decyzją, skoro przez tak niski współczynnik konwersji pozbawieni będziemy realnej informacji o parametrach zarejestrowanego oświetlenia od nastawy ok ISO 320. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada bardzo nisko, bo już dla ISO 158. 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.

Szum całkowity

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

Przebieg wykresu w dużej mierze przypomina wykładniczy, aczkolwiek można się dopatrzeć pewnych załamań. Wzrost wartości w zakresie ISO 1600–6400 zbliża się do liniowego, także dla ISO 12800 wartość wydaje się zaniżona. To może oznaczać odszumianie, choć o raczej niezbyt dużej intensywności. W wypadku plików RAW wywołanych do 24-bitowego zapisu TIFF składowa luminancji dochodzi do poziomu 8%, czyli na tym samym poziomie, co w Sony RX100 VI.

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.

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 odwzorowania szczegółów na bazowej czułości jest bardzo porównywalny dla wszystkich trzech aparatów z powyższego zestawienia. Stosowanie kolejnych nastaw ISO wiąże się oczywiście ze wzrostem szumu, który przy ISO 800 już dość wyraźnie daje o sobie znać. Dobrą jakość uzyskamy do ISO 1600. Przy kolejnej nastawie detale scenki są nadal dobrze rozpoznawalne, choć ilość zakłóceń jest naprawdę spora. Prawdę mówiąc trudno wyłonić faworyta niniejszego zestawienia, bowiem poziom szumu jest wizualnie podobny, nawet dla wysokich nastaw ISO.

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 7.8-bitowy zapis danych. To dobry wynik dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Co ciekawe, lepszy wynik uzyskaliśmy dla nastawy ISO 200. Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do wartości 6.6 bita dla ISO 1600, co stanowi 95 półtonów.

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.

Przedstawiony wykres ukazuje prawidłowe i fizyczne zachowanie dla wszystkich testowanych czułości. Zwiększanie czułości powoduje naturalny spadek dynamiki. Użycie 14-bitowego przetwarzania pozwoliło polepszyć wyniki dla niskiej jakości obrazu, gdy używamy dwóch najniższych czułości. Nie wpływa ono jednak na inne progi jakości. Dla najwyższego kryterium jakości, czyli RMS = 10, Canon G7 X III osiąga wartości dynamiki tonalnej 8.1 EV przy najniższej czułości. Jest to dobry wynik, jednocześnie identyczny jak u poprzednika. Gdy akceptujemy niższe progi jakości, okazuje się, że przy wykorzystaniu najniższej dostępnej czułości dysponujemy zakresem 12.9 EV, niewiele powyżej górnego progu pracy 12-bitowego przetwornika.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowanie 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 przekracza nieco poziom 7.5 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 125
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 z najdłuższym możliwym do uzyskania czasem migawki, czyli 3 min. Canon G7 X III wymusza odejmowanie ciemnej klatki w trybie Bulb oraz nie pozwala na długie ekspozycje dla ISO 3200 i wyższych– w tym wypadku dostępny czas naświetlania wynosi jedynie 1 s. Ostatecznie zatem wykonaliśmy darki z czasem 30 sekund, który nie wymuszał odjęcia ciemnej klatki.

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 1535 do 2559. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 500 tysięcy zliczeń.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

30-sekundowe darki nie dostarczą nam tyle informacji o szumie termicznym, co 3-minutowe. Widzimy, że do ISO 1600 włącznie, darki nie wykazują cech bandingu, ani innych niejednorodności. Kształt histogramów także nie budzi zastrzeżeń. W konstrukcji przetwornika ADC producent wykorzystał stały sygnał dodawany w celu lepszego odseparowania szumu przetwarzania od użytecznego sygnału o wartości 2048. Od ISO 3200 długość ekspozycji ograniczana jest do 1 sekudny i odejmowana ciemna klatka, dlatego takie darki nie dostarczają sensownych danych do analizy.

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