КАЧЕСТВО ОБЪЕКТИВА:MTF, РАЗРЕШЕНИЕ И КОНТРАСТ

Качество объектива сейчас важнее, чем когда-либо, в связи с постоянно растущим числом мегапикселей в современных цифровых камерах. Часто разрешение ваших цифровых фотографий на самом деле ограничено объективом камеры, а не разрешением самой камеры. Тем не менее, расшифровка графиков MTF и сравнение разрешения различных объективов может стать настоящей наукой. В этом учебном пособии представлен обзор основных понятий и терминов, используемых для оценки качества линз. По крайней мере, надеюсь, это заставит вас дважды подумать о том, что важно при покупке следующей цифровой камеры или объектива.

РАЗРЕШЕНИЕ И КОНТРАСТ

Вероятно, все знакомы с концепцией разрешения изображения, но, к сожалению, этому единственному показателю часто уделяется слишком много внимания. Разрешение описывает только то, сколько деталей способен передать объектив, а не обязательно качество деталей. захвачен. Поэтому на наше восприятие качества и резкости цифрового изображения часто влияют другие факторы.

Чтобы понять это, давайте посмотрим, что происходит с изображением, когда оно проходит через объектив камеры и записывается датчиком камеры. Для простоты мы будем использовать изображения, состоящие из чередующихся черных и белых линий («пары линий»). За пределами разрешения вашего объектива эти линии, конечно, больше не различимы:

<тд>→ <тд> <тд>→ <тд> <тд> <тд>

Пары линий высокого разрешения	Объектив	Неразрешенные пары линий

Пример пар линий, разрешение которых меньше, чем разрешение объектива камеры.

Однако, вероятно, менее понятно, что происходит с другими, более толстыми линиями. Несмотря на то, что они все еще разрешены, они постепенно ухудшаются как в контрасте, так и в четкости краев (см. Резкость:разрешение и резкость) по мере того, как они становятся тоньше:

<тд>→ <тд> <тд>→ <тд> <тд> <тд>

Постепенно тонкие линии	Объектив	Постепенно уменьшающаяся контрастность и четкость краев

Таким образом, для двух объективов с одинаковым разрешением видимое качество изображения будет в основном определяться тем, насколько хорошо каждый объектив сохраняет контраст по мере того, как эти линии становятся все более узкими. Однако для того, чтобы провести объективное сравнение объективов, нам необходимо установить способ количественной оценки этой потери качества изображения...

MTF:ФУНКЦИЯ ПЕРЕДАЧИ МОДУЛЯЦИИ

Функция передачи модуляции (MTF) количественно определяет, насколько хорошо сохраняются региональные вариации яркости объекта, когда они проходят через объектив камеры. Пример ниже иллюстрирует кривую MTF для идеального* объектива:

Увеличение частоты пары линий →
Крайний правый =максимальное разрешение / предел дифракции.

Примечание. Расстояние между черными и белыми линиями увеличено для улучшения видимости.
Кривая MTF предполагает круглую апертуру; другие формы апертуры дадут немного другие результаты.

*Идеальный объектив — это объектив, детализация которого ограничена только дифракцией.
См. руководство по дифракции в фотографии, чтобы узнать больше об этой теме.

MTF, равная 1,0, представляет собой идеальное сохранение контраста, тогда как значения ниже этого значения означают, что все больше и больше контраста теряется — до тех пор, пока MTF не станет равным 0, когда пары линий вообще нельзя будет различить. Этот предел разрешения является неизбежным барьером для любого объектива; это зависит только от апертуры объектива камеры и не связано с количеством мегапикселей. На рисунке ниже идеальный объектив сравнивается с двумя реальными примерами:

Увеличение частоты пар линий →

Очень качественный объектив камеры (близок к дифракционному пределу)

Объектив камеры низкого качества (далеко от дифракционного предела)

Сравнение идеального объектива с ограничением дифракции (синяя линия) и реальных объективов камер.
Иллюстрация пары линий под графиком не относится к идеальному объективу.
Наведите указатель мыши на каждую из меток. чтобы увидеть, как часто различаются объективы высокого и низкого качества.

