Статьи  |   Новости  |   Фотословарь  |   Ссылки
FotaVoka.org

Метки (теги):

Статьи

Фотосъемка + Работа с изображением
Browse in : Школа > Съемка (23)
Школа > Обработка (5)


Сергей Кобяков (http://skobyakov.com)

 

Четкость изображения


Эта статья родилась в погоне за качеством снимков и была написана в помощь тем, кто еще не решился что же покупать: качество или количество? Итак, качественные фотографии отличаются не только замыслом и передачей красок. Не последнюю роль играет четкость снимка...

Так от чего же зависит четкость?

1. Качество оптики

Объективы бывают разные — белые, синие, красные все они в какой-то степени или более «резкие», или... не очень.

Во времена Советского Союза качество оптики определяли ее способностью «передать», отобразить на пленке как можно больше линий на единицу длины со стандартной тестовой таблицы. Но поскольку у каждого экспериментатора был свой критерий «передачи» линий — этот способ не является наилучшим. К слову, в фотографии мы имеем дело не с дискретными значениями «видно» — «не видно», а с конкретным уровнем контраста. Нет ничего абсолютно черного и абсолютно белого в реальной жизни — все более или менее серое, размазанное.

Для того, чтоб привести такого рода эксперименты к одному стандарту для определения «резкости» объектива используют функцию передачи модуляции — MTF (Modular Transfer Function). Эта функция показывает насколько хорошо передает объектив контраст мелких деталей. В двух словах — это отношение контраста мелких деталей изображения к контрасту больших. Чем мельче детали, которые удается различить (т.е. больше их количество на единицу длинны), тем большее значение функции мы получаем.

MTF измеряют или в герцах (когда пишут LW/PH — количество линий на высоту матрицы), или в парах линий на миллиметр (lp/mm). Первый метод измерения привязан к размеру матрицы, второй от ее размеров не зависит. Соответственно намного удобнее пользоваться вторым методом, так как можно сравнить результаты тестов объективов сделанные с помощью разных фотоапаратов с разными размерами матриц. MTF50 — общепринятая мера оптической резкости объективов, которая показывает для какой детализации контраст уменьшается на 50% в сравнении с контрастом больших деталей.

Вот для примера MTF50 для объектива Canon EF 50 mm f/1.4 USM:

MTF50 для объектива Canon EF 50 mm f/1.4 USM

взято с http://optyczne.pl

Красные точки — центр изображения, синие — край.

Из рисунка видно, что наибольшая четкость изображения получается для диафрагменного числа равного 1/5,6. Для больших (размером) диафрагм четкость падает из-за того, что законы преломления света линзой (которые мы все учили в школе) работают только для приосевых лучей, тоесть близких к оптической оси объектива (т. е. чем меньше диафрагма — тем меньше этот эффект влияет на четкость). С другой стороны, при уменьшении диафрагмы растет влияние дифракции (следующий абзац).

2. Дифракция

Согласно школьной физике свет распространяется прямолинейно, если ему не мешать. Но свет не так прост на самом деле. Существует несколько различных эффектов присущих свету, которые опровергают непогрешимость этого правила в определенных условиях. Один из этих эффектов — дифракция.

Дифракция — это отклонение направления распространения света от законов геометрической оптики, т.е. той оптики, которую мы все учили в школе. Особенно этот эффект проявляется вблизи каких-либо препятствий на пути распространения светового луча. Луч в этом случае старается как бы слегка «обогнуть» препятствие. Но для того, чтоб заметить этот эффект, необходимо очень постараться — ведь это исключение из правила. В нашем привычном макро-мире наглядно показать эффект дифракции будет затруднительно. Хотя...

Вы замечали какая разница между тенями, отбрасываемыми в солнечный день забором и 9-этажным домом? Правильно, тень от дома более размыта в сравнении с тенью от забора — она четкая, хорошо видны столбы и сетка (или щели между досками — у кого какой забор). Если б свет распространялся исключительно прямолинейно, то обе тени были бы идеально четкими.

