2014/11/22

M240 vs. A7 vs. E-P5 CMOS Sensor Comparison (New body survey)

這一篇文章是分成三個部分,第一部分是以DxOMark的測試數據比較M240與A7與E-P5的影像感測器規格差異,第二部分是使用ePhotoZine對這三台機身在不同ISO下拍攝的影像進行雜訊的比較,第三部分是討論M4/3與Leica M系統的畫質差異


這三部機身簡述如下:
Leica M240: 2400萬像素,擁有與最新機種M-P Type 240一樣之影像感測器
SONY A7: 2400像素, A7系列下之一般平價機種
Olympus E-P5: 1600萬像素, M4/3系統的熱門機(與E-PL6幾乎同規格)



第一部分:以DxOMark之測試數據進行比較:

真實ISO量測值: 
這一張圖是這3個機身的ISO設定值與實際量測值的差異,M240與A7有非常相似的量測值,皆比設定值低了25%左右(實際值=設定值x0.75)。而E-PL5的實際測試值只有設定值的50%(實際值=設定值x0.5),也就是說ISO約被灌水了一級。這個ISO設定值與量測值的差異在第二部分的影像雜訊比較時要特別的注意,因為ePhotoZine在拍攝比較影像時是依照相機上之ISO值設定後拍攝的,故直接在相同ISO設定下比較會有立足點不平等的問題,這後面會在詳述。另外一點要注意的是原生最低ISO值,我們在拍攝高品質畫面實常會把ISO值設定到最低,但是機身上的可設定最低值並不是影像感測器原生的最低值,而其是使用後處理的方式將ISO壓低並降低雜訊,這樣的處理會降低感測器原本的動態範圍,也就是經過低ISO的影像處理約會損失動態範圍一級左右,通常是高光端會比較早就過曝,經上圖的觀察得知A7的原生最低設定ISO值是100,而M240與E-P5的原生最低設定ISO值是200,這在拍攝相片上是需要注意的。而在最高設定ISO的部分A7可達20000,E-P5可達12800,M240可達5000。

訊噪比:
這一張圖是在各種實際ISO值(非設定值)下的訊噪比,在一般ISO下A7與M240的曲線幾乎重疊,E-P5的雜訊約比A7高4.5dB,這一張測試圖充分的展現出大尺寸感光元件的特性,因為E-P5的感測器像素間距為3.7um而M240與A7的間距為6um,接近一倍的像素大小差異得到接近一倍的雜訊差異(6db為一倍)似乎是合理的。

動態範圍:
這一張圖是各種實際ISO值下的動態範圍,這一張圖能讓機身的使用者瞭解到在各種不同的ISO下能使用的動態範圍有多高,A7與E-P5的動態範圍差異與SNR的差異相近似,但是M240的動態範圍在低ISO時接近A7而在高ISO時確比E-P5還要差一點點,這樣的結果到是有一點讓人意外,也搞不清楚為什麼會有這樣的表現,也許日後有機會拿到實機後實際測試一下就能明白當中的問題。A7在最低ISO下的動態範圍達到14Ev是很好的數據,而M240可達到13.2Ev,E-P5可達到12.3Ev,如同時看ISO150下的動態範圍差異可發現A7與M240均比E-P5高1Ev,這樣的差異與他們之間SNR的差異相似也合乎預期。

彩色深度:
彩色深度可以想成是影像感測器可展現出顏色的數目,24bit就是有2的24次方也就是1600萬種顏色可被展現出來,在ISO150下A7與M240都擁有24bit的展現能力而E-P5有22.5bit的展現能力,也就是說在ISO150時E-P5可以展現出的色彩顏色數目只有A7與M240的一半不到(約是1/2.8) ,這樣的色彩顏色數目差異大約會一直延伸到ISO5000。

DxOMark比較總結:
E-P5與M240使用的影像感測器的技術是2012年的技術,而A7的影像感測器則是2013年的技術,在相差一年的技術差異下M240在低ISO的特性能直逼A7代表M240使用CMOSIS公司所出品的全幅影像感測器是有其獨到的技術優勢在,而E-P5是受限於其半片幅的影像感測器尺寸,無論是SNR還是動態範圍與色彩展現都與A7間有很大的差異,期待新一代的M4/3影像感測器的特性能有進一步的改進。



第二部分:以ePhotoZine之拍攝樣張進行比較

以上第一部分是僅就DxOMark的測試數據進行比較,但是沒有看到實際拍攝的影像總是有一點摸不著邊的感覺,故以下我們使用ePhotoZine對M240與A7與 E-PL5進行的試拍結果進行進一步的比較,這一些比較的截圖是由以下的拍攝RAW檔經過Lightroom5.2轉出成JPG後截取中央部分200 x 200 pixels的區域為比較依據,轉圖中並不起動雜訊消除之機制。
在觀察以下各種ISO設定值下拍攝的影像100%截圖以前有一些問題要注意一下,其一是設定ISO值並不等於實際ISO值,M240與A7的實際ISO值約比社定ISO值要低約25%,E-P5的實際ISO值約為設定ISO值的一半,(關於這實際ISO值與設定ISO值的差異可參看前面DxOMark的測試數據) ,舉例說明就是如M240設定成ISO200實際只有ISO150,E-P5設定成ISO200實際只有ISO100,所以下圖之第一列的比較實際上是M240與A7於ISO150下與E-P5於ISO100的比較圖,故實際讀圖實需要自行去調整一下比較的結果。其二是不知道是對焦的誤差還是其他的原因如鏡頭或是光圈設定等因素,導致M240與E-P5的拍攝結果比較模糊,但是我們瞭解到無論是對焦還是鏡頭因素都是不會影響影像感測器的雜訊特性的,在此我們主要比較的是影像感測器間的雜訊特性,故在觀察比較時也需要自行調整一下比較時的觀察重點,要觀察的是不同顏色與明暗區塊上噪點的大小與數量,而不要被誤導去看邊緣的清晰度。