Синяя линия выше представляет собой кривую MTF для идеальной линзы с «ограничением дифракции». Ни один объектив в реальном мире не ограничен только дифракцией, хотя объективы для высококачественных камер могут приблизиться к этому пределу, чем объективы более низкого качества.

Пары линий часто описываются с точки зрения их частоты:количества линий, которые укладываются в заданную единицу длины. Поэтому эта частота обычно выражается в терминах «LP/мм» — количество пар линий (LP), сосредоточенных в миллиметре (мм). В качестве альтернативы иногда эта частота вместо этого выражается в терминах ширины линии (LW), где две LW равны одной LP.

Самая высокая частота строк, которую объектив может воспроизвести без потери более 50% ЧКХ («ЧЧЧ-50»), является важным числом, поскольку хорошо коррелирует с нашим восприятием резкости. Высококачественный объектив с MTF-50 50 LP/мм будет казаться намного более резким, чем, например, объектив более низкого качества с MTF-50 20 LP/мм (при условии, что они используются на одной и той же камере и в такая же апертура; подробнее об этом позже).

Однако приведенная выше диаграмма MTF в зависимости от частоты обычно не используется для сравнения объективов. Знание только (i) максимального разрешения и (ii) MTF, возможно, на двух разных частотах линии обычно более чем достаточно. Часто важнее знать, как изменяется MTF в зависимости от расстояния от центра вашего изображения.

MTF обычно измеряется вдоль линии, идущей от центра изображения в дальний угол, при фиксированной частоте строки (обычно 10-30 пар линий/мм). Эти линии могут быть либо параллельны направлению, идущему от центра (сагиттальные), либо перпендикулярны этому направлению (меридиональные). В приведенном ниже примере показано, как эти линии могут быть измерены и показаны на диаграмме MTF для полнокадровой 35-мм камеры:

Пары меридиональных (круговых) линий

Пары сагиттальных (радиальных) линий

→ Расстояние от центра [мм]

Детали в центре изображения практически всегда будут иметь самую высокую ЧКХ, а позиции, расположенные дальше от центра, часто будут иметь все более низкие значения ЧКХ. Вот почему углы объектива камеры практически всегда являются самой мягкой и низкокачественной частью ваших фотографий. Позже мы обсудим, почему сагиттальная и меридиональная линии расходятся.

КАК ЧИТАТЬ ГРАФИК MTF

Теперь мы можем, наконец, применить все вышеперечисленные концепции на практике, сравнив свойства зум-объектива с объективом с постоянным фокусным расстоянием:

Объектив Canon 16-35mm f/2.8L II
(зум установлен на 35 мм) Объектив Canon 35mm f/1.4L Prime

На вертикальной оси у нас есть значение MTF из предыдущего, где 1,0 представляет идеальное воспроизведение пар линий, а 0 представляет пары линий, которые больше не отличаются друг от друга. По горизонтальной оси отложено расстояние от центра изображения, причем 21,6 мм — это дальний угол на 35-мм камере. Для сенсора с 1,6-кратным кадрированием вы можете игнорировать все, что выходит за пределы 13,5 мм. Кроме того, все, что превышает 18 мм с полнокадровым сенсором, будет видно только в крайних углах фотографии:

Примечание. Для сенсора 1,5X дальний угол равен 14,2 мм, а дальний край — 11,9 мм.
Подробнее о том, как они влияют на качество изображения, см. в руководстве по размерам сенсоров цифровых камер.

Все линии, которые выглядят по-разному на приведенных выше графиках MTF, поначалу могут показаться ошеломляющими; главное смотреть на них по отдельности. Каждая строка представляет отдельную MTF при различных условиях. Например, одна линия может представлять значения MTF, когда объектив имеет диафрагму f/4,0, а другая может представлять значения MTF при f/8,0. Большим препятствием для понимания того, как читать график MTF, является изучение того, к чему относится каждая линия.

