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 poza programowym ISO 50, czułości jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli są ok. 1 EV poniżej nominalnych. 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 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 1 do 10 elektronów, co oznacza, że jakość zaprojektowanej elektroniki stoi na całkiem wysokim poziomie. Prawdopodobnie oprogramowanie przetwornika ADC zmienia jego charakterystykę w zależności od użytej czułości, w idealnie pracującej matrycy wykres powinien być bowiem linią prostą, ze wszystkimi wartościami dla różnych czułości ISO na tym samym 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 fizycznej czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypada 1 elektron. Przy 14-bitowym przetworniku i ograniczeniu poziomem saturacji daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 35 ke^–. Taki wynik należy uznać za całkiem dobry przy stosunkowo upakowanej matrycy.

Z wykresu odczytać możemy, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada bardzo nisko, bo już dla nastawy ISO 50 (realnie 38) współczynnik konwersji wynosi 1. Takie podejście może ograniczać dynamikę tonalną ze względu na zmniejszony punkt nasycenia przetwornika ADC.

Szum całkowity

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

Szum narasta wykładniczo do nastawy ISO 1600 włącznie. Przy kolejnej widzimy niewielkie załamanie, które najpewniej wynika ze stosowania odszumiania. W przypadku RAW-ów takie postępowanie niezmiennie ganimy, choć w tym przypadku ingerencja nie jest zbyt duża.

Zobaczmy jeszcze porównanie poziomu szumu luminancji pomiędzy testowanym modelem a Canonem V1, Fujifilm X100VI i Ricohem GR IV.

Dla nastawy ISO 1600 Lumix L10 odznacza się najniższym poziomem szumu luminancji. Kompakt Panasonika notuje niecałe 1/2 EV przewagi nad V1 i prawie 2/3 EV względem X100VI. Nie bierzemy tu pod uwagę Ricoha GR IV, którego RAW-y są odszumiane już od ISO 400.

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 formacie RAW.

Aby 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 zdjęć z L10 dla bazowych nastaw ISO jest dobra i naszym zdaniem zbliżona do tego, co oferuje PowerShot V1. Nad obydwoma góruje jednak GR IV – w tej kategorii wyższa rozdzielczość i większa powierzchnia matrycy daje konkretne efekty.

Na wyższych czułościach, tj. ISO 1600-3200 najkorzystniej wizualnie wypada się aparat Ricoha. Procentuje tu wykorzystanie większego sensora i w gruncie rzeczy całkiem skutecznego odszumiania. Kolorowe zakłócenia bardziej rzucają się w oczy w Panasoniku, niż w Canonie – struktura szumu w V1 przypomina swoistą monochromatyczną „kaszkę”. Ostatecznie, naszym zdaniem, V1 sprawuje się trochę lepiej od L10.

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 nastaw czułości, gdzie aparat zarejestruje ponad 200 przejść tonalnych. Daje to gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Dla ISO 100 liczba tonów w L10 wynosi 263, co daje 8-bitowy zapis danych. Wynik ten plasuje L10 pomiędzy Canonem V1 (8.2 bita), a Fujifilm X100VI (7.9 bita dla ISO 125) i Ricohem GR IV (7.7 bita)

Wraz ze zwiększaniem czułości zakres tonalny oczywiście maleje. Przy ISO 1600 otrzymujemy wartości 6.5 bita (co daje około 92 przejść tonalnych), a dla ISO 6400 – 5.5 bita (46 przejść). Przy maksymalnym dostępnym ISO przejść tonalnych mamy już tylko 22.

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 Lumix osiąga wartość dynamiki tonalnej na poziomie 8.1 EV, co jest dość dobrym wynikiem. Konkurenci poradzili sobie jednak lepiej w tej części testu: V1 i X100VI uzyskały po 9 EV, natomiast GR IV – 8.8 EV.

Dla kryterium SNR=1 dynamika osiąga 12.4 EV dla bazowego ISO, co podaje w wątpliwość sens stosowania 14-bitowego przetwarzania. Pomogłoby pewnie obniżenie biasu, gdyż jego obecny poziom (2048) zauważalnie ogranicza osiągi dynamiki. Nie jest to dobry prognostyk w przypadku odzyskiwania danych z ciemnych partii obrazu.

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 przekracza wartość 7 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 100
ISO 1600

W tej części testu obserwujemy dość nietypową sytuację, gdyż rezultat rozjaśnienia obrazu dla obu nastaw ISO (100 i 1600) jest w miarę zbliżony. Oczywiście, przy wyższej czułości widać więcej szumu, ale dla ISO 100 jego poziom po prostu trochę zaskakuje – niestety in minus.

Przyciemnienie zdjęć nie pozwoliło odzyskać jakichkolwiek informacji z przepalonych obszarów.

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Lumix L10 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 poniższych przykładach ograniczyliśmy sygnał do zakresu 1792–2304 (szerokość 512). Identyczne zakresy zostały również odłożone na poziomej osi odpowiednich histogramów. Maksymalne wartości na osi pionowej wynoszą 200 000 zliczeń.

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

Niestety, skracający się maksymalny czas ekspozycji (od 64 sekund dla ISO 50 i 100 do 1/4 sekundy dla ISO 25600) wraz ze wzrostem czułości ISO nie pozwala miarodajnie ocenić testowanego aparatu w tej kategorii. Widać natomiast, że histogramy są poszarpane i odbiegają od rozkładu Poissona, co zapewne oznacza redukcję sygnału. Również darki nie prezentują się zachęcająco. Na wyższych czułościach zauważymy szerokie pionowe pasy, wskazujące na nierównomierne grzanie 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
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600