Рассмотрев в общих чертах объективы и матрицы, пора коснуться одной довольно
популярной величины, на которую они напрямую влияют - разрешения. Ни
один сравнительный обзор не обходится без её обсуждения, в форумах ломаются
копья - у чьей камеры оно больше? Попытаемся разобраться, что это такое -
разрешение, и заслуживает ли оно таких "почестей". Наши разборки
будут напоминать матрёшку - вот, кажется, дошли до сути, а она вновь раскрывает
внутри себя другую, и так много раз...
Внешняя матрёшка. Вновь мегапиксели.
Как и в случае с размером матриц, большинство простой публики (на этот раз
конечно не 90, а 60-70% примерно) свято верят, что разрешение измеряется в
Мегапикселах. Т.е. 5-мпиксельная камера заведомо детальнее 4-мегапиксельной и
так далее. Для многих конкретных камер и конкретных условий это даже верно. Но
далеко не для всех. Вспомним определение разрешения (для начала грубое) - это
количество мелких деталей которое способен передать снимок. Таким образом, если
объектив, скажем, 8-мегапиксельной камеры намазать вазелином, то количество
мелких деталей на снимке явно будет меньше чем даже у 3-мегапиксельной камеры.
В реальной жизни роль вазелина играют уже упоминавшиеся аберрации, а также
переотражения внутри объектива. Как же учесть это всё "одним
числом"?. Чтобы не спорить о том какие объекты снимать и какие детали
считать, договорились снимать чёрно-белые полоски. Сколько полосок без
"смазывания" влезет в кадр (обычно по короткой стороне) - таково и
разрешение (обычно в цифровой фотографии, в отличие от старых ГОСТов, одну
чёрную линию считают за две - типа "чёрная+белая", типичные значения
получаются от 1000 до 1600 линий на высоту кадра). Казалось бы, всё строго -
делаем миру (образец с разной частотой полосок), снимаем, считаем полоски и
всё. Даже в журналах часто эти цифры публикуют в сравнительных тестах... но,
оказывается, что не всё так просто.
Но прежде чем раскрыть вторую матрёшку, оглянемся на первую. Всё-таки -
важны мегапиксели или нет? Или дело только в объективе? Ответ прост -
мегапиксели всего лишь необходимое, но не достаточное условие. Чтобы разрешить
1000 линий, кадр должен иметь примерно 1500 пикселей в высоту. Этот коэффициент
около 1,5 связан с тем, что вероятность "точного попадания" линии
миры на линию пикселей близка к нулю. Линии всегда попадают "между",
в большей или меньшей степени. Вот из статистического усреднения и берётся этот
факт, что для отображения каждых двух линий нужно три ряда пикселей. Таким
образом, зная размер кадра можно прикинуть максимально возможное разрешение,
которое достигалось бы при идеальном объективе:
Мегапиксели
|
Размер кадра при 4:3, пикселей, грубо
|
Предельное разрешение по короткой стороне
|
3
|
1500*2000
|
1000
|
4
|
1700*2350
|
1150
|
5
|
1900*2600
|
1300
|
8
|
2450*3250
|
1650
|
Во избежание недоразумений, отмечу, что вышеприведённые цифры относятся к
статистически правильной методике измерений любого параметра - когда
эксперимент повторяют несколько раз и усредняют результаты. Разумеется, можно в
пропагандистских целях "подогнать" расположение миры и получить (и
даже опубликовать!) кадр с разрешением до полутора раз большим (или просто
выбрать из всех экспериментов лучший). Но к реальной жизни и реальным снимкам
эти нечистоплотные методы не имеют отношения.
Вторая матрёшка. Линии на высоту.
На пути подсчёта линий нас подстерегают две опасности.
