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.

Powyższy wykres nie jest podobny do tego z testu modelu GR III. Tu widzimy obniżenie nominalnej czułości dla nastaw kalibrowanych (do ISO12800). Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację 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 4.5 elektronu. Przy 14-bitowym przetworniku i ograniczeniu poziomem saturacji daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 73 ke–. Taki wynik należy uznać za całkiem dobry. Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada bardzo nisko, bo już dla ISO 885 (czyli niewiele poniżej wartości dla nastawy aparatu ISO 1600). 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.

Każde zwiększenie nastawy ISO w tych samych warunkach oświetleniowych powinno skutkować skróceniem czasu naświetlania lub domknięciem przysłony. Ponieważ na matrycę w takim wypadku trafia dwa razy mniej fotonów, zależność między współczynnikiem konwersji a czułością powinna być liniowa. Innymi słowy, po podzieleniu wzmocnienia przez czułość powinniśmy dostać stałą wartość.

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 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. W porównaniu do modelu GR III możemy uznać, że poprawa jakości jest o 1 stopień czułości na korzyść nowej konstrukcji.

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 poniższa tabelka zostanie zaktualizowana nowymi wycinkami testowej scenki.

Wycinki pokazują, że Ricoh GR IIIx szumi podobnie do aparatów Fuji X100V czy Sony RX1R II. Warto zwrócić uwagę, że wybrane aparaty cechują sie podobą wielkością sensela. W aparacie Ricoh od najniższych czułości widzimy też artefakty wynikające z braku filtru anty-aliasingowego. Na wyższych czułościach struktura szumu jest drobnoziarnista.

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 pasteryzację.

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 388, co przekłada się na 8.6-bitowy zapis danych. To stosunkowo dobra wartość jak na matrycę APS-C i 14-bitowe przetwarzanie. Dla ISO 200 notujemy jednak słabszy wynik. Dalsze zwiększanie wartości czułości powoduje systematyczne zmniejszanie się zakresu tonalnego, jednak do wartości ISO 3200 możemy cieszyć się z miarę dobrymi przejściami tonalnymi (21-bitowy zapis koloru RGB). Dopiero przy najwyższych czułościach szum jest na tyle wysoki, że efektywny zakres tonalny spada do wartości 4 bitów.

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 dwa zachowania. Jedno dla dwóch najniższych czułości i drugie, dla ISO 400 i wyższych. Od ISO 800 notujemy równe wykresy, proporcjonalnie zmniejszające się wraz ze wzrostem czułości. W porównaniu do modelu GR III wyniki są delikatnie słabsze dla opisywanego aparatu. Gdy rozpatrujemy najlepszej jakości obraz, matryca notuje wynik 9.2 EV. To bardzo dobry osiąg, który pokazuje, że wyniki pomiaru dynamiki są 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 z wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 100
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. 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 maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 1 milion zliczeń. W osi OX natomiast zakres jest dobrany tak, by wartość maksymalna była w jego środku.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

W całym zakresie czułości widzimy zmienny sygnał stały. Warto zaobserwować nietypowy sposób zmiany jego poziomu – od ISO 100 do 800 jest on zwiększany dla każdej kolejnej czułości, a od ISO 1600 do 12800 dla każdej pary czułości. ISO 25600 oraz czułości rozszerzone korzystają z jeszcze innej wartości. To pokazuje zdecydowanie unikalne podejście konstruktorów. Musimy przyznać, że spowodowało ono kłopot w prezentacji wyników.

Szum jest dobrze kontrolowany do wartości ISO 25600. Same histogramy nie wskazują na modyfikacje danych, a darki charakteryzują się jednolitą strukturą.

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.