Chciał bym dziś spróbować opisać trudne pojęcia związane z ostrością obrazu. Ostrość jest jednym z podstawowych elementów decydujących o jakości technicznej zdjęć.
Ostrość obiektywów i materiałów światłoczułych określa się posługując funkcją przenoszenia modulacji (z angielskiego – MTF – modulation transfer function – nazywaną też SFR – spatial frequency response).
MTF aka SFR
Światło jest nośnikiem obrazu. Różnice natężenia światła są rejestrowane na materiale światłoczułym. Oscylację różnic natężenia światła na płaszczyźnie zdjęcia można sobie wyobrazić jako fale na niespokojnej tafli wody. Grzbiety fal, to miejsca, gdzie jest dużo światła, doliny pomiędzy falami, miejsca, gdzie światła jest mało. Lokalną różnicę „wysokości” fal fachowo określa się kontrastem.
Obiektywy, materiały światłoczułe i elementy elektroniczne rejestrujące obraz mają niemiłe z punktu widzenia fotografa cechy. „Fala” przechodząca przez układ optyczny (obiektyw) lub rejestrowana przez element światłoczuły ulega deformacji.
- Fala jest spłaszczana, przez co spada kontrast.
- Im gęstsze fale – tym ich spłaszczenie większe – większy spadek kontrastu. W ekstremalnej sytuacji na wejściu mamy bardzo gęstą falę, a na wyjściu płaską, uspokojoną „taflę” szarego obrazu.
MTF - funkcja przenoszenia modulacji opisuje matematycznie obserwacje, które wymieniłem wyżej. Funkcja ta odwzorowuje zachowanie się elementu optycznego w reakcji na sygnał.
Konstrukcja obiektywu, jakość szkła z jakiego jest wykonana optyka, rodzaj emulsji błony fotograficznej, typ i technologia wykonania matryc światłoczułych – wszystkie te elementy (i wiele innych) wpływają na tłumienie kontrastu – na ostrość rejestrowanego obrazu. Wyznaczając MTF danego urządzenia optycznego można spróbować porównać je do innych urządzeń spełniających tą samą funkcję. Można spróbować porównać kilka obiektywów, matryc światłoczułych w połączeniu z obiektywami, emulsji światłoczułych czy skanerów.
MTF opisuje relacje przestrzenne. Za pomocą jednego płaskiego wykresu trudno zilustrować różne parametry, dlatego też istnieje kilka standardów prezentacji MTF, stosowanych w różnych sytuacjach.
Rozdzielczość - pary linii na milimetr
Na początku XX rozpoczęły się próby określania jakości optycznej błon fotograficznych. Pomiarów dokonywano fotografując stykowo wzór z gęsto ułożonych równoległych linii czarnych i białych.
Wzorzec pomiarowy składał się z bloków coraz gęściej rozmieszczanych grup linii. Pomiar odbywał się organoleptycznie. Wystarczyło znaleźć obszar, gdzie linie zaczynały zlewać się ze sobą.
Odnosząc się do tego co napisałem wyżej – wysyłano wysoko kontrastowy sygnał prostokątny – po czym weryfikowano kiedy spadek kontrastu doprowadzi do zaniku informacji – spadku kontrastu pomiędzy liniami do około 10%. Tak powstała jednostka – LP/mm (pary linii na milimetr).
Podobnie mierzono rozdzielczość obiektywów. Dziś na wzorcu testowym ISO (np. na DPReview) można znaleźć fragment pozwalający organoleptycznie sprawdzić ostrość zespołu obiektyw-matryca (zobacz rysunek).
MTF lokalny
Jednostka LP/mm to już coś, można jednak uzyskać więcej informacji, posługując się MTF.
Wyznaczenie funkcji przenoszenia modulacji jest „nieco” skomplikowane. Można posłużyć się wzorcem Normana Korena. Wzorzec składa się z pionowych linii czarnych i białych, których gęstość rośnie od lewej do prawej. Mierząc spadek kontrastu dla kolejnych gęstości linii można wykreślić charakterystykę szkła czy materiału światłoczułego. Matematyczną obróbkę znakomicie ułatwia zastosowanie komputera.
Nowszym, wygodniejszym sposobem pomiaru MTF jest zastosowanie metody przekoszonej krawędzi. Zamiast używać skomplikowanego wzorca Normana Korena, wystarczy sfotografować czarny prostokąt na białym tle, obrócony o 5 stopni względem poziomu. Analiza komputerowa krawędzi tak przygotowanego wzorca daje charakterystykę MTF.
Na wzorcu ISO można znaleźć odpowiednio spreparowane fragmenty (czarne równoległoboki i kwadraty). W sieci dostępny jest też darmowy program służący do analizy metodą przekoszonej krawędzi (sfrwin, sfr2, sfr_auto).
Jakość optyki – powierzchniowy MTF
Rozpatrując przypadek błony fotograficznej czy matrycy jednostka LP/mm jest w zasadzie informacją wystarczająco opisującą ostrość na całej naświetlanej powierzchni. Wykres MTF uzupełnia wiedzę o charakterystyce materiału światłoczułego. W przypadku obiektywów nie jest jednak tak słodko.
Obiektyw zachowuje się nieco inaczej. Soczewki są grubsze w centrum, cieńsze na brzegach. Jakość wygładzenia powierzchni i krzywizn nigdy nie są doskonałe, skład chemiczny szkła nie jest doskonale jednorodny. Zespół kilku soczewek to już cała armia drobnych niedoskonałości nakładających się na siebie. Obraz rzutowany przez soczewkę ma inną jakość w centrum jak na krawędziach pola obrazowego. MTF zmienia zmieniać w miarę oddalania się od centrum kadru. Zazwyczaj (chyba nawet zawsze) na brzegach kadru ostrość jest mniejsza jak w jego środku.