Первая - формальная. Почему-то общепринято
считать вертикальное и горизонтальное разрешения. Однако из-за структуры
матрицы (расположения пикселей) оказывается, что диагональное примерно в 1,4
раза больше. Этим поспешила воспользоваться одна известная фирма, которая
просто повернула матрицу на 45 градусов и назвала модным словом "Супер
ЦЦД". С 3 миллионов сенсоров электроника камеры интерполировала
6-мпиксельную картинку. Скептики тут же принялись мерить разрешение своими
мирами и с удивлением обнаруживали что таки-да, "дед Мороз
существует" - матрица на уровне 5-6мегапиксельных "обычных". Но
никто не догадался повернуть миру под 45 градусов - тогда всё станет на свои места
- разрешение "обычных" увеличится, а "супер" - снизится, и
хвалёные 6 мегапикселей будут на уровне полутора "обычных". А
поскольку в реальной жизни редко встречаются ровные параллельные линии, то в
среднем разрешение как было на уровне 3-амегапиксельных, так и осталось, что
блестяще подтверждается тем фактом, что многие владельцы "волшебных"
камер, поиграв с интерполированным разрешением, вернулись на стандартное 3Мп
для экономии места на флеш-карте, т.к. не заметили явных улучшений.
Вторая опасность - принципиальная и связана с размытостью
понятия "линии различимы". На словах всё выглядит достаточно гладко и
понятно. В реальности выясняется, что
- "различимость"
линий не дискретна (различимы - неразличимы), а непрерывна - (различимы
хорошо, не очень, плохо, очень плохо и т.п.). На самом деле просто плавно
падает контраст с единицы до нуля. Поэтому разные наблюдатели видят
переход от "плохо различимы" к "практически не
различимы" в РАЗНЫХ местах. Этот эффект не зависит от фотосистемы и
наблюдается и в плёночной фотографии.
- в цифровой фотографии кроме
этого из-за структуры матрицы добавляются цветные разводы, муар и даже
"греческий орнамент", что ещё более усложняет процесс
визуального тестирования.
>>
На иллюстрации приведён типичный (не самый сложный) пример. В зависимости от
"строгости" наблюдателя колебания разрешения легко достигают 20-40%.
В результате ценность цифр, приводимых в обзорах, становится сомнительной. Как
мы видели из предыдущей таблицы, максимальные цифры для 3Мп и 5Мп отличаются
всего лишь на 30%, поэтому 20-40% - это катастрофически много.
Лирическое отступление.
Похожая ситуация складывается с другими "паспортными" параметрами
бытовой техники - например мощностью и частотным диапазоном недорогих
аудиосистем. Мощность можно измерять при разных значениях искажений, а нижнюю
границу частотного диапазона - при разном падении АЧХ, чем изготовители активно
пользуются. В результате мы часто видим пластиковые компьютерные колонки за 50уе
с диапазоном от 40Гц и качественные HiFi колонки за 600 уе с диапазоном от
45Гц. Угадайте, у кого из них басы глубже на самом деле?
Аналогия с акустикой не случайна. Действительно, если принять звуковое
давление на средних частотах за единицу ("нормировка АЧХ"), то с
понижением частоты оно будет плавно падать до нуля и обычно нижней границей
называют ту частоту, при которой давление равно либо 0,5, либо 0,25, либо 0,1
(в зависимости от методики, соответственно и результаты - разные). При этом
сама АЧХ(Амплитудно-Частотная Характеристика) достаточно объективна и даёт
гораздо бОльшее представление чем сухая цифра "границы". Нельзя ли и
в оптике вместо "границы" разрешения снять плавную кривую падения
контраста при росте частоты штрихов? Именно эта кривая и получила название
Modular Transfer Function (MTF) - функция передачи модуляции. Более подробно
(на английском) можно почитать здесь, а кратко я
изложу ниже. Итак, если вместо "классических" штрихов с прямоугольным
графиком яркости использовать "синусоидальные", а функцию
"контраста" от частоты определить как (Iw-Ib)/(Iw+Ib), где Iw и Ib -
яркости изображений "самой белой" и "самой
тёмной" точки на данной частоте линий, то
MTF(частоты)=КОНТРАСТ(частоты)/КОНТРАСТ(низкой частоты). Таким образом, на
низкой частоте MTF равна единице, а с ростом плавно падает до нуля (когда
изображения линий сливаются, контраст становится нулевым). Классически
определяемое "разрешение" соответствует частоте, при которой MTF
становится равной примерно 0,1.
