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 czułości, przedstawione jako średnie wartości ze wszystkich grup senseli, są o 1 i 1/2 – 1 i 2/3 EV poniżej wartości nominalnych. Wyjątkiem są rozszerzone czułości ISO 25600 i 51200, które powstają programowo, a zatem rzeczywista czułość jest w ich przypadku zbliżona do tej dla nastawy ISO 12800.

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 trzech najniższych nastaw natywnych (ISO 125, 200 i 400) zanotowaliśmy ok. 4 elektrony, natomiast dla pozostałych (800–12800) ok. 2. Może to oznaczać, że zastosowano tutaj architekturę dual-gain, czyli dwóch 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 dwa poziomy wzmocnień, warunek ten byłby spełniony w obrębie danego poziomu.

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 czułości na jedną jednostkę kwantyzacji przetwornika ADC przypadają 4 elektrony. Przy 14-bitowym przetworniku daje to pojemność studni potencjałów (ang. full well capacity) na poziomie 61 ke^—. Wynik ten jest dość wysoki, szczególnie jak na tak duże upakowanie pikseli. Przykładowo, w Leice Q zanotowaliśmy 33 ke^—.

Z wykresu widać, że punkt wzmocnienia jednostkowego wypada dla czułości 201 (czyli mniej więcej dla nastawy ISO 560). 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 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 posiada widocznych załamań, co oznacza, że w testowanym aparacie najprawdopodobniej nie mamy do czynienia z odszumianiem surowych plików w zakresie czułości natywnych, tj. do ISO 12800 włącznie.

Zobaczmy jeszcze porównanie poziomu szumu luminancji pomiędzy testowanym modelem, a Leiką Q3 i Ricohem GR IIIx.

W związku z największym upakowaniem pikseli, nie dziwi, że X100VI generuje najwyższy szum. Dla nastawy ISO 6400 ustępuje on kompaktom Leiki i Ricoha nieco ponad 1/2 EV.

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.

Z jednej strony, X100VI rejestruje naprawdę sporo detali. Trudno się jednak oprzeć wrażeniu, że występuje tu lekka miękkość obrazu. Wygląda, jakby na wizualny odbiór zdjęć mocniej niż u poprzednika wpłynęły wady optyczne obiektywu. Jeśli chodzi i poziom szumu, to wybrane aparaty prezentują się w miarę podobnie do ISO 3200. Dla kolejnej nastawy widać lekką przewagę pełnoklatkowej Leiki.

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.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla najniższej czułości liczba tonów wynosi 244, czyli otrzymujemy 7.9-bitowy zapis danych. To niezły wynik, trochę lepszy niż u poprzednika (7.4 bita). Odrobinę lepiej wypadła Leica Q3 (8.1 bita), a także Ricoh GR IIIx (8.6 bita).

Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego do wartości 6.6 bita dla ISO 1600, co stanowi 95 półtonów. Dla maksymalnego dostępnego ISO (rozszerzonego) przejść tonalnych jest już tylko 37, co daje 5.2 bita.

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 przy ISO 125 (najniższej natywnej czułości) testowany aparat osiągnął bardzo dobry wynik 9 EV, co daje pewność otrzymania gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Nieco wyższą wartość zanotowaliśmy w teście Ricoha GR IIIx dla bazowego ISO (9.2 EV), natomiast trochę słabiej wypadła Leica Q3 (8.3 EV), a także poprzednik, X100V (8.1 EV).

Pomiędzy nastawami ISO 200 i 400 można dostrzec niewielkie załamanie (widoczne najlepiej dla niskiej jakości) co ponownie sugeruje stosowanie architektury dual-gain, czyli dwóch poziomów wzmocnień. Przy SNR=1, od ISO 800 widać wolniejszy spadek dynamiki wraz ze wzrostem czułości, choć ten zysk jest raczej skromny. Dla tego poziomu jakości, X100VI osiąga maksymalnie 13.6 EV, co oznacza, że trochę brakuje, by wykorzystywany był cały zakres pracy przetwornika ADC.

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 8 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 125
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 125
ISO 1600

Przyciemnienie zdjęć nie pozwoliło odzyskać jakichkolwiek informacji z przepalonych obszarów. Łatwo dostrzec natomiast różnice w powierzchni obu białych obszarów (przy ISO 1600 jest on bardziej rozległy), skorelowane zresztą z wynikami pomiaru czułości ISO dla tych dwóch nastaw.

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 800 do 1200. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 100 000 zliczeń.

Warto jeszcze dodać, że Fujifilm po kilku latach zdecydowało się poprawić błąd wskazań czasu przy długich naświetlaniach. Do tej pory, większość aparatów tej firmy zapisywała w EXIF-ie nieprawidłową wartość. Np. darki wykonywane z czasem 180 sekund, miały w metadanych zapisaną ekspozycję 200 sekund. W modelu X100VI zostało to wreszcie skorygowane i problem ten nie występuje.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
64
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200

Na początek warto zauważyć, że matryca X-Tran CMOS HR piątej generacji posiada bias na tym samym, dość wysokim poziomie około 1024, co jej czwarta i trzecia implementacja.

Jeżeli chodzi o wygląd histogramów, to do ISO 6400 ich kształt nie budzi większych zastrzeżeń, choć nieco odbiega on od rozkładu Poissona (zaburzenie w maksimum sygnału). Szum, reprezentowany przez odchylenie standardowe, w zakresie nastawy natywnych rośnie jednak proporcjonalnie. Same darki natomiast wyglądają naprawdę dobrze, nie widać bowiem oznak bandignu, czy lokalnego grzania się sensora. Niepokojąco i zastanawiająco wygląda natomiast swoista „plama” w dolnej części kadru, nieco na prawo. Nie jest to zabrudzenie sensora, bowiem takowe nie byłoby widoczne przy ekspozycji bez dostępu światła. Widać je jednak tylko w powyższych plikach z ograniczonym sygnałem, także prawdopodobnie nie powinna stanowić większego problemu.

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Dla porządku prezentujemy również darki w formacie JPEG.

JPEG
ISO	Dark Frame	Crop
64
125
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200