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 z zakresu ISO 100-25600, czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są poniżej nominalnych. Różnice wahają się od ok. 1/2 do niespełna 1 EV. Takie zachowanie jest typowe i pozwala na 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 na podstawie serii 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. W przypadku GR IV widać pewne fluktuacje, ale wyniki nie przekraczają poziomu 5 elektronów, a to można uznać za bardzo dobry rezultat.

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 fizycznej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypadają niecałe 4 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku i ograniczeniu poziomem saturacji daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 58 ke^–. Taki wynik należy uznać za całkiem dobry.

Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada niezbyt wysoko, bo już dla ISO 675 (czyli w okolicach nastawy aparatu ISO 1100). 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.

Szum całkowity

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

Na powyższych wykresach dość szybko, bo od ISO 400, zauważymy załamanie świadczące o redukcji sygnału w RAW. Wprawdzie nie jest ono zbyt duże, jednak odszumiania surowych plików nigdy nie pochwalamy.

Zobaczmy jeszcze porównanie poziomu szumu luminancji pomiędzy testowanym modelem, a Fujifilm X100VI i Sony RX1R III.

GR IV generuje zdecydowanie najniższy poziom szumu luminancji, co nie jest szczególnie zaskakujące ze względu na odszumianie RAW-ów. Dla porządku odnotujmy, że dla ISO 6400 szum w GR IV jest o ok. 1 i 1/3 EV niższy niż w X100VI oraz o ok. 2/3 EV od 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. 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 zostanie zaktualizowana poniższa tabelka nowymi wycinkami testowej scenki.

Szczegółowość RAW-ów z GR IV na niskich czułościach jest naprawdę dobra, a te prezentują się nawet lepiej niż z X100VI. Korzystną jakość uzyskamy do nastawy ISO 1600, choć przy 3200 obraz także wygląda przyzwoicie. Wycinki zdjęć tablicy Kodaka pokazują strukturę zredukowanego sygnału praktycznie pozbawioną kolorowych zakłóceń. W gruncie rzeczy nie wygląda ona źle, nie widać bowiem efektu „akwareli”.

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.

Najwyższą jakość obrazu otrzymamy tylko dla ISO 100, gdzie aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych, a konkretnie 204 (7.7-bitowy zapis danych). To dobry wynik, gwarantujący wizualnie gładkie przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. Kształt krzywej nie jest typowy, najpewniej z uwagi na stosowane odszumianie. Dla analogicznych kryteriów (ale dla ISO 125), w Fujifilm X100VI uzyskaliśmy 7.9 bita. Sony wypada trochę lepiej i dla ISO 100 notuje 8.4 bita.

Wraz ze zwiększaniem czułości zakres tonalny oczywiście maleje. Przy ISO 1600 otrzymujemy wartości 7.1 bita (co daje około 135 przejść tonalnych), a dla ISO 6400 – 6.4 bita (86 przejść). Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 14.

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 GR IV osiąga wartość dynamiki tonalnej na poziomie 8.8 EV, co jest naprawdę dobrym wynikiem. Testowany kompakt wypada dość podobnie, jak Fujifilm X100VI (9 EV dla ISO 125), natomiast Sony RX1R III niewątpliwie góruje w tej kategorii z wynikiem 9.7 EV dla ISO 100.

Dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga 13.4 EV dla bazowego ISO, co oznacza, że trochę brakuje, by wykorzystywany był cały zakres pracy przetwornika ADC. Załamanie widoczne pomiędzy nastawami ISO 200 i 400 może wynikać z architektury dual-gain, ale bardziej prawdopodobne jest to, że jest efektem wspomnianego wyżej odszumiania.

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 sięga wartości 9 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 4 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop z wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 100
ISO 1600

Po rozjaśnieniu obrazów, przy ISO 100 widoczność detali pozostaje naprawdę niezła, nawet pomimo obecności kolorowych zakłóceń. Dla ISO 1600 na wycinkach dostrzegamy zarówno mnóstwo szumu, jak i śladów jego redukowania, przez co obraz prezentuje się źle.

Przyciemnienie zdjęć nie pozwoliło odzyskać żadnych informacji z przepalonych obszarów.

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Jak wspominaliśmy już wcześniej, GR IV zapisuje RAW-y w postaci 14-bitowej. Taka wartość odpowiada maksymalnemu poziomowi zliczeń równemu 16384. 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 GR IV przy czułościach od ISO 100 do 12800 mamy do czynienia z biasem na poziomie ok. 2048, podczas gdy od ISO 25600 wzrasta on do blisko 4000. W związku z tym, w poniższych przykładach ograniczyliśmy sygnał do zakresu 1536–2560 (szerokość 1024) dla pierwszego przedziału czułości, a dla kolejnego do: 2048–6144 (szerokość 4096). Identyczne zakresy zostały również odłożone na poziomej osi odpowiednich histogramów. Maksymalne wartości na osi pionowej wynoszą 200 000 i 50 000 zliczeń, odpowiednio dla pierwszego i drugiego przedziału czułości ISO.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400
204800

Do ISO 3200 kształt histogramów jest w miarę przyzwoity, choć lewa i prawa połówka rozkładu różnią się nieco od siebie. To najpewniej kolejny ślad redukcji sygnału, a efekt ten wzmacnia się przy kolejnych dwóch nastawach czułości. Same darki natomiast wyglądają naprawdę dobrze, nie widać bowiem oznak bandingu, czy miejscowego grzania się sensora.

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

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
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400
204800