Дифракция играет не последнюю роль в формировании изображения на матрице, поскольку диафрагма объектива тоже является препятствием для света. Изображение, которое создает объектив на матрице, не является на самом деле идеально резким. Из-за дифракции на диафрагме оно всегда слегка размыто, и степень размытия зависит от размера диафрагмы — чем больше число диафрагмы, тем больше дифракция сказывается на полученном снимке.

3. Размер пиксела

Всем нам уже мозги съели количеством мегапикселей в матрице фотоаппарата. Это не удивительно, ведь как раз такой маркетинговой уловкой заставляют обывателей покупать все новые и новые модели. Но заполучив большое количество мегаточек пользователи обычно бывают разочарованы качеством снимков, ссылаясь на то, что их предыдущий фотоаппарат делал более четкие, красочные снимки с меньшим количеством шума.

Все дело в том, что с каждой новой моделью растет число мегапикселей, но размер матрицы остается тем же — в ширпотребе обычно используют матрицы размером 1/2,5 видиконовских дюймов (5,8 х 4,3 мм). Как результат — размеры отдельного пиксела уменьшаются.

Дифракционное размытие и размеры пиксела — это основные факторы, которые влияют на резкость снимка. И тут внимание: если размытие изображения не превышает размеры пиксела — мы получим снимок с отличной резкостью, если же размытие больше пиксела, то снимок резким уже не будет.

На заре эры цифровой фотографии кто-то высказал идею о дифракционном пределе — когда размер пиксела уменьшится до размеров дифракционного размытия. Опуская физику и математические расчеты можно с уверенностью сказать что уже сейчас мы не то что в плотную подошли, но уже и перешагнули дифракционный предел, после которого уменьшение размера пиксела просто не имеет смысла.

На самом деле зависимость резкости от размеров пиксела не является очень «резкой» — бах и резкость ушла. Пока размеры пиксела больше размытия — разницы мы не будем ощущать. Когда размеры пиксела меньше дифракционного размытия — на лицо будет потеря резкости, и чем меньше пиксель, тем менее резким будет снимок.

Таблица размеров пиксела для фотоаппаратов Canon (надеюсь апологеты Никона не будут уничтожать меня комментариями — речь идет не о фирме, это просто элементарная математика, для любой другой матрицы это легко можно подсчитать):

ФотоаппаратРазмер пиксела,
мкм
EOS-1Ds Mark III6,28
EOS-1D Mark III7,08
EOS-1D Mark II N8,03
EOS-1Ds Mark II7,09
EOS-1D Mark II8,03
EOS-1Ds8,65
EOS-1D11,04
EOS 5D8,06
EOS 40D5,59
EOS 30D6,30
EOS 20D6,30
EOS 10D7,38
EOS 400D5,59
EOS 350D6,33
EOS 300D7,38

Судя по таблице современный рынок фототехники можно поделить таким образом:

  • Профессиональная техника — качественная техника с наворотами и возможностями дня сегодняшнего. За соответствующие деньги, конечно ;)
  • Полупрофессиональные фотоаппараты — качественная техника для начинающих профессионалов :)
  • Камеры начального уровня — дешево, очень сердито, но для начинающих — вполне реальная покупка.
  • Ширпотреб — можно разглядеть лицо? Ну и ладно! Главное что дешево и на пиво больше останется. Эти камеры не вошли в таблицу по той простой причине, что автор как-то не связывает понятие качества с этим классом любительской техники, хотя он и составляют численное большинство.

Но вернемся пожалуй к теме статьи.

Поскольку четкость изображения не только от оптики, а также и от размера пиксела, стоит рассмотреть ситуацию детальнее.

Ну все, теперь начинаю грузить.

Как нам определить ту границу, когда размер дифракционного размытия совпадает с размером пиксела? Конечно с помощью математики!