Каждая линия выше имеет три разных стиля:толщина, цвет и тип. Вот разбивка того, что представляет каждый из них:

Толщина линии:	Жирный → 10 LP/мм – мелкий контраст Тонкий → 30 LP/мм – разрешение или мелкие детали
Цвет линии:	Синий → Диафрагма f/8.0 Черный → Диафрагма полностью открыта
Тип линии:	Пары штриховых → меридиональных (концентрических) линий Пары сплошных → сагиттальных (радиальных) линий

Поскольку данная линия может иметь любую комбинацию толщины, цвета и типа, на приведенном выше графике MTF всего восемь различных типов линий. Например, кривая, выделенная жирным шрифтом, синяя и пунктирная, будет описывать MTF меридиональных линий 10 LP/мм при апертуре f/8,0.

Черные линии . Они наиболее актуальны, когда вы используете объектив при слабом освещении, вам нужно зафиксировать быстрое движение или нужна небольшая глубина резкости. ЧКХ черных линий почти всегда будет наихудшим сценарием (если только вы не используете необычно малую апертуру).

В приведенном выше примере черные линии, к сожалению, не являются честным сравнением яблок с яблоками, поскольку широко открытая диафрагма различна для каждого из вышеупомянутых объективов (f / 2,8 на зуме против f / 1,4 на прайме). Это основная причина, по которой черные линии на объективе с фиксированным фокусным расстоянием выглядят намного хуже. Однако, учитывая, что у фикс-объектива есть такой недостаток, он ведет себя весьма превосходно — особенно при 10 LP/мм в центре и при 30 LP/мм по краям изображения. Поэтому весьма вероятно, что объектив с постоянным фокусным расстоянием превзойдет зум-объектив, когда они оба будут иметь f/2,8, но мы не можем сказать наверняка, основываясь только на приведенных выше диаграммах.

Синие линии . Они наиболее актуальны для пейзажной фотографии или других ситуаций, когда вам нужно максимизировать глубину резкости и резкость. Они также более полезны для сравнения, потому что синие линии всегда должны быть при одной и той же диафрагме:f/8.0.

В приведенном выше примере объектив с постоянным фокусным расстоянием имеет лучшую ЧКХ во всех положениях как для высокочастотных, так и для низкочастотных деталей (30 и 10 LP/мм). Преимущество основного объектива еще более заметно по отношению к внешним областям изображения камеры.

Жирные и тонкие линии . Жирные линии описывают степень резкости или мелкомасштабного контраста, тогда как тонкие линии описывают более мелкие детали или разрешение. Жирные линии часто являются приоритетом, поскольку высокие значения могут означать, что ваши изображения будут иметь более трехмерный вид, подобно тому, что происходит при локальном повышении контрастности.

В приведенном выше примере оба объектива имеют одинаковый контраст при f/8.0, хотя фикс-объектив здесь немного лучше. Зум-объектив практически не теряет контрастности при широко открытой диафрагме по сравнению с f/8.0. С другой стороны, объектив с постоянным фокусным расстоянием немного теряет в контрасте при переходе от f/8,0 к f/1,4, но это, вероятно, потому, что f/1,4-f/8,0 — это гораздо большее изменение, чем f/2,8-f/8,0. .

АСТИГМАТИЗМ:САГИТТАЛЬНЫЕ и МЕРИДОНАЛЬНЫЕ ЛИНИИ

Штриховые и сплошные линии . В этот момент вы, вероятно, задаетесь вопросом:зачем показывать MTF как для сагиттальной («S»), так и для меридиональной («M») пар линий? Разве это не то же самое? Да, в прямом центре изображения они всегда идентичны. Однако чем дальше от центра, тем интереснее становится. Всякий раз, когда пунктирная и сплошная линии начинают расходиться, это означает, что степень размытия не одинакова во всех направлениях. Этот артефакт, снижающий качество изображения, называется астигматизмом. ,", как показано ниже:

Выберите тип аберрации:

Астигматизм:MTF в S> M

Астигматизм:MTF в M> S

Астигматизм отсутствует:MTF в M=S

Наведите указатель мыши на метки на изображении справа, чтобы увидеть эффект астигматизма.
S =сагиттальные линии, M =меридиональные линии
Примечание. Технически S выше будет иметь немного лучшую MTF, потому что он ближе к центру изображения; однако для целей этого примера мы предполагаем, что M и S находятся в одинаковых позициях.

