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 160–12800, czułości jako średnie wartości grup senseli są między ok 0.8 a ok 2.3 EV poniżej nominalnych zależnie od koloru. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Widać też wyraźnie, że czułość ISO 100 jest tworzona programowo.

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.

Szum przetwarzania wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć bez dostępu światła przy najkrótszym możliwym do ustawienia czasie naświetlania dostępnym dla migawki mechanicznej. 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 2 do 6 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem wysokim poziomie. Widzimy, że cztery pierwsze czułości (ISO 100, 160, 200 oraz 400) mają większy szum przetwarzania, niż pozostałe. Oznacza to, że zastosowana w testowanym aparacie matryca najprawdopodobniej korzysta z poprawiającej dynamikę i poziom szumów architektury 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 4.34 elektrona. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 71 ke^–. Wynik ten jest całkiem wysoki. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 297, czyli tuż poniżej nastawy 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.

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 czterech najniższych czułości, dla których aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 160 liczba tonów wynosi 384, co daje 8.6-bitowy zapis danych. Identyczne wyniki uzyskały Sony A6600 oraz Panasonic G9. Canon EOS M6 Mark II wypadł gorzej, notując jedynie 8.1 bita, z kolei Nikon Z50 osiągnął aż 9.0 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 1/3 EV.

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

Dynamika tonalna

Dla najlepszej jakości obrazu przy ISO 160 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął 9.1 EV, czyli o 0.3 EV więcej niż poprzednik, model X-T3. Jeśli chodzi o konkurencję, to Canon EOS M6 Mark II ponownie notuje najgorszy wynik – 8.5 EV. Natomiast Sony A6600 i Nikon Z50 wypadają lepiej, notując odpowiednio 9.7 i 9.9 EV. Wszystkie wymienione aparaty oprócz testowanego dysponują skalibrowaną czułością ISO 100.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu, dla bazowej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 13.5 EV. To z kolei o 0.2 EV gorzej niż w przypadku poprzednika. Nadal jest to jednak bardzo dobry wynik, pokazujący że niemal cały zakres przetwornika analogowo-cyfrowego jest wykorzystywany.

Przy przejściu z ISO 400 na 800 zauważymy charakterystyczne załamanie dla jakości niskiej, średniej i dobrej, które potwierdza, że matryca X-T4 charakteryzuje się różnym wzmocnieniem dla różnych czułości ISO. Dzięki temu aparat dłużej zachowuje rozsądną dynamikę przy zwiększaniu czułości.

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 1600 dynamika wynosi ok. 6.2 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaki oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej z czasem 20 s i 2 s przy czułości odpowiednio ISO 160 i ISO 1600 (w przypadku aparatu odniesienia było to w pierwszym przypadku ISO 100 oraz 30 s). Fotografie zostały zrobione w formacie RAW i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom Classic na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
100 ISO
EOS M6 Mark II
160 ISO
X-T4
1600 ISO
EOS M6 Mark II
X-T4

Przy rozjaśnianiu testowany aparat wypada bardzo dobrze. Na niższej z badanych czułości obraz jest całkiem czysty i szczegółowy. Na ISO 1600 widzimy już szum i utratę szczegółów, ale nie jest ona tak drastyczna jak w przypadku użytego do porównania Canona M6 Mark II. Można by wręcz powiedzieć, że obraz na ISO 1600 w X-T4 wygląda niewiele gorzej, niż to, co Canon oferuje na ISO 100.

Jeśli chodzi o przyciemnianie, obydwa aparaty wypadają podobnie, choć wydaje się, że w tym przypadku to Canon zachowuje odrobinę więcej faktury w przepalonym obszarze.

	0 EV	−4 EV
100 ISO
EOS M6 Mark II
160 ISO
X-T4
1600 ISO
EOS M6 Mark II
X-T4