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 poza otrzymywaną programową ISO 50 (nastawa Lo1), czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są poniżej nominalnych. Przesunięcie zawiera się w zakresie 1.5–2 EV dla senseli niebieskich oraz 0.5–1 EV dla reszty. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Z kolei rozbieżność między poszczególnymi kolorami podstawowymi jest typowa dla matryc krzemowych, gdzie sprawność kwantowa nie rozkłada się równomiernie w całym spektrum światła widzialnego.

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 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.

W idealnie pracującej matrycy powyższy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Wyjątkiem są matryce korzystające z architektury dual gain, gdzie w idealnym przypadku wykres powinien stanowić dwa poziome odcinki – jeden dla zakresu czułości obsługiwanego przez jeden obwód analogowy, a drugi dla drugiego.

Patrząc na powyższy wykres w tym kontekście, widzimy dwie rzeczy. Po pierwsze, matryca Nikona Z5, w przeciwieństwie do modelu Z6, nie korzysta z architektury dual gain. Po drugie zaś, zastosowana w niej elektronika stoi na bardzo dobrym poziomie, bo szum przetwarzania mieści się między wartościami 3 a 6 elektronów i wykres jego wartości jest dość mocno zbliżony do linii prostej.

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 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 5.6 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 92 ke^–. Taki wynik można uznać za rozsądny, choć zauważalnie niższy, niż osiągi korzystającego z innej architektury sensora modelu Z6. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 492 (czyli około 2/3 EV poniżej nastawy aparatu ISO 1600). 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. Pomiary wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

W Nikonie Z5, dla ISO 100 liczba tonów sięga 521, co daje 9-bitowy zapis danych. Jest to wynik identyczny jak to, co osiągnął Panasonic S1, a przy tym lepszy od EOS-a RP (8.7 EV) i gorszy niż Sony A7 III (9.3 EV).

Zwiększanie czułości w testowanym aparacie powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i przy ISO 3200 mamy już 6.9 bita, co odpowiada 115 przejściom tonalnym. Dla maksymalnego natywnego ISO przejść tonalnych jest już zaledwie 29, co daje 4.9 bita. Co ciekawe, Z6 na tej czułości notował jedynie 13 przejść tonalnych (3.8 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
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

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 100 testowany aparat osiąga 9.4 EV. To dobry wynik, choć konkurencja w tym przypadku wypada lepiej – Panasonic S1 osiągnął 9.7 EV, a Sony A7 III – aż 10.2 EV. Lepiej poradziło sobie też „starsze rodzeństwo” – Nikon Z6 uzyskał 9.9 EV, a Nikon Z7 – 10.1 EV (na ISO 64). Zauważalnie gorzej wypada natomiast Canon EOS RP, który zamyka omawianą tu stawkę z wynikiem 8.4 EV.

Dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga 13.8 EV dla bazowego ISO, co oznacza, że niewiele brakuje, by 14-bitowy zapis danych wykorzystywany był w pełni. Co ciekawe, jest to o 0.1 EV lepiej niż zanotował korzystający z architektury dual-gain Nikon Z6.

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. Dla przykładu, jeśli uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika osiąga ok. 8.7 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonujemy przy czułości ISO 100 i 1600, przysłonie f/16 i czasach odpowiednio 30 i 2 s. W tym przypadku za odniesienie dla testowanego aparatu posłużył redakcyjny Nikon Z7.

100 ISO
	0 EV	+4 EV
Z5
Z7
1600 ISO
Z5
Z7

Zarówno rozjaśnianie, jak i przyciemnianie w obydwu aparatach wypada niemal identycznie i to niezależnie od czułości. Biorąc pod uwagę, że Z7 ma niemal dwukrotnie więcej pikseli, widać wyraźnie zyski, jakie w jego przypadku daje zastosowanie matrycy BSI wykonanej w architekturze dual gain.

Nie oznacza to oczywiście, że wyniki Z5 są złe. Rozjaśniony o 4 EV fragment na ISO 100 jest niemal całkowicie wolny od zaszumienia, a ten na ISO 1600 nadal zachowuje całkiem sporo szczegółów. Podobnie w przypadku przyciemniania, gdzie sporo detali w przepalonych miejscach udało się odzyskać.

100 ISO
	0 EV	−4 EV
Z5
Z7
1600 ISO
Z5
Z7