以下比較圖由左至右分別是M240與A7與E-P5:


設定ISO200



設定 ISO400




設定 ISO800

 

設定ISO1600




設定ISO3200



設定 ISO6400


經過以上截圖的仔細比較,我們發現自設定ISO400後開始有肉眼可見的噪點出現,由設定ISO400至設定ISO3200間M240的噪點尺寸明顯的要比A7小一些,也就是說以稍遠的觀看距離觀察時M240會比A7的畫面要乾淨一些,但是設定ISO6400時M240的噪點尺寸就要比A7大一些。而E-P5的噪點尺寸由設定ISO400至設定ISO6400都比A7要大很多。而M240與E-P5間的比較差異大約是M240於設定ISO3200時與E-P5設定ISO1600時的噪點尺寸接近,這換算成實際ISO下的比較約是M240在實際ISO2400時與E-P5在實際ISO800時的噪點尺寸相當,這樣的比較結果也可和前面DxOMark的SNR測試進行乎應。如下圖,我們自E-P5實際ISO800處畫一條水平線至右方與M240交匯處約在實際ISO2000的位置,表示E-P5在ISO800時的SNR與M240在ISO2000時的SNR一樣,SNR值即是表示雜訊的大小,故DxOMark的測試在這一方面是與ePhotoZine的測試接近的。但是M240與A7的差異在ePphotoZine上看的出來(A7的噪點尺寸比M240大一些) ,但是在DxOMark上的測試我們卻看不出有這樣的差異(M240與A7在一般ISO下的SNR曲線幾乎重疊),是故想要深入明白各機身間的影像雜訊特性,不能只靠DxOMark的測試數據,必須還要參照實際拍攝的結果比較才是。



第三部分:為何選用Leica M系統?

以上兩部分對3種機身的影像感測器特性進行比較主要是基於尋找一個新的全片幅無反射鏡片相機的機身以輔助原本使用的M4/3機身之不足,M4/3系統身為無反射鏡相機成員之一且具有很多的優勢與特點,包括重量輕體積小機動性佳對焦快速連拍速高與鏡頭支援豐富等優點,但是致命的缺陷就雜訊偏高,動態範圍較低,畫面細節缺失等問題,雜訊與動態範圍的問題還可以依靠曝光技巧加以擬補,但是畫面細節缺失這個問題就比較無能為力,我猜測這個問題主要導因於兩個原因,一是M4/3之片幅寬度只有一般全片幅的一半故對於鏡頭的要求較高,相同鏡頭的lp/mm數據在M4/3系統中只能描繪出全片幅一半的解析度,其二是M4/3影像感測器前方的濾鏡堆疊組厚度過厚(4mm),導致成像畫質因折射率之關係而略有損失,以下的兩幅成像100%截圖可觀察出Olympus E-PL6與Leica M的成像細節差異,在一般細節下M4/3尚可但是在極小細節時Leica M系統的描繪能力就高過很多。而感測器的解析度應該反而不是主要差異產生的原因如下圖右邊為Leica M9的截圖,M9為1800萬像素與M4/3的1600萬像素極為接近:

 上圖左為M4/3右為Leica M

這樣的細節描繪特性差異在描繪超出解析度以上之物件時展現出的就是以下的差別,M4/3的物件糊成一團而Leica M則能產生毛茸茸的觀感,自此不得不佩服Leica數位機身搭配上M接環鏡頭的優勢了,事實上Leica系統並不是像一般人所認為的那樣有著稜角般銳利的畫質而是擁有豐富的細節描繪能力,這是我的看法。而Ken Rockwell甚至認為Leica數位機身並不是業界中最好的,但是搭配上頂尖的Leica鏡頭後成像的結果確是業界中最銳利的

上圖左為M4/3右為Leica M


為何不採用SONY A無反系統:
當然機身的選用除了考量影像感測器的特性以外,鏡頭的支援程度也是評估的重點之一,SONY A7的最大致命傷就是可支援鏡頭數量的不足,因為SONY投入全片幅的機身製造只有不到10年的光景,而投入無反全片幅機身則是2年前的事,當然還無法累積出完整的鏡頭支援,而Leica M系統就完全沒有這個問題,自銀鹽底片的1950年代Leica就一直在研發生產M接環的鏡頭,至今已有上百種鏡頭問世供銷費者選用。


為何不採用SONY A機身與Leica M鏡混用:
訪間有眾多的Leica M鏡的使用者嘗試將M接環之鏡頭轉接到SONY A系列的機身上使用,得到了反應不一的評論,大多數的問題出在廣角鏡的邊緣色彩偏移與失焦,尤其在大光圈下的失焦狀況更是嚴重,所以使用A7機身來轉接目前在市面上為數眾多的Leica M鏡變成了不可行的方案,現今還是一致的公認以Leica M系列的機身接上Leica M接環的鏡頭展現出的特性是最佳的。


為何不採用SONY A機身與Nikon F鏡混用:
使用Nikon為數眾多的手動鏡頭轉接到Sony A7上的做法也曾被列入選項之一,但是因為Nikon鏡頭的法藍距過長導致轉接到A7機身後鏡頭端會非常的凸出而使得無反機身的短小優勢盡失,故幾經考量後還是決定不採用此種方案。


最後:
最後還是決定購入Leica M系統做為輔助M4/3之不足,待系統到手後會再進行更細部的機身與鏡頭的比較。


PS. A7與E-P5與M240的部份規格比較表:


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