Качество объективов: ЧКХ (MTF), разрешение и контраст

Качество объектива на сегодняшний день важно как никогда ранее, в связи с невероятно повысившимся числом мегапикселей в современных цифровых камерах. Зачастую разрешающая способность ваших цифровых снимков в действительности ограничена объективом — отнюдь не разрешением самой камеры. Однако, расшифровать графики зависимости частотно-контрастной характеристики (Modulation Transfer Function — MTF) и сравнить разрешение различных объективов — само по себе наука. Данная глава осуществляет обзор фундаментальных концепций и терминов, используемых при оценке качества объективов. По меньшей мере, она может заставить вас подумать дважды о том, что важнее при покупке вами следующих цифровой камеры или объектива.

Разрешающая способность и контраст

Кажется, каждый знает концепцию разрешения изображения, но к сожалению, этому единственному фактору часто уделяют слишком много внимания. Разрешение описывает только, как много деталей способен передать объектив — и необязательно качество, с которым деталь передана. Есть факторы, которые гораздо более существенно влияют на наше восприятие качества и резкости цифрового изображения.

Чтобы понять это, посмотрим, что происходит с картинкой, когда она проходит через объектив и записывается сенсором камеры. Чтобы упростить иллюстрацию, мы будем использовать изображения, состоящие из чередующихся белых и чёрных полос («пар»). Если разрешения объектива недостаточно, эти пары, разумеется, не будут различимы:

	→		→
Пары высокого разрешения		Объектив	Неразличимые пары

Пример парных линий, более мелких, чем разрешение объектива.

Однако есть кое-что, вероятно, менее доступное пониманию: то, что происходит с другими, более толстыми линиями. Даже если они по-прежнему различимы, по мере того, как они становятся тоньше, нарастает спад как контраста, так и чёткости границы (см. резкость: разрешение и чёткость):

	→		→
Толщина линий уменьшается		Объектив		Контраст и чёткость границ спадают

Для двух объективов с одинаковой разрешающей способностью визуальное качество изображения в-основном будет определяться тем, насколько хорошо каждый из объективов сохраняет контраст по мере сокращения толщины линий. Однако, чтобы сделать честное сравнение объективов, требуется задать количественную метрику потерь качества изображения...

ЧКХ (MTF): частотно-контрастная характеристика

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ), известная также как Modulation Transfer Function (MTF), определяет, насколько хорошо локальные вариации яркости в изображении сохраняются при прохождении через объектив. Следующий пример иллюистрирует кривую ЧКХ для идеального* объектива:

* Идеальным называется объектив, разрешение и контрастность которого ограничены только дифракцией. Основы по этой теме читайте в главе, посвящённой дифракции в фотографии.

	← Максимальное разрешение (дифракционный предел)
Нарастание частоты парных линий →

Примечание: расстояние между чёрными и белыми линиями преувеличено для лучшей визуализации. Кривая MTF подразумевает круговую диафрагму; другие формы диафрагмы
дадут несколько другие результаты.

ЧКХ, равная 1.0, соответствует идеальной контрастности, а снижение значения означает, что всё больше и больше контрастности теряется — пока ЧКХ не достигает значения 0, когда пары более неразличимы. Предел разрешения является непреодолимым барьером для любого объектива; он зависит исключительно от диафрагмы объектива и не имеет отношения к числу мегапикселей. Следующий график сравнивает идеальный объектив с двумя реальными примерами:

Нарастание частоты пар →
Высококачественный объектив (близок к дифракционному пределу)	Низкокачественный объектив (далёк от дифракционного предела)

Сравнение между идеальным объективом (дифракционный предел, синяя кривая) и реальным.
Визуализация пар под графиком не относится к идеальному объективу.
Наведите курсор на подписи, чтобы увидеть пример отличия качества объективов.

Синяя кривая представляет «дифракционный предел», т.е. идеальный объектив. Однако в действительности объективы ограничены не только дифракцией, хотя высококачественные объективы приближаются к этому пределу значительно ближе, чем низкокачественные.

Парные линии часто описывают в терминах их частоты: количества линий на единицу длины. Соответственно, единицей измерения этой частоты является число парных линий на миллиметр (пл/мм). В англоязычной терминологии помимо LP/mm иногда фигурирует также ширина линии (LW), которая является половиной ширины пары (2LW = LP).