Как и АЧХ в акустике, MTF способна дать гораздо больше информации. Так, два
объектива, имеющие одинаковое разрешение (скажем, 1600lph) могут иметь разные
графики MTF - у одного график опускается сразу от 50lph вниз, плавно достигая
0,1 при 1600 lph, а у другого держится возле 0,95 "до последнего", и
лишь начиная с 1200lph круто падает вниз. При частоте 800-1000lph у первого
будет MTF 0,25, а у второго - 0,95. В результате снимки первого будут заметно
более вялыми ("мыльными"). Тем не менее формальное разрешение
у них действительно одинаково.
Ну уж теперь-то, кажется, всё строго. Измеряем MTF, публикуем сравнение
графиков и строим аппараты по ранжиру... Но не будем торопиться. Всё опять не
так просто.
Третья матрёшка. MTF.
Измерения и влияние шарпенинга.
Измерить MTF можно даже в домашних условиях. Для
этого потребуется всего лишь струйный принтер (720dpi и выше), несколько листов
фирменной "струйной" бумаги, а также несколько небольших бесплатных
программ, скачанных из Сети. Как это всё сделать, подробно описано у
меня в статье Измеряем MTF самостоятельно . В частности,
я снимал графики для нескольких объективов к Canon D60. Результаты для угла
кадра представлены ниже (линии на высоту кадра можно получить умножением цифр
на оси Х примерно на 30, график просто в привычных "плёночных"
координатах):
>>
Подробное обсуждение этих графиков есть по упомянутой ссылке, нас же здесь
интересует сравнение красных и зелёных линий. Красные принадлежат профессиональному
объективу 16-35mm/2.8L стоимостью под полторы тысячи долларов. Зелёные -
наидешевейшему, наибюджетнейшему пластмассовому 28-80mm/3,5-5,6 за 100
долларов. Если сравнивать тонкие линии - всё логично и "L-ка"
оставляет бюджетник далеко позади. Но взгляните на толстый зелёный пунктир! Он
отличается от остальных "всего лишь" другими (+1деление) установками
шарпенинга на камере (на самом деле - в RAW-конверторе, но это одно и то же) и
очень умеренным шарпенингом в Фотошопе (ещё грубо говоря "1 деление").
Но в результате он полностью догнал L-ку! (Понятно,
что если применить шарп к L-ке она вновь всех "сделает", но речь
сейчас о другом!)
Мы подошли к ключевому моменту. Поставьте себя на место производителя
фотокамеры. У Вас есть два пути увеличения разрешения - сделать замечательный
резкий объектив уровня L-оптики (+500-1000долларов к цене камеры в зависимости
от размера матрицы) или просто "перешить" в её процессоре уровень
шарпенинга на одно-два "деления" в большую сторону (бесплатно!!!).
Как Вы думаете, что выбирают реальные производители? Разумеется шарпенинг! В
результате увеличиваются шумы и понижается реальная чувствительность (если её
определять как значение при фиксированном уровне шума). Но это никого не
волнует, потому что уровень шума измерять толком не научились, в обзорах он
фигурирует редко, а вот высокое разрешение (вместе с мегапикселями и зумом) -
сильный маркетинговый козырь. Косвенное подтверждение тому - наличие ISO400 и
даже иногда ISO800(!) в камерах с матрицами 1/2,5"! Что мы имеем ещё
плохого от "встроенного" шарпенинга, кроме увеличения шумов? Мы
имеем, образно говоря, "потолок" детализации. Т.е. дальнейший
шарпенинг в Фотошопе больше не приводит к её увеличению без сопутствующих
артефактов и искажений, "несовместимых с жизнью", в отличие от камер
без встроенного шарпа. Там с помощью Фотошопа иногда можно вполне
"догнать" разрешение до "накачанных" лидеров (разумеется
ценой того же шума, но у нас по крайней мере есть выбор!).
Последняя матрёшка. Крах разрешения.