С размером пиксела все очень просто — берем длину матрицы и делим на количество пикселов по этой же длинной стороне. Получаем размер пиксела (допустим что пиксел имеет форму квадрата и размер — это сторона квадрата).

Но как же с размытием изображения? Можно было б провести тесты... но лень. Автор просто-напросто возьмет уже готовый тест (рисунок показанный несколькими абзацами выше).

Как сравнить пары линий и пикселы? Предположим что для того, чтоб идеально «снять» пару линий нам нужно 4 пиксела — ведь пара линий это рисунок черное-белое-черное-белое (это опять же упрощение, ведь за исходную функцию при измерении MTF принимают не четко очерченые линии, а синусоидальную функцию. Боле детально про MTF можно почитать тут, но мы для упрощения математики этим пренебрежем).

Получается что для данного размера пиксела в микронах d мы получим 1000/(4*d) пар линий на милиметр. Если так, то на каждом графике MTF50 можно провести горизонтальную прямую для определенной матрицы, которая «отсечет» на тестовой кривой определенный диапазон значений диафрагмы. Этот диапазон мы можем назвать «комфортным» диапазоном диафрагм для данной пары матрица-объектив, в котором величина размытия изображения является меньшей или равной размеру пиксела. В этом диапазоне резкость изображения не зависит от диафрагмы. За пределами этого диапазона резкость уменьшается по причинам, указанным выше.

Aperture stop — MTF50

Из графика хорошо видно что у 5D «комфортный» диапазон диафрагм куда шире, чем у популярных 400D и 350D. Что же это реально дает фотографу? Конечно же большую свободу в выборе диафрагмы без потери резкости!

К примеру необходимо снять портрет с большой глубиной резкости. Студийные вспышки по мощности позволяют «зажать» диафрагму до 1/16, но на такой диафрагме в случае 400D и 350D «мылить» будет уже сам фотоаппарат. А вот в случае 5D мы не ощутим разницы между наиболее «резким» значением диафрагмы (1/5,6) и необходимым ее значением (1/16). И речь тут не идет о размере матрицы, но о размере пиксела!

То же самое можно сказать и про область больших диафрагм — если необходимо сделать снимок с малой глубиной резкости.

В общем, 5D для портретной съемки намного лучше 400D или 350D, и определяется это не только высшим класом этой модели и полноразмерной матрицей, но и большим размером пиксела. Кстати, «старичек» 300D по диапазону резкости еще очень даже ничего. Для начинающих фотографов это неплохой выбор, потому как не всегда большое число мегапикселей определяет качество снимка!

Все, хватит грузить.

Как и всякая теория, на практике эти выкладки не выглядят так критично. Следует сделать поправку на то, что автор сильно упростил математику, и в реальности для любой матрицы и объектива наилучшая детализация все равно будет находится где-то в районе наилучшей резкости объектива. Но с той поправкой, что чем больше размер пиксела (чем больше матрица), тем сильнее в «комфортном» диапазоне кривая MTF50 будет «выравниваться», и изменение диафрагмы не будет сильно влиять на резкость изображения.

Ладно, расслабимся и вернемся обратно к остальным причинам размытия.

4. Сглаживающий фильтр

Еще одна причина размытия — сглаживающий фильтр (АА-фильтр от англ. anti-aliasing), который устанавливают перед матрицей фотоаппарата. Этот фильтр необходим для того чтоб избежать муара при съемке мелких контрастных узоров — фетровых шляп, структуры ткани одежды и т.д.

Фильтр сделан из двух слоев двупреломляющего материала, и его функция состоит в том, чтоб «размазать» падающий на пиксел свет по соседним пикселам. Конечно, «размазывание» не является стопроцентным — всего лишь около 20% интенсивности распределяется по соседям.

В большинстве случаев (а узоры не так уж и часто приходится снимать, правда?) этот фильтр просто дополнительно размывает изображение. С другой стороны фильтр позволяет избежать появления муара, и с этой точки зрения он просто необходим. Исходя из этого сила «размазывания» фильтра очень тщательно подбирается разработчиками — чтоб резкость изображения не упала ниже приемлемого значения, и в то же время не было муара.

