Szum całkowity

Pomiar całkowitych szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Poniżej prezentujemy uzyskane przez nas wyniki dla formatu RAW:

Wykresy mają naturalny, wykładniczy przebieg, co oznacza, że w plikach RAW nie jest stosowane odszumianie. Sam poziom szumu nie jest może wyjątkowo wysoki, ale przykładowo dla ISO 6400, w Fujifilm X-M5 zanotowaliśmy o 1 EV niższy szum luminancji.

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 scenki testowej.

Wycinki z V1 ustępują nieco bezlusterkowym konkurentom pod względem szczegółowości. Nic dziwnego, skoro do tych drugich zawsze podpinamy dobrej klasy obiektywy stałoogniskowe. Niemniej, odwzorowanie detali w V1 i tak jest naprawdę niezłe.

Jeśli chodzi o wyższe nastawy czułości, szum najbardziej rzuca się w oczy w Canonie. W tej kategorii najlepiej sytuacja wygląda w Nikonie Z50 II, który generuje najczystszy obraz. W przypadku V1, najwyższą użyteczną nastawą czułości jest naszym zdaniem ISO 3200.

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 wszystkie czułości, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są poniżej wartości nominalnych. Odstępstwa nie są duże, nie dochodzą bowiem nawet do 1 EV, a zwykle utrzymują się w okolicach 1/2 EV. 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. Widzimy, że przebieg pokrywa zakres wartości od 4 do 7 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem wysokim poziomie. Prawdopodobnie, oprogramowanie przetwornika ADC zmienia jego charakterystykę w zależności od użytej czułości, bowiem w idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie.

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 nastawy czułości ISO 100 na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypadają ok. 4 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. FWC – full well capacity) na poziomie 69 ke^–. Taki wynik należy uznać za dobry i zbliżony np. do Nikona Z50 II. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 343 (czyli niecałe 1/3 EV powyżej nastawy aparatu ISO 400). Przekroczenie tego progu powoduje, że za jakość obrazu wynikającą z wpływu szumu śrutowego odpowiadają już tylko i wyłącznie algorytmy cyfrowej obróbki sygnału, a nie tor analogowy matrycy. Punkt wzmocnienia w testowanym aparacie ustawiony jest nisko.

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 dwóch najniższych nastaw (ISO 100 i 200), dla których aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Daje to gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Dla ISO 100, liczba tonów w V1 wynosi 299, co daje 8.2-bitowy zapis danych. Nie ma na co narzekać w tej kategorii, bowiem EOS R10 uzyskał 8.4 bita, a Fujifilm X-M5 7.7 bita (dla ISO 160).

Zwiększanie czułości powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i przy ISO 1600 w V1 otrzymujemy wartości 6.6 bita, co daje około 97 przejść tonalnych. Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 23, co daje 4.6 bita.

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.

Dla najlepszej jakości obrazu przy ISO 100 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął dobry wynik 9 EV. Przykładowo, Canon EOS R10 uzyskał 9.2 EV, a Fujifilm X-M5 8.5 EV (dla ISO 160).

Dla kryterium SNR=1 maksymalny wynik to 13.1 EV. Biorąc pod uwagę obecność 14-bitowych RAW-ów, rezultat mógłby być trochę wyższy.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowanie 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 zbliża się do 8 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 5 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 100
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Przyciemnienie zdjęć z kolei nie pozwoliło odzyskać detali z przepalonych obszarów.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy zarówno w formacie JPEG jak i RAW. Te pierwsze prezentujemy w postaci, w jakiej zostały zapisane przez aparat. Surowe pliki natomiast wywołujemy 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. W V1 mamy podobną sytuację jak w ostatnich aparatach systemowych EOS, bowiem dla czułości ISO 100 i 200 mamy do czynienia z biasem ok. 512, podczas gdy dla pozostałych oscyluje on wokół 2000. W związku z tym w poniższych przykładach dla dwóch najniższych czułości ograniczyliśmy sygnał do przedziału 255–768, a dla pozostałych 1024–3072. Identyczne zakresy zostały również odłożone na poziomej osi odpowiednich histogramów. Maksymalne wartości na osi pionowej wynoszą dla wszystkich czułości 50 000 zliczeń.

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

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Na najwyższych czułościach da się dostrzec ślady bandingu, natomiast poza tym nie widać większych niejednorodności. Rozkład szumu pozostaje raczej równomierny, bez śladów grzejącej się elektroniki. Histogramy wykonane na podstawie darków swoim kształtem przypominają rozkład Poissona. Dopiero dla najwyższych nastaw ISO rozkłady wypłaszczają się, ale mimo tego nie dostrzegamy charakterystyki grzebieniowej. To dobrze świadczy o jakości elektroniki testowanego Canona.

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