Итак, мы пришли к интересному выводу. Измерять MTF (и, как частный случай, -
разрешение) можно, но не имеет смысла до тех пор, пока мы не сможем нормировать
встроенный шарпенинг. В случае если камеры имеют формат RAW и построены на
одинаковых матрицах это сделать просто - выставлением одинаковых параметров
конвертора. Но таких случаев очень немного. Во всех же остальных случаях
нормирование НЕВОЗМОЖНО. У большинства камер имеется три градации
(низкий-норма-высокий), но "низкий" одной может соответствовать
"высокому" другой, поэтому установка всех испытуемых в
"норму" проблему не решает. Если матрицы одного размера и
производителя, можно косвенно судить о шарпе по уровню шумов. Но и тут разная
"начинка" камер и разные "фирменные" шумоподавители иногда
могут портить картину. Если же шарпинг не нормировать, то всегда даже
объективно слабая, но "пошарпленная" камера будет выигрывать в тестах
у объективно сильной, но не шарпленной (как в приведённом графике заведомо
слабый 28-80 практически выиграл у ВДЕСЯТЕРО более дорогого 16-35L).
Совершенно ясно, что с заменой строгой решётки MTF на реальные кадры
проблема разного шарпа никуда не уйдёт и скачивания различных тестовых снимков
не помогут, особенно учитывая лёгкость их подделки. Легко можно экспортировать
"штамп фотоаппарата"(EXIF) из оригинала в обработанный в фотошопе
снимок и выдать его за оригинал. Кроме того, вне обсуждения осталось то, что на
разных положениях зума и в разных частях кадра разрешение даже одного и того же
объектива существенно разное, и как (и с какими весовыми коэффициентами) его
усреднять - тоже вопрос открытый.
Так что же делать? Как сравнивать разрешения?
А плюньте! Не надо их сравнивать! Не в них счастье! Как уже было сказано
при обсуждении ГРИП, средний глаз на фото 13*18 различает лишь 1/1500
диагонали, что для фото 15*20 даёт примерно 1000lph(линий на высоту). Таким
образом разница между 1200 и 1400 lph в 95% любительских случаев абсолютно
несущественна. Гораздо более важны, например, хроматические аберрации, которые
на "гиперзумах" просто глазом видно...
ЗАМЕЧАНИЕ1: разумеется вышеприведённый совет относится лишь к изделиям
известных оптических фирм нормальной и высокой ценовой категории (от 3
мегапикселей), если же Вы нацелились на некую супердешёвую веб-камеру или
мыльницу никому не известной марки "хрен-тек" за десять-двадцать
долларов, разрешение проверить абсолютно необходимо. Пластмассовый дверной
глазок может давать что угодно :-)
ЗАМЕЧАНИЕ2: понятно что высокое разрешение при прочих равных всегда лучше
низкого ("заблюрить" в Фотошопе никогда не поздно), и я не хочу
сказать, что оно ВООБЩЕ неважно. Просто на данном историческом этапе и у
большинства конкретных доступных на рынке камер оно стоит далеко не на первом
месте в качестве критерия выбора.
О триединстве шума, чувствительности и разрешения
Как мы уже видели выше, от алгоритмов шарпенинга и шумоподавления,
встроенных в камеру, зависит "пропорция" между шумом,
чувствительностью и разрешением. Т.е. "улучшая" одно, мы
"ухудшаем" другое. Как и в большинстве других случаев, нельзя
однозначно сказать - что суммарно "лучше" и что "хуже" -
это зависит от задач и вкусов (кто-то не выносит "мыла", а кто-то
шума). Важно просто понимать это единство и взаимообусловленность. Иногда при
сравнении близких по классу камер можно слышать заявления типа "камера А
больше мылит, зато меньше шумит, чем камера Б". В таких случаях всегда
хочется предложить вместо настроек "по умолчанию" снизить уровень
шарпа у камеры Б и повысить - у камеры А. Не исключено что результаты либо
сравняются, либо даже "поменяются местами".
Вообще я, к большому сожалению, не видел ещё НИ ОДНОГО грамотного обзора, где
всерьёз изучались встроенные установки и предпринималась хоть какая-то попытка
выставить их "сопоставимо". Обычно отдельно снимают шум от
чувствительности, затем отдельно - сравнивают разрешение при одном и том же ISO
и диафрагме. И всё это при настройках "по умолчанию"!