Szum całkowity

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

Wykresy mają naturalny, wykładniczy przebieg, co oznacza, że w plikach RAW nie jest stosowane odszumianie. Jeśli chodzi o poziom szumu luminancji, to nie okazał się on dużo wyższy niż w Canonie V1 – różnica pomiędzy tymi aparatami to ok. 1/3 EV.

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.

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.

Przy porównaniu RAW-ów także nie widzimy wyraźnej różnicy w odwzorowaniu detali na niskich czułościach pomiędzy testowanym ZV-1 II oraz Canonem V1. Te wychodzą na wyższych nastawach, gdzie obraz z aparatu Sony mocniej traci na jakości. Naszym zdaniem lepiej nie przekraczać wartości ISO 1600, gdzie V1 oferuje jeszcze całkiem użyteczny obraz.

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 z wyjątkiem nastawy ISO 80, wszystkie czułości, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są ok. 1 EV poniżej wartości nominalnych. 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. Widzimy też, że ISO 80 i 125 są w praktyce tożsame – to znak, że najniższa czułość jest wytwarzana na drodze programowej.

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 6 elektronów dla zmierzonych czułości. To wynik świadczący o dobrej jakości elektroniki matrycy.

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 125 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 niezbyt wysokim poziomie 37 ke–. Jak łatwo odczytać z wykresu, punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 206 (czyli praktycznie dla 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 bardzo 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, czyli wizualnie gładkie przejścia tonalne, uzyskamy dla nastaw ISO 80, 125 i 200, gdzie liczba tonów jest większa od 200. Maksimum wypada dla najniższej natywnej wartości i wynosi 243, co daje 7.9-bitowy zapis danych. W Canonie zarejestrowaliśmy nieco więcej, bo 8.2 bita dla ISO 100. Zwiększanie czułości powoduje oczywiście degradację zakresu tonalnego i przy ISO 1600 w ZV-1 II otrzymujemy wartości 6.5 bita, co daje około 91 przejść tonalnych. Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już 29, co daje 4.9 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 125 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął dość dobry wynik 8.2 EV. Przykładowo, Canon V1 uzyskał 9 EV (dla ISO 100), a Fujifilm X-M5 8.5 EV (dla ISO 160). Z kolei dla kryterium SNR=1 maksymalny wynik to 12.5 EV. Biorąc pod uwagę obecność 14-bitowych RAW-ów, rezultat ten nie zachwyca.

Warto natomiast zwrócić uwagę na sam fakt wykorzystania 14-bitowego przetwarzania, z którym nie mieliśmy wcześniej do czynienia w testowanych do tej pory aparatach Sony z matrycami formatu 1”. Widać, że wykres dynamiki nie jest już spłaszczony dla nastaw ISO poniżej 200 – to pozwoliło „wypracować” pewien zysk, choć nie jest on szczególnie wysoki.

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, zauważymy, że dynamika sięga wartości ok. 7.2-7.3 EV.

Ze względu na ograniczenie czasu naświetlania do zaledwie 1/4 sekundy, zrezygnowaliśmy z zobrazowania praktycznego aspektu dynamiki tonalnej poprzez fotografowanie scenki testowej.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo, ekspozycja w darkach trwa 3 minuty. Ze względu na ograniczenie czasu naświetlania w Sony ZV-1 II do zaledwie 1/4 sekundy, nie mogliśmy wykonać testu tak, jak to zwykle robimy. 1/4 sekundy to o wiele za krótko, by pokazać wpływ szumu termicznego. Niemniej, postanowiliśmy sprawdzić, czego możemy się dowiedzieć stosując naszą procedurę.

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 tak, aby najlepiej zobrazować generujący się na matrycy szum. Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 400 do 1200. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 1 000 000 zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
80
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Wprawdzie na powyższych darkach nie zobaczymy wpływu szumu termicznego, ale na najwyższych nastawach ISO łatwo dostrzec lekki banding. Kształt histogramów nie budzi większych zastrzeżeń, dopiero na maksymalnym ISO można zauważyć charakterystykę grzebieniową. Naszym zdaniem, analizowane RAW-y nie noszą śladów redukcji sygnału.

Na koniec tego rozdziału, dla porządku, prezentujemy jeszcze darki dla formatu JPG zapisanego przez aparat razem z plikami RAW użytymi w wyżej zaprezentowanej analizie.

JPEG
ISO	Dark Frame	Crop
80
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800