Когда MTF в S больше, чем в M, объекты размыты в основном вдоль линий, исходящих из центра изображения. В приведенном выше примере это приводит к тому, что белые точки кажутся расходящимися наружу от центра изображения, почти как если бы они были размыты в движении. Точно так же объекты размываются в противоположном (круговом) направлении, когда MTF в M больше, чем в S. Многие из вас, читающих это руководство прямо сейчас, возможно, даже используют очки, корректирующие астигматизм...

Техническое примечание :с широкоугольными объективами M-линии с гораздо большей вероятностью будут иметь более низкую MTF, чем S-линии, отчасти потому, что они пытаются сохранить прямолинейную проекцию изображения. Таким образом, по мере того, как угол обзора становится шире, объекты на периферии становятся все более растянутыми/искаженными в направлениях, уходящих от центра изображения. Таким образом, широкоугольный объектив со значительным бочкообразным искажением может обеспечить лучшую MTF, поскольку объекты на периферии растягиваются намного меньше, чем в противном случае. Однако, как правило, это неприемлемый компромисс с архитектурной фотографией.

На графиках MTF для зум-объектива Canon по сравнению с объективом с фиксированным фокусным расстоянием оба объектива начинают демонстрировать ярко выраженный астигматизм на самых краях изображения. Однако с основным объективом происходит кое-что интересное:тип астигматизма меняется на противоположный при сравнении объектива с f/1,4 и с f/8,0. При f/8.0 объектив в основном размывает в радиальном направлении, что является обычным явлением. Однако при f/1,4 объектив с постоянным фокусным расстоянием в основном дает размытие в круговом направлении, что встречается гораздо реже.

Что означает астигматизм для ваших фотографий? Вероятно, самым большим следствием, помимо уникального внешнего вида, является то, что стандартные инструменты для заточки могут работать не так, как предполагалось. Эти инструменты предполагают, что размытие одинаково во всех направлениях, поэтому вы можете чрезмерно повысить резкость некоторых краев, оставив другие края размытыми. Астигматизм также может быть проблематичным на фотографиях, содержащих звезды или другие точечные источники света, так как это сделает асимметричное размытие более заметным.

MTF И ДИАФРАГМА:ПОИСК «САМОЙ ЗОНЫ» ОБЪЕКТИВА

MTF объектива обычно увеличивается для последовательно более узких апертур, затем достигает максимума для промежуточных апертур и, наконец, снова снижается для очень узких апертур. На рисунке ниже показан MTF-50 для различных значений диафрагмы на высококачественном объективе:

Диафрагма, соответствующая максимальному MTF, является так называемой «зоной наилучшего восприятия» объектива, поскольку при этой настройке изображения обычно имеют наилучшую резкость и контрастность. На полнокадровой камере или камере с кропнутой матрицей этот диапазон обычно находится где-то между f/8.0 и f/16, в зависимости от объектива. Расположение этой точки также не зависит от количества мегапикселей в вашей камере.

Технические примечания :

• При больших значениях диафрагмы разрешение и контраст обычно ограничиваются световыми аберрациями.
  Аберрация – это когда из-за несовершенной конструкции объектива точечный источник света на изображении не сходится с точкой на датчике камеры.
• При малых значениях диафрагмы разрешение и контрастность обычно ограничиваются дифракцией.
  В отличие от аберраций, дифракция – это фундаментальный физический предел, вызванный рассеянием света, и это не обязательно ошибка конструкции объектива.
• Поэтому объективы высокого и низкого качества очень похожи при использовании с малой диафрагмой
  (например, f/16–32 на полнокадровой или кропнутой матрице).
• Высококачественные объективы действительно выделяются благодаря большой апертуре, поскольку материалы и конструкция объектива имеют гораздо большее значение. На самом деле у идеального объектива не было бы даже «золотого пятна»; оптимальная диафрагма будет просто широко открыта.

Однако не следует делать вывод, что оптимальная настройка диафрагмы совершенно не зависит от того, что фотографируется. Лучшее место в центре изображения может не совпадать с тем, где края и углы изображения выглядят лучше всего; это часто требует перехода к еще более узкой апертуре. Кроме того, все это предполагает, что ваш объект находится в идеальном фокусе; резкость объектов за пределами глубины резкости, скорее всего, все равно улучшится, даже если ваша диафрагма больше так называемой точки наилучшего восприятия.

