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 dla nastaw poza ISO 50 (programowym), czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są poniżej nominalnych, a różnice nie przekraczają 1 i 1/3 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. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Tutaj można zauważyć, że dla trzech najniższych nastaw szum przetwarzania jest wyższy niż dla kolejnych. Jest to zapewne związane z architekturą dual-gain, dzięki której można uzyskać lepsze wyniki dynamiki tonalnej dla wyższych nastaw ISO. Dla pierwszej grupy nastaw szum przyjmuje wartość 5-6 elektronów, a dla drugiej 2-3. Jego wartość nie jest wysoka, ponadto widać tylko niewielkie fluktuacje w obrębie danego poziomu. Innymi słowy, jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na bardzo dobrym 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 najniższej natywnej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada ok. 6 elektronów. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 116 ke–. Taki wynik można uznać za bardzo wysoki. Punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 336, czyli nieco poniżej nastawy ISO 800. Przekroczenie tego progu powoduje, że za jakość obrazu wynikającą ze wpływu szumu śrutowego odpowiadają już tylko i wyłącznie algorytmy cyfrowej obróbki sygnału, a nie tor analogowy matrycy. Punkt wzmocnienia w testowanym aparacie ustawiony jest dość nisko.

Szum całkowity

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

Do ISO 12800 wykresy charakteryzują się typowym, wykładniczym wzrostem. Przy ISO 25600 widać jednak załamanie, które świadczy o modyfikacji danych w RAW. Innymi słowy, najprawdopodobniej zachodzi tutaj odszumianie, na szczęście o niezbyt dużej intensywności.

Zobaczmy jeszcze porównanie poziomu szumu luminancji pomiędzy testowanym modelem, a Fujifilm X100VI oraz Leiką Q3.

Najwyższy szum notujemy dla aparatu z najmniejszą matrycą i największym upakowaniem pikseli – Fujifilm X100VI. Dla nastawy ISO 6400 różnica na korzyść Sony to niecałe 1/2 EV. Najlepiej w zestawieniu wypadła Leica Q3, choć jej przewaga nad RX1R III nie dochodzi nawet do 1/3 EV.

Przyjrzyjmy się teraz zdjęciom zapisanym w surowym formacie. RAW-y z RX1R III wywołaliśmy programem dcraw i zapisaliśmy jako 24-bitowe TIFF-y. Podobnie jak w poprzednim rozdziale, dla porównania prezentujemy również wycinki zdjęć z Fujifilm X100VI oraz Leiki Q3. Na rozwijanej liście znajdują się także inne modele dostępne na dzień dzisiejszy w naszej bazie.

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.

Poziom odtworzenia detali na zdjęciach z RX1R III robi bardzo dobre wrażenie (lepsze niż u konkurentów), nawet pomimo wspomnianego już w poprzednim rozdziale wpływu aberracji chromatycznej na wygląd niektórych krawędzi.

Wysoką jakość zdjęć w RX1R III uzyskamy do ISO 1600 włącznie. Przy kolejnej nastawie szum trochę rzuca się w oczy, ale jeszcze zbytnio nie przeszkadza. Dopiero dla ISO 6400 jest go na tyle dużo, że lepiej trzymać się niższych wartości. Pod tym względem aparat Leiki wypada naszym zdaniem nieco korzystniej.

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 trzech najniższych natywnych czułości, dla których aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Dla ISO 100 liczba tonów sięga 338, a to daje 8.4-bitowy zapis danych. To dobry wynik, gwarantujący wizualnie gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Dla analogicznych kryteriów w Leice Q3 zanotowaliśmy 8.1 bita, natomiast w przypadku Fujifilm X100VI – 7.9 bita (dla ISO 125).

Wraz ze zwiększaniem czułości zakres tonalny oczywiście maleje. Przy ISO 1600 otrzymujemy wartości 6.9 bita (co daje około 117 przejść tonalnych), a dla ISO 6400 – 5.9 bita (58 przejść). Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 16.

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 (SNR=10) przy ISO 100 RX1R III osiąga wartość dynamiki tonalnej na poziomie 9.7 EV, co jest niewątpliwie bardzo dobrym wynikiem. Testowany kompakt wypadł lepiej zarówno od Leiki Q3 (8.3 EV), jak i Fujifilm X100VI (9 EV dla ISO 125).

Dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga 13.9 EV dla bazowego ISO, co oznacza, że 14-bitowy zakres pracy przetwornika ADC jest wykorzystywany praktycznie w całości. Przy tej jakości widać zysk wynikający z architektury dual-gain, przekładający się na lepsze osiągi dynamiki dla czułości ISO 400 i wyższych.

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 zbliża się do wartości 8.5 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 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 nie pozwoliło odzyskać jakichkolwiek informacji z przepalonych obszarów.

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 oś pozioma pokazuje zakres wartości od 0 do 1023. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 300 000 zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Histogramy dla nastaw ISO 50–12800 nie budzą większych zastrzeżeń, bowiem swoim kształtem przypominają rozkład Poissona. Dopiero dla wyższych nastaw zaczynają się mocno wypłaszczać. Przy przejściu z ISO 12800 do 25600 widać, że wartość odchylenia standardowego spadła, zamiast rosnąć. Najprawdopodobniej oznacza to redukcję sygnału w RAW-ach, o czym wspominaliśmy już wyżej.

Darki prezentują się bardzo dobrze. Rozkład szumu jest równomierny, a ewentualne niejednorodności są minimalne.

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
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400