Aby dokładnie poznać zachowanie obiektywu, należało by wykonać kilkadziesiąt/kilkaset charakterystyk MTF dla różnych miejsc kadru. Jest to w dzisiejszych czasach wykonalne nawet w „domowych” warunkach. Jedyny problem to analiza tak dużej ilości danych przez „zwykłego” użytkownika.
Dla potrzeb określenia jakości obiektywów przyjął się standard prezentacji uproszczonej powierzchniowego MTF. Wykresy MTF jakości szkieł można znaleźć na stronach prawie wszystkich liczących się producentów (odstępstwem od reguły jest strona www Tamrona).
Zamiast kilkudziesięciu punktowych pełnych wykresów MTF, na wykresie uproszczonym prezentowany jest „przekrój” pomiarów wykonany po przekątnej kadru od na odcinku od centrum do rogu.
Jak czytać wykres MTF obiektywu
- Wykres zawiera pomiary dla dwóch różnych gęstości linii (10 i 30 lp/mm lub 20 i 40 lp/mm).
- Wykres zawiera pomiary par linii ułożonych równolegle do krzywizny obiektywu (oznaczane literą M) i prostopadle do niej (koncentrycznie, oznaczane literą S). Linie równoległe do krzywizny oznaczane są linią ciągłą. Linie prostopadłe do krzywizny (koncentryczne) linią przerywaną.
- Wykres prezentuje pomiary wykonane obiektywem w pełni otwartym oraz czasami obiektywem domkniętym do f/8.
- Oś pionowa wyskalowana jest od 0 do 1. 0 oznacza zupełny brak kontrastu – kompletną „szarość” – zlanie się szczegółów. 1 oznacza brak tłumienia – doskonałość optyczną.
- Oś pozioma wyskalowana jest w milimetrach. Połowa przekątnej klatki 36x24 mm wynosi około 22 mm i to jest granica dokonywanych pomiarów. 0 znajduje się w centrum kadru, 22 mm na jego brzegu.
Wykres doskonałego obiektywu składał by się z czterech lub ośmiu poziomych linii biegnących na wysokości wartości 1. Nie istnieją doskonałe obiektywy.
- Linie wykresu opisujące pomiary dla 10 lp/mm mówią najwięcej o zdolności do przenoszenia kontrastu przez szkło.
- Wykres MTF dla 10 lp/mm przebiegający w miarę płasko od centrum do brzegu oscylujący powyżej wartości 0,8 cechuje bardzo dobre szkła.
- Przebieg linii 10 lp/mm oscylujący powyżej wartości 0,6 cechuje szkła przyzwoite.
- Wykres MTF dla 10 lp/mm poniżej 0,6 oznacza, że szkło nie jest warte zbyt wiele.
- Linie wykresu opisujące pomiary dla 30 lp/mm określają zachowanie szkła przy bardzo drobnych szczegółach.
- W przypadku szkieł cyfrowych pomiar dla 30 lp/mm ma równie duże znaczenie co 10 lp/mm. Niestety, mam zbyt mało doświadczeń, by określić, gdzie znajduje się próg szkieł wysokiej jakości.
- Bliskie sąsiedztwo wykresów dla linii M i S charakteryzuje obiektywy posiadające dobry boke(h).
Bonus dSLRa
Na użytkownika lustrzanki cyfrowej o matrycy mniejszej od klatki 36x24mm czeka dodatkowy bonus. Obiektywy są „ostrzejsze” w centrum pola obrazowego. Z uwagi na mniejszą przekątną matrycy typowego dSLRa, cyfrak korzysta z najsmaczniejszego, centralnego obszaru obrazowego obiektywu. Analizując MTF, cyfrowego fotografa zainteresuje obszar od centrum do ~14,5mm. Typowy spadek jakości obrazu na brzegu nie wpłynie na jakość fotek wykonanych z cropem 1.5 (pomijam teoretyczne problemy z rejestracją obrazu przez detektory umieszczone na brzegach matrycy). Nic za darmo, gęstość upakowania sensorów na matrycy stawia wysokie wymagania i by wykorzystać w pełni jej możliwości obiektyw musi być naprawdę bardzo ostry.
Wszystko się sumuje
Nie wolno zapominać o fakcie, że obiektyw nie działa w oderwaniu od reszty systemu optycznego aparatu (zarówno cyfraka jak i analoga). Tłumienie kontrastu przez obiektyw doda się do tłumienia kontrastu na matrycy. Najlepsze szkło będzie źle pracować z marną matrycą. Najlepszy aparat da niezadowalające wyniki z kulawym obiektywem.
I to by było prawie wszystko. Mam nadzieję, że te kilka słów o funkcji przenoszenia częstotliwości pozwoli Ci drogi czytelniku dokonywać lepszych zakupów. Muszę podkreślić jedną ważną sprawę. MTF to nie wszystko. To tylko jeden z parametrów pozwalających ocenić obiektyw. Trudno dokonać trafnego wyboru kierując się tylko tym parametrem. Jest jeszcze szybkość, jasność, zniekształcenia sferyczne, jakość wykonania, waga, podatność na flary i pewnie jeszcze kilkanaście innych czynników, które czynią z Nikkora AF-S 28-70 szkło warte 1300 dolarów.
Linki zewnętrzne
Wzorzec ISO 12233 | Strona programu Imatest | Opis MTF na Photozone
MTFy szkieł
Szkła Canona | Szkła Nikona (niestety tylko strona japońska prezentuje MTFy). | Zuiko (Olympus 4/3) | Szkła sigmy | Szkła Tokiny (szczątkowe)
Trackback(0)
Adres TrackBack do tego komentarzaKomentarze (2)