Максимальная частота строк, которую объектив способен воспроизвести, потеряв не более 50% ЧКХ («MTF-50»), является важным числом, поскольку коррелирует с нашим восприятием резкости. Топ-модели объективов с MTF-50 порядка 50 пл/мм покажутся намного более резкими, чем их младшие собратья с MTF-50 на уровне 20 пл/мм, например (при условии использования их на одной и той же камере и с одинаковой ступенью диафрагмы; подробнее об этом позже).

Однако приведенный график зависимости контрастности от частоты в норме не является средством сравнения объективов. Обычно более чем достаточно знать максимальное разрешение, а также ЧКХ при двух различных линейных частотах. Зачастую гораздо важнее знать, как ЧКХ меняется с удалением от центра изображения.

ЧКХ обычно измеряют по направлению удаления от центра изображения к его дальнему углу при фиксированной линейной частоте (обычно 10-30 пл/мм). Эти линии могут быть либо параллельны направлению удаления (сагиттальные), либо перпендикулярны ему (меридианные). Следующий пример показывает, как эти линии могут быть измерены и показаны на графике ЧКХ для полнокадровой 35мм камеры:

	Меридианные (круговые) парные линии		Расстояние от центра [мм]
	Сагиттальные (радиальные) парные линии

Детали в центре изображения практически всегда будут иметь наивысшую ЧКХ, и с удалением от центра спад ЧКХ достаточно часто нарастает. Вот почему края объективов практически всегда дают наиболее размытую и низкокачественную часть изображения. Ниже мы обсудим, почему сагиттальные и меридианные линии размываются.

Как читать график ЧКХ

Теперь мы можем наконец-то применить все вышеописанные понятия на практике и сравнить свойства вариобъектива (зума) и простого объектива (фиксы):

Расстояние от центра изображения [мм]	Расстояние от центра изображения [мм]
Вариобъектив Canon 16-35мм f/2.8L II (при фокусном расстоянии 35мм)	Простой объектив Canon 35мм f/1.4L

По вертикальной оси показаны значения ЧКХ, где 1.0 соответствует идеальной передаче парных линий, а 0 означает парные линии, которые более неразличимы. По горизонтальной оси показано расстояние от центра изображения, где 21.6 мм означает дальний угол кадра 35 мм камеры. Для обрезанного сенсора с кроп-фактором 1.6 можно не обращать внимания на всё, что дальше 13.5 мм. Далее, всё, что находится далее 18 мм на полнокадровом сенсоре, будет заметно только на самых краях снимка:

Полнокадровый сенсор 35 мм	Сенсор с кроп-фактором 1.6

Примечание: для кроп-фактора 1.5 дальний угол находится
на расстоянии 14.2 мм, а дальняя граница — 11.9 мм.
О том, как размеры сенсоров цифровых камер влияют на качество изображения,
рассказывает отдельная глава.

Масса кривых на графиках ЧКХ может сперва показаться ошеломляющей; правильный подход состоит в том, чтобы рассматривать их по отдельности. Каждая из кривых представляет отдельную ЧКХ при определённых условиях. Например, одна из кривых может соответствовать значениям ЧКХ при диафрагме объектива f/4.0, а другая — при диафрагме f/8.0. Большим препятствием к пониманию того, как читать график ЧКХ, является изучение того, что означает каждая из кривых.

Стиль каждой из показанных выше кривых имеет три параметра: толщина, цвет и тип. Каждый из них имеет своё значение:

Толщина линии:	Толстая → 10 пл/мм: мелкодетальный контраст Тонкая → 30 пл/мм: мелкодетальное разрешение
Цвет линии:	Синяя → при диафрагме f/8.0 Чёрная → открытая диафрагма
Тип линии:	Пунктир → меридианные (концентрические) пары Сплошная → сагиттальные (радиальные) пары

Поскольку возможна любая комбинация данных параметров, графики ЧКХ содержат 8 кривых. Например, толстая, синяя пунктирная кривая описывает ЧКХ, измеренную по меридианным линиям частотой 10 пл/мм при диафрагме f/8.0.

На примере выше чёрные кривые, к сожалению, не являются инструментом абсолютно точного сравнения, поскольку максимальная диафрагма у выбранных объективов отличается (f/2.8 на зуме и f/1.4 на фиксе). Это основная причина, по которой чёрные графики для простого объектива выглядят настолько хуже. Однако, с учётом такого неравенства условий простой объектив показывает превосходные результаты — особенно на частоте 10 пл/мм в центре и на 30 пл/мм по краям изображения. Следовательно, весьма вероятно, что простой объектив превзойдёт вариобъектив при диафрагме f/2.8, но сказать это наверняка на основе вышеприведенных графиков нельзя.

