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 zakresu nastaw ISO 80–12800 (czyli natywnego), czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są od ok. 1 do 1 i 1/2 EV poniżej nominalnych. Takie zachowanie jest typowe i umożliwia manipulację danymi w jasnych partiach obrazu. Osobliwe zachowanie – choć typowe dla aparatów Fujifilm – pokazują nastawy ISO 25600, 51200, 102400. Jest to de facto jedna, ta sama realna czułość, a kolejne wartości, tj. 51200 i 102400 są uzyskiwane poprzez programową korektę ekspozycji. Analogiczna sytuacja występuje dla nastawy ISO 40 i 80.

Szum przetwarzania

Szum przetwarzania (ang. readout noise) to 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 zakresu ISO 40-400 (czyli pierwszego poziomu wzmocnień) szum waha się w granicach 5-8, natomiast od nastawy ISO 800 – między 2 a 3 elektrony. W idealnie pracującej matrycy wykres powinien być linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym poziomie. To, co widzimy na wykresie to efekt zastosowania budowy dual-gain, a zatem dwóch poziomów wzmocnień sygnału.  W obrębie każdego poziomu wykresy są z grubsza zbliżone do linii prostej. Zasadniczo, 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 przypadają 2 elektrony. Przy 14-bitowym przetwarzaniu daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 123 ke^–. Wynik ten można uznać wysoki, choć do deklarowanego, 30% wzrostu względem poprzednika trochę brakuje. Widać też, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada już dla czułości 80 (czyli ciut poniżej nastawy aparatu 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 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. Prezentujemy wykres dla RAW-ów 14-bitowych.

Dla ISO 80 (najniższej natywnej czułości) liczba tonów wynosi 381, co daje 8.6-bitowy zapis danych. Wartość ta zapewni bardzo dobre przejścia tonalne, bez widocznej posteryzacji. W Hasselbladzie X2D 100C zanotowaliśmy nieco więcej, bo 8.9 bita (dla ISO 64). Wybrane aparaty pełnoklatkowe wypadły następująco: EOS R5 Mark II i Sony A7R V – 8.6 bita (oba dla ISO 100), Nikon Z8 i Panasonic S1R II – 8.8 bita (odpowiednio dla ISO 64 i 80). Widać, że rozrzut powyższych osiągów pozostaje niewielki.

Wraz ze zwiększaniem czułości w GFX100 II zakres tonalny oczywiście maleje. Przy ISO 1600 otrzymujemy wartości 7 bitów (co daje około 124 przejścia tonalne), a dla ISO 6400 – 6 bitów (64 przejść). Przy maksymalnym dostępnym ISO mamy 34 przejścia tonalne.

Zakres tonalny na plikach zapisanych w formacie JPEG możemy ocenić wizualnie na wycinkach zdjęć tablicy Stouffer T4110. Kliknięcie na zdjęcie poniżej otworzy wycinek w pełnej rozdzielczości. Odległość pomiędzy sąsiednimi polami szarości wynosi 0.3 EV.

ISO	Granica czerni i bieli
40
80
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. Pomiary 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 80 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął świetny wynik – 10 EV. Konkurent od Hasselblada uzyskał praktycznie tyle samo (9.9 EV), choć dla ISO 64. Dla tej samej nastawy wynik Nikona Z8 wyniósł 9.7 EV. Inni pełnoklatkowi konkurenci także zanotowali wysokie wyniki: Canon R5 Mark II i Sony A7R V – po 9.6 EV (dla ISO 100), a Panasonic S1R II – 9.5 EV (dla ISO 80).

Załamania widoczne głównie dla SNR = 1 i 2 przy przejściu z ISO 400 na 800 wynikają najprawdopodobniej z zastosowania dwóch poziomów wzmocnień, co widzieliśmy już wyżej na wykresie szumu przetwarzania.

Co ciekawe, dla kryterium „niskiej” jakości, dynamika dla ISO 40 i 80 przekracza nieco 14 EV, choć korzystaliśmy z RAW-ów 14-bitowych. Podejrzewamy, że ta niefizyczna wartość ma związek z redukcją sygnału w RAW przy tych nastawach, o czym pisaliśmy w poprzednim rozdziale, przy okazji omówienia darków.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowane na podstawie wykonanych pomiarów dla wszystkich czułości aparatu.

Wartość 0 na osi OX oznacza maksymalną wartość, którą aparat może zapisać w pliku RAW. Na prawej osi OY oznaczyliśmy miejsca dla kryteriów SNR=10 (wysoka), 4 (dobra), 2 (średnia) i 1 (niska). Przy pomocy tego wykresu każdy może oszacować dostępną dynamikę dla wybranej przez siebie minimalnej użytecznej jakości obrazu. 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, widzimy, że dla ISO 1600 dynamika wyniosła ok. 8.5 EV.

Przy omawianiu zakresu tonalnego pokazujemy tradycyjnie, jak zachowują się zdjęcia przy obróbce komputerowej, kiedy to rozjaśniamy je lub przyciemniamy. Zdjęcia wykonujemy przy czułości ISO 100 i 1600, przysłonie f/16 i czasach odpowiednio 30 i 2 s. Następnie wywołujemy je jako 48-bitowe TIFF-y dcrawem i w Lightroomie rozjaśniamy o +4 EV oraz przyciemniamy o −4 EV, po czym zapisujemy jako zdjęcia 24-bitowe.

	0 EV	+4 EV
64 ISO
Z8
80 ISO
GFX100 II
1600 ISO
GFX100 II
Z8

Trudno nam się doszukać istotnych różnic w jakości obrazu po jego rozjaśnieniu. W obu modelach, dla niskich ISO widzimy, że szum się zbytnio nie uwidocznił i widać sporo detali. Dla ISO 1600 z kolei, w obu przypadkach zakłóceń jest dużo i praktycznie zdominowały one obraz.

Przyciemnianie jasnych partii obrazu daje podobny efekt w obu aparatach, a widoczne różnice są raczej spowodowane różną jasnością oryginalnych zdjęć. Miejsca przepalone takowymi pozostaną.

	0 EV	−4 EV
64 ISO
Z8
80 ISO
GFX100 II
1600 ISO
GFX100 II
Z8