5. Съемка с рук

При съемке с рук практически не возможно замереть идеально — человек на такое не способен. В результате на сравнительно длинных выдержках изображение получается размазанным.

Есть такое эмпирическое правило — при съемке с рук не устанавливать выдержку более обратной величины фокусного расстояния объектива. То есть, если у нас объектив с фокусным расстоянием 100 мм, то не стоит пользоваться выдержками более 1/100 секунды.

Если есть возможность опереть локоть или плече при съемке — этим следует воспользоваться и сделать несколько дублей. Если же все-таки нужно установить длинную выдержку, то следует пользоваться штативом или сделать несколько дублей — есть ненулевая вероятность того, что Вам повезет.

Этa причина размазывания изображения не является самой важной, ее легко обойти.

Что делать для того, чтоб улучшить резкость снимков?

  • Фотография — это не дешевое занятие. Так было во времена пленочной фотографии, и так есть сейчас, в эпоху цифровой. Если нужно качество, то прийдется смириться с серьезными инвестициями.
  • Очень серьезно следует отнестись к выбору объектива. Как правило если вы пользуетесь техникой со сменными объективами, то со временем замене подвергаются только фотоаппараты (и то с целью поиметь новые модные прибамбасы в новой версии), а объективы с условием бережного отношения служат долго.
  • Даже среди объективов из разных ценовых полок есть сравнимые, а то и одинаковые по качеству модели. Поищите обзоры, мнения владельцев в интернете. Найдите и посмотрите своими глазами что снимают другие используя разные объективы.
  • Если же возможности не дотягивают до потребностей, то можно кое-что сделать и руками. Над хорошей фотографией стоит немного попыхтеть в фотошопе, так как всегда есть возможность немного улучшить качество снимка постфактум. Тут показано, что фотографию, сделанную дешевым объективом можно «дотянуть» по резкости до качества дорогих навороченных объективов. Но при обработке фотошопом следует иметь меру, так как «перетянутые» фотографии выглядят субъективно хуже чем сам оригинал.
  • Радикальный метод — это удалить сглаживающий фильтр, если Вы уверены что это то, что Вам нужно. Но дело это рискованное, для настоящих экспериментаторов и любителей острых ощущений. На самом деле никто не гарантирует что результат Вам понравится, и при съемке узоров Вы получите сильный муар. Следует заметить, что имитация действия фльтра программными средствами не всегда настолько эффективна как сам фильтр. Внимание! Автор статьи не несет ответственности за последствия возникшего у читателя желания усовершенствовать свой фотоаппарат! :)

Выводы

  • Пока размеры пиксела больше размытия — разницы в качестве снимка мы не будем ощущать. Когда размеры пиксела будут меньше размера дифракционного размытия — на лицо будет потеря резкости, и чем меньше пиксель, тем менее резким будет снимок. Если Вы не равнодушны к резкости Ваших снимков, и Вы хотите чтоб снимки были резкими в широком диапазоне диафрагм, то при покупке фотоаппарата обратите внимание на размер пиксела его матрицы.
  • Чаще пользуйтесь штативом.
  • Обработка фотошопом в разумных пределах как правило не помешает, а в отдельных случаях — просто необходима.
  • Более дорогие фотоаппараты как правило имеют матрицу с большим размером пиксела и обеспечивают большую свободу в выборе диафрагмы при съемке.

Если у вас есть какие-либо замечания к статье — автору будет крайне интересно их услышать, не стесняйтесь комментировать.

Удачных вам снимков, господа!

Использование части или полной статьи разрешается только при условии, что ее автор будет явно указан.

Автор благодарит joyfolk за критические замечания к статье.

© Сергей Кобяков , 2007
http://skobyakov.com


Keywords: MTF резкость
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика © FotaVoka, 2004