На примере выше простой объектив демонстрирует лучшую ЧКХ по всем позициям, как для высоко-, так и для низкочастотных деталей (30 и 10 пл/мм). Его превосходство даже более выражено на краях изображения.

На примере выше оба объектива демонстрируют аналогичную контрастность при f/8.0, хотя простой объектив выглядит несколько лучше. Вариобъектив практически теряет контрастность при открытой диафрагме по сравнению f/8.0. С другой стороны, простой объектив значительно теряет в контрастности при переходе от f/8.0 к f/1.4, но это, вероятно, вызвано тем, что интервал f/1.4-f/8.0 значительно больше, чем f/2.8-f/8.0.

Астигматизм: радиальные и меридианные линии

Сплошные и пунктирные кривые. К этому моменту вы, вероятно, задаётесь вопросом, зачем показывать ЧКХ как для сагиттальных (S), или радиальных, так и для меридианных (M) парных линий? Они разве не будут одинаковыми? Да, в центре изображения они всегда одинаковы. Однако по мере удаления от центра всё становится несколько интереснее. Там, где сплошные и пунктирные кривые начинают расходиться, это означает, что степень размытия более не является одинаковой по всем направлениям. Этот дефект качества называется «астигматизм» и проиллюстрирован ниже:

Оригинал				Астигматизм: ЧКХ S > M
				Астигматизм: ЧКХ M > S
				Астигматизма нет: ЧКХ M = S

Наведите курсор на подписи справа, чтобы увидеть эффект астигматизма.
S = сагиттальные линии, M = меридианные линии
Примечание: технически показанные выше S будут иметь несколько лучшую ЧКХ, поскольку они расположены ближе к центру изображения; однако, в целях данного примера мы принимаем
удаление M и S от центра за одинаковое.

Когда ЧКХ S больше M, объекты размываются больше по линиям, исходящим из центра изображения. На примере выше это приводит к тому, что белые точки кажутся протяжёнными по направлению из центра изображения, как если бы они были размыты движением. Аналогично, объекты размываются в противоположном (концентрическом) направлении, если ЧКХ M больше, чем S. Многие из тех, кто читает эту главу, возможно, носят очки с коррекцией астигматизма...

На показанных выше графиках ЧКХ вариобъектива и простого объектива Canon оба объектива начинают демонстрировать выраженный астигматизм на краях изображения. Однако в случае с простым объективом происходит нечто интересное: тип астигматизма меняется на противоположный, если сравнивать f/1.4 и f/8.0. При диафрагме f/8.0 объектив размывает сильнее в радиальном направлении, что является частым явлением. Однако, при f/1.4 фиксированный объектив размывает сильнее в круговом направлении, что значительно менее распространено.

Что этот астигматизм означает для ваших снимков? Пожалуй, наиболее важным следствием, помимо уникального вида, является то, что стандартные средства повышения резкости могут не работать так, как это было задумано. Они исходят из предположения, что размытие одинаково во всех направлениях, так что может получиться, что в итоге вы избыточно акцентируете резкость одних границ, оставив при этом другие визуально размытыми. Астигматизм может также являться проблемой для снимков звёзд или других точечных источников света, поскольку в этом случае асимметричное размытие становится более заметным.

ЧКХ и диафрагма: поиск «зоны наилучшего восприятия» объектива

ЧКХ объектива обычно повышается по мере закрытия диафрагмы, достигая максимума в средних ступенях, после чего по мере дальнейшего закрытия диафрагмы снова спадает. Следующий график показывает MTF-50 высококачественного объектива при различных диафрагмах:

Диафрагма, соответствующая максимуму ЧКХ, является так называемой «зоной наилучшего восприятия» объектива, поскольку при ней изображения будут в целом иметь наилучшую резкость и контрастность. На полнокадровой камере и на кроп-сенсоре зона наилучшего восприятия обычно находится где-то между f/8.0 и f/16, в зависимости от объектива. Положение зоны наилучшего восприятия не зависит от числа мегапикселей камеры.