СРАВНЕНИЕ КАМЕР И ОБЪЕКТИВОВ РАЗНЫХ БРЕНДОВ

Большая проблема с концепцией MTF заключается в том, что она не стандартизирована. Поэтому сравнение различных графиков MTF может быть довольно сложным, а в некоторых случаях даже невозможным. Например, графики MTF от Canon и Nikon нельзя сравнивать напрямую, поскольку Canon использует теоретические расчеты, а Nikon использует измерения.

Однако, даже если бы кто-то проводил свои собственные тесты MTF, они все равно столкнулись бы с проблемами. Типичная самостоятельная диаграмма MTF фактически отображает чистую общую MTF оптической системы вашей камеры — и не только ЧКХ объектива. Этот чистый MTF представляет собой объединенный результат от объектива, сенсора камеры и преобразования RAW в дополнение к любой резкости или другой постобработке. Поэтому измерения MTF будут различаться в зависимости от того, какая камера используется для измерения или типа программного обеспечения, используемого для преобразования RAW. Поэтому целесообразно сравнивать только графики MTF, которые были измерены с использованием идентичных методологий.

Кадрированные и полнокадровые датчики . Нужно быть особенно осторожным при сравнении графиков MTF для камер с разными размерами сенсоров. Например, кривая MTF при 30 LP/мм на полнокадровой камере не эквивалентна другой кривой MTF 30 LP/мм на кроп-сенсоре с 1,6-кратным увеличением. Вместо этого кроп-сенсор должен показывать кривую 48 пар линий/мм для объективного сравнения, потому что кропнутый сенсор больше увеличивается при печати того же размера.

Разнообразие размеров сенсоров является причиной того, что некоторые начали перечислять частоту строк с точки зрения изображения или высоты изображения (LP/PH или LP/IH), а не использовать абсолютную единицу измерения, такую ​​как миллиметр. Например, линейная частота 1000 LP/PH выглядит одинаково при заданном размере отпечатка — независимо от размера сенсора камеры. Можно предположить, что отчасти производители продолжают отображать диаграммы MTF при 10 и 30 LP/мм для объективов DX, EF-S и других кропнутых сенсоров, потому что это делает их диаграммы MTF лучше.

ОГРАНИЧЕНИЯ ГРАФИКА MTF

Хотя диаграммы MTF являются чрезвычайно мощным инструментом для описания качества объектива, они все же имеют много ограничений. Фактически, график MTF ничего не говорит о:

• Качество цвета и хроматические аберрации
• Искажение изображения
• Виньетирование (ослабление света к краям изображения)
• Восприимчивость к бликам на объективе камеры.

Кроме того, другие факторы, такие как состояние вашего оборудования и техника вашей камеры, часто могут иметь гораздо большее влияние на качество ваших фотографий, чем небольшие различия в MTF. Некоторые из этих факторов, снижающих качество, могут включать:

• Точность фокусировки
• Дрожание камеры
• Пыль на цифровом датчике камеры (см. руководство по очистке датчика камеры)
• Микропотертости, влага, отпечатки пальцев или другие загрязнения на линзе.

Самое главное, несмотря на то, что диаграммы MTF являются удивительно сложными и описательными инструментами — с большим количеством хороших научных данных для их поддержки — в конечном итоге ничто не сравнится с простым визуальным просмотром изображения на экране или в распечатке. В конце концов, фотографии созданы для того, чтобы на них смотреть, так что это все, что действительно имеет значение в конце дня. Часто бывает довольно сложно определить, будет ли изображение выглядеть лучше на другом объективе на основе MTF, потому что обычно существует множество конкурирующих факторов:контрастность, разрешение, астигматизм, диафрагма, дисторсия и т. д. Объектив редко превосходит все эти параметры. аспекты одновременно. Если вы не можете найти различия между снимками с разными объективами, использованными в одинаковых ситуациях, то любые расхождения MTF, вероятно, не имеют значения.

Наконец, даже если ЧКХ одного объектива действительно хуже, чем у другого, повышение резкости и повышение локальной контрастности часто могут сделать этот недостаток незаметным на отпечатке — если исходная разница в качестве не слишком велика.