Размер матрицы. Шумы и цветопередача. Влияние на ГРИП.

Шум

К сожалению, маркетинговый приём "народ покупает мегапикселы" действует вовсю. 90% людей на вопрос "каков размер матрицы у аппарата Х?" ответят - "Y Мегапиксел!". А между тем гораздо важнее не мегапикселы, а миллиметры. Именно они определяют площадь поглощения света и многие другие, связанные с этим, характеристики матрицы. И, прежде всего, - её шумы. Дело в том, что у матрицы (в отличие от плёнки) чувствительность можно выставлять в меню. Но наличие в меню строчки "400"(или даже "800") на самом деле ничего не говорит о сравнительной чувствительности матрицы. С ростом выставляемой чувствительности растут и шумы, и только от совести производителя зависит при каком уровне шума он решит остановиться. Т.е. корректнее сравнивать чувствительность на одинаковом уровне шумов. И тут может оказаться, что камера А на своих ISO800 шумит так же, как камера Б на ISO100. При этом, разумеется, без слёз глядеть на результаты камеры Б при ISO800 уже невозможно. Отсюда следует простой вывод - не стоит обращать внимание на декларированный набор чувствительностей. Просто надо забыть про него. Лучше смотреть уровень шумов в независимых обзорах. При прочих равных, разумеется, меньше шумят большие по размерам(в миллиметрах, а не в пикселях!) матрицы. Итак, чем меньше геометрически матрица, тем выше её шумы и (следовательно) ниже реальная чувствительность. В качестве иллюстрации приведу старый сравнительный тест G2(Кf=5) против D60(Kf=1.6), хорошо видна разница в цветах и шумах при одной и той же чувствительности и экспозиции:

Не стоит очень пугаться серых цветов у G2 - объект находился в глубокой тени (снят против света), у хорошо освещённых объектов всё будет не так мерзко.

Часто можно встретить мнение, что при одном и том же геометрическом размере матрицы многомегапиксельные шумят больше (т.к. меньше размер каждого пиксела). Это совершенно справедливо если сравнивать кропы попиксельно (скажем фрагмент 100*100 пикселей от каждой камеры). Но это не совсем корректно, т.к. сравнивать надо конечные ОТПЕЧАТКИ одного размера, т.е. одинаковые ДОЛИ кадров (например, сделав ресайз одинаковых долей кадров до одинаковых размеров). При таком подходе различие уже не столь заметно и гораздо меньше колебаний, связанных с разными настройками встроенного шарпенинга (о шарпенинге подробнее чуть позже, в разделе про разрешение). Если усреднить типичные значения для разных камер, привести их к примерно одинаковому уровню шарпенинга и размерам конечного кадра, а потом померить чувствительность соответствующую более-менее приемлемому уровню шума для ЛЮБИТЕЛЬСКОГО качества, то получится примерно следующая табличка:

В качестве иллюстрации применения малой ГРИП я наугад выбрал из своего архива несколько портретов. Ни один из них не был постановочным, все "репортажные". Никакой обработки в фотошопе (кроме самой общей - уровни, ресайз и т.п.) не проводилось. Особенно подчеркиваю это для последнего снимка - размытая окантовка получилась при съёмке сама, это - сетка и борта манежа. Крайне рекомендуется смотреть "большие"(600*900, около 60К) варианты, т.к. маленькие превьюшки дают очень приблизительное представление и сильно пожаты...

Все снимки сняты D60 (Kf=1.6) на диафрагме 1.8 (объектив 50/1.8). Они не претендуют на высокое звание "художественных", это - обычный семейный альбом. Однако за счёт малой ГРИП объём передаётся весьма неплохо... По крайней мере для любительского фото.

Обратите внимание, что я почти нигде не упомянул мегапиксели. Это - не случайно. Болезненное пристрастие к подсчёту мегапикселей сохранилось по инерции с тех дремучих (хоть и хронологически совсем недавних) пор, когда двухмегапиксельная камера была предметом мечтаний, а крепкий "середнячок" гордо красовался надписью 1,3Мп на корпусе. В нынешних условиях, когда практически даже самая бюджетная камера имеет 3 Мпиксела, а значения 4 и 5 довольно типичны, для большинства любительских нужд на первый план выходит не разрешение матрицы, а другие параметры - шумы, цвета, чувствительность, ГРИП и т.п. Это связано с тем, что влияние этих параметров хорошо видно на отпечатках ЛЮБОГО размера, даже 10*15. Даже на приведённых выше портретах размером всего лишь полмегапиксела хорошо виден характер нерезкости, объём и передача цветов. Для выявления разницы между 4- и 5- мегапиксельными матрицами одинакового (геометрического) размера пришлось бы печатать тесты как минимум 20*30, что не часто случается в обычной любительской практике.

Аппараты с маленькой матрицей и большими мегапикселами подстерегает ещё одна напасть - дифракция. Из-за волновой природы света строгие "точки" геометрической оптики размываются в дифракционные пятнышки. Характерный размер этих пятнышек в микронах - A/2 (более строго - длина волны*A*коэффициент порядка единицы, зависящий от критерия разрешимости, можете поискать в Сети по фразе "пятно Эйри"). Напомню, что А - значение диафрагмы. Т.е. для типичных значений 2-8 размеры соответствующих пятен - 1-4микрона. Много это или мало? Посчитаем. Возьмём "типичный" размер картинки в 5Мпиксел, т.е. грубо 2000точек по высоте. Для плёнки (Kf=1) с её высотой 24мм(24000микрон) получается шаг точки = 24000/2000=12микрон. Для Kf=4 - 3микрона, для Kf=5 - 2.4микрона. Таким образом "замыливание" картинки дифракцией на матрицах 1/1.8" и 2/3" начинается уже с диафрагмы 8, в то время как у 300D(Kf=1.6) - только с 22. Если вспомнить, что аберрации "устаканиваются" лишь в двух стопах от светосилы, которая у цифрокомпактов равна обычно 2-2,8 , то получается, что дальнейшее (более 5Мп) наращивание мегапикселей на матрицах 1/1,8" и 2/3" не имеет практического смысла, только маркетинговый. При бОльшем количестве мегапикселей дифракция начнёт "мылить" уже на диафрагмах 5,6 и даже 4, а на 2-2,8 "мылит" и объектив сам по себе, что съедает весь выигрыш от увеличения мегапикселей...

Разрешение. Мифы и реальность. MTF и её измерение.

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...

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:

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.

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.

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!).

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.

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"!

О том, что стандартов на шумы до сих пор толком не выработано, свидетельствует, например, тот факт, что на одном очень уважаемом и серьёзном сетевом фоторесурсе (dpreview.com) они (стандарты) недавно поменялись - т.е. значения для одной и той же камеры в разных парных тестах сильно отличаются. (Например, уровень яркостного шума "2" достигается тут 10D при ISO100, а тут D60 при ISO450. Хотя в реальности по шумам это практически идентичные камеры (10D даже чуть улучшена))

ВЕРНУТЬСЯ В ОГЛАВЛЕНИЕ