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 160–25600, czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są nieco poniżej 1 EV poniżej nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu.

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 5 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem wysokim poziomie. Widzimy, że trzy pierwsze czułości (ISO 160, 200 oraz 400) mają większy szum przetwarzania, niż pozostałe. Oznacza to, że podobnie, jak matryca X-Trans CMOS III, „czwórka” również charakteryzuje się budową 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 ponad 4 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjału (ang. full well capacity) na poziomie 64 ke^–. Wynik ten jest całkiem wysoki. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 155 (czyli idealnie na nastawie ISO 400). 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.

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 160 liczba tonów wynosi prawi 400, co daje 8.6-bitowy zapis danych. X-Pro3 ustępuje tutaj Nikonowi D500, który uzyskał 8.9 bita, wygrywa natomiast z Canonem 90D (zaledwie 8.1 bita).

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
80
100
125
160
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 160 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął 9.1 EV. Lepszy w tej kategorii okazał się Nikon D500 (aż 9.7 EV). Testowany aparat wygrywa natomiast z 90D (8.5 EV). Następnie mamy do czynienia z bardzo szybkim spadkiem – dla ISO 200 dynamika to 8.1 EV, a dla ISO 400 – 7.2 EV.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu, dla bazowej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 13.7 EV, co oznacza, że niewiele brakuje, by wykorzystywany był praktycznie cały zakres pracy przetwornika ADC. Przy ISO 400–800 zauważymy charakterystyczne załamanie dla jakości niskiej, średniej i dobrej, które potwierdza, że matryca X-Pro3 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 20 dB, widzimy, że dla ISO 3200 dynamika wynosi ok. 5 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 w Lightroomie rozjaśniamy je o +4 EV oraz przyciemniamy o −4 EV, po czym zapisujemy jako zdjęcia 24-bitowe.

	0 EV	+4 EV
160 ISO
X-Pro3
100 ISO
D500
1600 ISO
X-Pro3
D500

Nie da się nie przyznać, że to D500 lepiej radzi sobie przy rozjaśnianiu ciemnych partii zarówno przy czułości bazowej, jak i ISO 1600. Zdjęcia wykonane za jego pomocą tracą jednak nieco kontrastu, jeżeli podciągniemy suwaki do wysokich wartości.

Jeżeli chodzi o przyciemnienie jasnych partii, to X-Pro3 oraz D500 pokazują podobny rezultat końcowy.

	0 EV	−4 EV
160 ISO
X-Pro3
100 ISO
D500
1600 ISO
X-Pro3
D500