¿Por qué son diferentes las fotografías?

Permíteme introducir mi respuesta a tu duda con la siguiente matización: la calidad de imagen depende de la óptica, el sensor y el procesado... "procesado", no "procesador".
Es un hecho demostrable, y relativamente común, que varios fabricantes van probando cambios (en teoría a mejor) en la programación interna de sus cámaras, y que a menudo lo hacen sin necesidad de cambiar un chip procesador de imagen que es lo suficientemente reprogramable y versátil para adaptarse a los cambios de programación, y de hecho y en no pocos casos, incluso de cámara; así, por ejemplo, tenemos que el mismo procesador DIGIC II de Canon ha servido a compactas como la IXUS 60 y la PowerShot G6, pero también a réflex como la EOS 30D, en tanto que el nuevo DIGIC III se ha empleado en compactas como la IXUS 75 y PowerShot G7, y en réflex como la EOS 1D Mark III; en Panasonic, el sensor Venus Engine II ha sido usado en cámaras tan dispares como la FX2 y la FZ30, mientras que el Venus Engine III se ha empleado, con escasas o nulas variantes, en modelos desde la TZ2 o la FX10 hasta las FZ50, LX2, y aún la réflex L1. Por fin, incluso Fuji reutiliza sus procesadores de imagen hasta que cree conveniente cambiarlos, y el Real Photo Processor II ha sido empleado en cámaras tan distintas en prestaciones, precio y antigüedad como las Fuji F20, F30, F31fd, F40fd, S6500fd, e incluso en la novísima F50fd, que sin embargo sí ha actualizado su sensor a la 7ª generación; sólo la réflex S5 Pro parece tener una ligera variante de este procesador, el Real Photo Processor Pro.
Todo esto viene a demostrar que los procesadores de imagen de las cámaras digitales suelen ser bastante adaptables, y a menudo sirven lo mismo para una cámara con distintas prestaciones físicas, que para modificar las prestaciones virtuales, la programación interna, ya sea para añadir más funciones (véase por ejemplo la tecnología de detección facial, añadida a las Fuji sin cambiar su procesador RPP II, o a las Panasonic sin cambiar su VE III), o para retocar las existentes (véase, en este caso, el comienzo de una reducción de ruido aún más agresiva en las Panasonic, especialmente del ruido cromático, que comenzó con el estreno del Venus Engine III en la cámara TZ1, culminó con el destrozo sin paliativos de las imágenes JPEG a ISOs altas en las FZ50 y LX2, y volvió luego a moderarse en las más recientes FX30/50/100, todo ello sin cambiar para nada un procesador Venus Engine III que, sin embargo, se ha labrado una muy mala reputación, que en realidad correspondería a los programadores de esos modelos de cámaras y no al ingeniero que diseñó el VE III).
Pero la prueba más evidente la tienes en las propias Fuji F30 y F31fd que tú mencionas; no sé tú, pero yo soy consciente de que mucha gente está convencida de que el rendimiento ISO de la F20 es inferior, y creo que es un error de percepción que pocos se han molestado en subsanar, tal vez porque de todos modos la F20 es más económica y, digamos, "se comprendería".
Para continuar, echa un vistazo a esta comparación:
http://www.dpreview.com/reviews/FujifilmF31fd/page10.asp
¿Cómo es posible que la F31fd tenga, aparentemente, PEOR rendimiento ISO (o sea, más ruido, y por tanto -en principio- menos calidad de imagen) que la F30? ¿Si el sensor, la óptica y el procesador son los mismos? ¿Si la F31 se supone de hecho que es una ligera mejora de la F30, y muchos incluso dicen que en efecto "está algo mejor en el tema del ruido"? ¿Qué está pasando?
Lo que está pasando es que, pese a los evidentemente muy buenos resultados a ISOs altas de la F30, algunos se quejaron -y no sin razón- de que parecía estar consiguiendo buena parte de su rendimiento ISO a base de una reducción interna de ruido bastante agresiva, más que de un sensor verdaderamente poco ruidoso; de hecho yo tengo la F30, y puedo atestiguar que, si bien creo que en realidad la ventaja nativa del sensor es real (porque, por mucha reducción de ruido que se haga, hay fotos que realmente no saldrían así de bien si el sensor no fuese de verdad bueno), es cierto que he observado efectos de una reducción de ruido bastante agresiva.
Y aquí es donde entra un poco la filosofía de cada fotógrafo: unos (típicamente, aunque no siempre, los aficionados menos avanzados) aceptan gustosamente que la cámara se encargue casi por completo de la, a menudo inevitable, reducción de ruido por software, y entregue imágenes ya "terminadas", mientras que otros (con frecuencia los aficionados más avanzados) preferiríamos que la cámara procesase lo menos posible, porque tenemos la intención de hacerlo nosotros después, con el PC... y bastante mejor de lo que lo hace la cámara.
Así pues, Fuji escuchó aparentemente estas quejas y, de paso que añadía detección facial de enfoque y "pulía" un poco más el exposímetro interno, aprovechó para moderar la reducción de ruido en la programación de la F31fd. Al hacerlo, las fotos se ven más ruidosas, pero la ventaja de una reducción de ruido más moderada es que los detalles válidos de la imagen (texturas, contornos, nitidez) se ven menos estropeados, se conservan, y uno puede o bien optar por mantenerlos así aunque el ruido aparente sea mayor (hay gente a la que no le molesta tanto el ruido), o bien intentar eliminar el ruido con un programa de PC, por fuerza más sofisticado que el de la cámara, y que por tanto elimine el mismo o más ruido pero conservando mejor los detalles válidos.
En resumen, creo que la razón de la diferencia entre estas tres cámaras es que Fuji fue variando el procesado de imagen, reducción de ruido incluida, de un modelo a otro. En cuanto a por qué algunos se empeñan en afirmar que la calidad de la F20 es inferior a la de las F30 y F31fd, creo que es por lo siguiente: observa que la F20 salió DESPUÉS que la F30, pero ANTES que la F31fd; es evidente que en la F20 ya se apreciaban algunos de estos cambios en el procesado de imagen, pero como muchos no eran conscientes (en parte por culpa de Fuji, que nunca ha sido lo que se dice un dechado de transparencia a la hora de comentar los cambios que van haciendo aquí y allá) de que Fuji había tomado esa decisión, atribuyeron el mayor ruido aparente de la F20 a un rendimiento ISO más bajo EN EL SENSOR, y dado que la cámara es de un segmento más económico, lo atribuyeron a que el sensor debía en efecto ser inferior en alguna otra cosa; en cambio, cuando salió la F31fd y fue obvio que el sensor era el mismo, aparte de que habían moderado la reducción de ruido interna todavía otro poco más, muchos empezaron a darse cuenta de cuál había sido en realidad el cambio. No peor sensor, ni peor óptica, ni peor procesador... ni, en cierto modo, peor calidad... simplemente, DISTINTA calidad.