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.

Na powyższym wykresie widać, że wszystkie nastawy natywne (czyli poza programowym ISO 100) przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, leżą poniżej nominalnych. Różnica wynosi ok. 1 i 1/3 EV. 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

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.

Wyrażenie wyniku w elektronach pozwala śledzić jakość przetwarzania toru analogowo-cyfrowego. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od 8 do 3 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem dobrym poziomie. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Widać jednak, że oprogramowanie przetwornika ADC zmienia jego charakterystykę w zależności od użytej czułości.

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 czułości ISO 200 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada około 13 elektronów. Przy 12-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie ponad 53 ke^–, co można uznać za dobry wynik. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 1136 (czyli nieco poniżej nastawy aparatu ISO 3200). To dobry wynik. 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.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy dla trzech najniższych czułości, dla których aparat rejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 200 liczba tonów wynosi 315, co daje 8.3-bitowy zapis danych. Wartość ta jest na tyle wysoka, że daje pewność otrzymania gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Bardzo podobnie wypadł Panasonic G90 (8.2 bita), lepiej poradzili sobie natomiast konkurenci z sensorami APS-C. Nikon Z50 i Sony A6400 uzyskały odpowiednio 9 i 8.6 bita.

Zwiększanie czułości powoduje degradację zakresu tonalnego, do wartości 6.9 bita (119 tonów) dla ISO 1600 i do 4.7 bita dla najwyższej czułości. Daje to nam zaledwie 26 przejść tonalnych.

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
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600

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 200 testowany aparat osiąga 8.1 EV. Przy 12-bitowym zapisie danych można to uznać za całkiem dobry wynik. G90 uzyskał zbliżone 8 EV, niewiele lepiej wypadł Sony A6400 – 8.3 EV. W Nikonie Z50 stosowany jest 14-bitowy zapis danych, stąd znacznie wyższy wynik – w tym wypadku 9.9 EV – nie powinien stanowić większego zaskoczenia.

Biorąc pod uwagę kryterium niskiej jakości obrazu (SNR=1), dla bazowej natywnej czułości mamy do dyspozycji dynamikę na poziomie 11.9 EV, co oznacza, że wykorzystywany jest praktycznie cały zakres pracy przetwornika ADC. Przebieg wykresu sugeruje, że w zastosowanej matrycy tkwi potencjał, którego nie wykorzystano w całości. Niewykluczone, że zastosowanie 14-bitowego zapisu surowych plików umożliwiłoby osiągnięcie nieco lepszych wyników w kategorii dynamiki tonalnej przynajmniej dla najniższych 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 12 dB, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika osiąga wartość ok. 8 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonujemy przy czułości ISO 200 i przysłonie f/11 oraz ISO 1600 i przysłonie f/16. Czasy ekspozycji wynosiły odpowiednio 30 i 2 s. ze względu na różnicę ekspozycji, do porównania zdjęcia z X-E4 naświetliliśmy o 1/3 mniej niż te z E-M10 Mark IV. Następnie wywołaliśmy je jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniliśmy o +4 EV oraz przyciemniliśmy o −4 EV, po czym zapisaliśmy jako zdjęcia 24-bitowe.

200 ISO
	0 EV	+4 EV
E-M10 Mark IV
X-E4
1600 ISO
E-M10 Mark IV
X-E4

Po rozjaśnieniu ciemnych partii obrazu widać, że lepiej wypada Fujifilm X-E4. Dla ISO 200 różnica nie jest bardzo wyraźna, uwidacznia się natomiast przy ISO 1600. W Olympusie szum mocniej degraduje obraz.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu daje podobne rezultaty. Miejsca przepalone takowymi pozostaną, a ewentualne różnice wynikają raczej z niewielkiej różnicy jasności plików źródłowych.

200 ISO
	0 EV	−4 EV
E-M10 Mark IV
X-E4
1600 ISO
E-M10 Mark IV
X-E4