Однако, не стоит приходить к выводу, будто оптимальная диафрагма вообще не зависит от предмета съёмки. Зона наилучшего восприятия по центру изображения может не быть таковой для краёв и углов изображения; зачастую для них потребуется закрыть диафрагму сильнее. Далее, всё это подразумевает, что предмет съёмки находится в идельном фокусе; объекты вне глубины резкости наверняка выиграют в резкости, если ваша f-ступень будет больше, чем требуется для так называемой зоны наилучшего восприятия.

Сравнение различных производителей камер и объективов

Большая проблема концепции ЧКХ состоит в том, что она не стандартизована. Как следствие, сравнение различных графиков ЧКХ может оказаться довольно сложным, а в некоторых случаях просто невозможным. Например, графики ЧКХ Canon и Nikon не могут сравниваться непосредственно, поскольку Canon использует теоретические расчёты, тогда как Nikon использует измерения.

Однако, даже если кто-нибудь соберётся произвести собственные тесты ЧКХ, он столкнётся с проблемами. Типичный график ЧКХ собственного производства в действительности показывает общую ЧКХ для всей оптической системы камеры — отнюдь не ЧКХ одного лишь объектива. Эта общая ЧКХ представляет объединённые результаты для линзы, сенсора камеры и преобразования RAW, вдобавок к повышению резкости или любой другой пост-обработке. Как следствие, измерения ЧКХ будут варьироваться в зависимости от того, какая камера используется для измерений или какая программа используется для преобразования RAW. В итоге практично сравнивать только те графики ЧКХ, которые были измерены с использованием идентичной методологии.

Кроп-сенсоры и полный кадр. Следует проявлять особую осторожность, сравнивая графики ЧКХ для камер с разными размерами сенсоров. Например, кривая ЧКХ при 30 пл/мм на полнокадровой камере не эквивалентна кривой ЧКХ при 30 пл/мм для сенсора с кроп-фактором 1.6. Для более честного сравнения следовало бы для кроп-сенсора использовать кривую при 48 пл/мм, поскольку изображение с кроп-сенсора масштабируется больше для получения отпечатка того же размера.

Разнообразие размеров сенсоров привело к тому, что линейную частоту начали измерять в терминах высоты изображения или рисунка (пл/ви или пл/вр) вместо абсолютных единиц, таких как миллиметры. Например, линейная частота 1000 пл/вр будет одинаково представлена в отпечатке, вне зависимости от размеров сенсора камеры. Можно предположить, что производители продолжают демонстрировать графики ЧКХ при 10 и 30 пл/мм для DX, EF-S и других объективов для кроп-сенсоров отчасти потому, что такие графики ЧКХ выглядят лучше.

Ограничения графиков ЧКХ

Несмотря на то, что графики ЧКХ являются исключительно мощным инструментом описания качества объектива, у них есть масса ограничений. Фактически, график ЧКХ ничего не говорит про:

• качество цветопередачи и хроматические аберрации
• искажения изображения
• виньетирование (спад светосилы по направлению к краям изображения)
• подверженность бликам

Далее, другие факторы, такие как состояние оборудования или умение обращаться с камерой, могут зачастую оказывать намного большее влияние на качество ваших снимков, чем незначительные различия в ЧКХ. К факторам, снижающим качество, в частности относятся:

• точность фокусировки
• сотрясения камеры (шевелёнка)
• пыль на цифровом сенсоре камеры
• микроцарапины, влага, отпечатки пальцев или другие пятна на объективе

Самое важное: пусть даже графики ЧКХ являются восхитительно комплексными и характеристическими инструментами на солидной научной основе — практически ничто не заменит визуальный контроль изображения на экране или в отпечатке. В конечном счёте, снимки делают для того, чтобы на них смотрели, так что визуальное впечатление оказывается решающим. Зачастую может быть достаточно сложно различить вследствие чего именно изображение выглядит лучше для другого объектива, на основе ЧКХ, поскольку есть обычно много влияющих факторов: контраст, разрешение, астигматизм, диафрагма, искажения и т.д. Объектив редко бывает превосходен во всех аспектах одновременно. Если вы не можете заметить разницу между снимками, сделанными при помощи разных объективов при сходных условиях, вероятно, разница в ЧКХ между ними не имеет значения.

Наконец, даже если ЧКХ одного объектива однозначно хуже ЧКХ другого, повышение резкости и локальное улучшение контраста могут зачастую сделать этот недостаток качества неразличимым в отпечатке — если исходное различие в качестве не слишком велико.