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 natywnych, czułości przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są o ok. 1 i 1/3 EV poniżej wartości nominalnych. Wyjątkiem są nastawy programowe, np. trzy najwyższe: ISO 25600, 51200 i 102400. Ich rzeczywista czułość jest praktycznie taka sama, na wykresie widać też, że tworzą one linię poziomą.

Utrzymanie rzeczywistych czułości poniżej wartości nominalnych 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

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. Dla nastaw 40 i 80 zanotowaliśmy ok. 2 elektrony, natomiast dla kolejnych trzech od 5 do 7 elektronów. Od ISO 800 włącznie szum ponownie spada do ok. 2 elektronów. To sugeruje wykorzystanie trzech poziomów wzmocnień. W każdym razie jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na bardzo dobrym poziomie. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. Jeśli faktycznie mielibyśmy trzy poziomy wzmocnień, warunek ten byłby spełniony w obrębie danego poziomu.

Współczynnik konwersji i wzmocnienie jednostkowe

Poniżej przedstawiamy współczynnik konwersji matrycy (ang. conversion gain) 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 na podstawie serii 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 (ISO 80) na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada ok. 1.5 elektrona. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 49 ke^—. Wynik ten nie jest zbyt wysoki, zwłaszcza, że model GFX100 uzyskał 112 ke^—. Gdy jednak użyjemy nastawy ISO 100, owa pojemność rośnie do 91 ke^—.

Z wykresu widać, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 44 (czyli praktycznie równo dla nastawy ISO 200). 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 jest ustawiony bardzo nisko.

Szum całkowity

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

Przebiegi obu wykresów przypominają wykładnicze i nie posiadają widocznych załamań. To oznacza, że w testowanym aparacie najprawdopodobniej nie mamy do czynienia z odszumianiem surowych plików w zakresie czułości natywnych.

Zobaczmy jeszcze porównanie poziomu szumu luminancji pomiędzy testowanym modelem, a Leiką Q3 i Sony RX1R III.

Co ciekawe, wszystkie trzy aparaty w powyższym zestawieniu charakteryzują się taką samą liniową gęstością pikseli. Najniższym poziomem zakłóceń może się pochwalić aparat Fujifilm i to w całym zakresie czułości. Różnice nie są jednak duże, skoro nie przekraczają 1 EV. Dla nastawy ISO 6400 GFX100RF ma ok. 1/3 EV przewagi nad Q3 i ok. 1/2 EV nad RX1R III.

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.

GFX100RF lepiej radzi sobie od konkurentów pod względem odtworzenia detali. A mamy tu do czynienia z najmocniej upakowanymi sensorami w swoich klasach. Warto zauważyć, że na wycinkach z Sony (a także nieco w Leice) uwidoczniła się podłużna aberracja chromatyczna, czego w aparacie Fujifilm nie widać nawet odrobinę.

Pod względem poziomu szumu testowany kompakt wypada korzystnie do nastaw ISO 1600-3200. Przy ISO 6400 zakłócenia trochę już dają się we znaki, dlatego tej czułości lepiej używać w ostateczności, ewentualnie po odszumieniu. Naszym zdaniem GFX100RF ma lekką przewagę nad modelem Sony, natomiast względem Leiki w zasadzie trudno ją dostrzec.

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 na podstawie serii zdjęć tablicy Kodak Q-14. Pomiarów dokonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla najniższej natywnej czułości (ISO 80) liczba tonów wynosi 265, czyli otrzymujemy 8.1-bitowy zapis danych. To niezły wynik, identyczny zresztą jak w Leice Q3 (8.1 bita dla ISO 100). Trochę lepiej wypadł aparat Sony, który uzyskał 8.4 bita.

Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do wartości 6.8 bita dla ISO 1600, co stanowi 111 półtonów. Dla maksymalnego natywnego ISO (12800) mamy 42 przejścia tonalne, natomiast dla rozszerzonego ISO 102400 – 34.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy na podstawie serii zdjęć tablicy Kodak Q-13. Pomiarów wykonaliśmy na surowych, 14-bitowych 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 80 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął naprawdę dobry rezultat 8.9 EV. Przy ISO 100 uzyskaliśmy jednak wyższy wynik – 9.5 EV. W teście Leiki Q3 zanotowaliśmy 8.3 EV, natomiast w Sony RX1R III – 9.7 EV (oba dla ISO 100). Widać, że dwie pierwsze nastawy (ISO 40 i 80) są inaczej oprogramowane, co pokazywał również wykres szumu przetwarzania.

Kolejne załamanie widać dla SNR = 1 przy przejściu z ISO 400 na 800, co wskazuje na kolejny poziom wzmocnienia przetwornika ADC. Dla ISO 100 maksymalny rezultat to świetne 13.9 EV natomiast przy niższych nastawach dynamika przekracza nieco 14 EV. Podejrzewamy, że ta niefizyczna wartość ma związek z redukcją sygnału w RAW, o której piszemy niżej, przy okazji omówienia darków.

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 dochodzi do ok. 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 z wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 80
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 80
ISO 1600

Przyciemnienie zdjęć nie pozwoliło odzyskać żadnych informacji z przepalonych obszarów.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Poziom prądu ciemnego testujemy na podstawie zdjęć wykonanych z 3-minutową ekspozycją bez dopływu światła. Zdjęcia wykonujemy zarówno w formacie JPEG, jak i RAW. Te pierwsze prezentujemy w postaci, w jakiej zostały zapisane przez aparat. Natomiast surowe pliki wywołujemy programem dcraw do postaci czarno-białej bez interpolacji. Uzyskane w ten sposób TIFF-y konwertujemy do formatu GIF, dobierając zakres w taki sposób, aby najlepiej zobrazować generujący się na matrycy szum.

W GFX100RF przy czułościach ISO 40 i 80 mamy do czynienia z biasem na poziomie ok. 64, podczas gdy dla pozostałych wynosi on około 1024. W związku z tym w poniższych przykładach dla dwóch najniższych czułości ograniczyliśmy sygnał do przedziału 32–96, a dla pozostałych 500–1500. Identyczne zakresy zostały również odłożone na poziomej osi odpowiednich histogramów. Maksymalne wartości na osi pionowej wynoszą dla wszystkich czułości 500 000 zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
40
80
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

Jeżeli chodzi o wygląd histogramów, to w zakresie ISO 100-6400 ich kształt nie budzi większych zastrzeżeń, choć nieco odbiega on od rozkładu Poissona (zaburzenie w maksimum sygnału). Z kolei dla dwóch najniższych czułości cała lewa część histogramu została obcięta, co sugeruje manipulacje danymi w RAW. Owa redukcja mogła spowodować przekroczenie przez dynamikę (dla SNR = 1) poziomu 14 EV, co widzieliśmy w odpowiednim podrozdziale.

W zakresie nastaw ISO 400-1600, szum (reprezentowany przez odchylenie standardowe) rośnie trochę za wolno, co może oznaczać kolejną manipulację danymi w RAW. A bardzo podobne zachowanie trzech najwyższych czułości (programowych) zauważone na pierwszym wykresie niniejszego rozdziału, widać także w tej części testu.

Same darki natomiast wyglądają bardzo dobrze, nie widać bowiem oznak bandignu, czy lokalnego grzania się sensora.

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Dla porządku prezentujemy również darki w formacie JPEG.

JPEG
ISO	Dark Frame	Crop
40
80
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400