Слон или кит? Или второй "блин" от Fujifilm. Часть 3

Разрешающая способность - тесты

S2 Pro, ISO 100, 12Мп. Зависимость абсолютной (MTF>0) устойчивой разрешающей способности от диафрагмы при съемке объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 ED IF при фокусном расстоянии 80мм. Объектив не зря принадлежит к высшему классу оптики Nikkor: разрешение практически не зависит от диафрагмирования, и даже при полностью открытой диафрагме оно остается одним из самых высоких в тесте. Разрешающая способность в красном и синем каналах немного ниже, чем в зеленом канале. Тест показал максимальное разрешение 2410 штрихов по длинной стороне кадра, что соответствует 1205 парам линий или 52,4пар линий/мм, что лишь немного ниже, чем устойчивое разрешение самой матрицы (1426 пар линий/длинную сторону кадра или 62 пар линий/мм). Что говорит об очень высокой разрешающей способности объектива.
Существует две приблизительные, эмпирические формулы для оценки суммарной разрешающей способности системы из компонент, имеющих собственные разрешающие способности. Первая из них присутствует во многих советских справочниках по фотографии и даже была принята в качестве ГОСТ для определения разрешающей способности объективов по пленочным снимкам тестовой миры:

1/R = 1/Rоб + 1/Rпл

Если мы воспользуемся данной формулой, то получим разрешение объектива 1/Rоб = 1/52.4 - 1/62 = 1/338, что, вероятно, выходит за возможности не только очень хорошей оптики (338 пар линий/мм), но Рэлеевского порога дифракционной разрешающей способности, определяемого размером относительного отверстия объектива: 1800/16 = 113 пар линий/мм (для длины волны наибольшей чувствительности глаза 555 нм).
Вторая эмпирическая формула используется реже, например, она приводится в монографии Э.Митчел "Фотография", М. Мир, 1988, а также используется фирмой Kodak (см. тут):

(1/R)^2 = (1/Rоб)^2 + (1/Rпл)^2

Что в нашем случае даст разрешение объектива (1/Rоб)^2 = (1/52.4)^2 - (1/62)^2 = (1/98)^2, которое вполне может быть достигнуто (98 пар линий/мм).
Обе формулы могут давать правильные и очень близкие результаты в некотором диапазоне измерений, однако для точных измерений необходимо использовать произведение частотно-контрастных характеристик (MTF) и пороговую величину MTF (различимого контраста 5-10%), при которой данная пространственная частота разрешена для системы. На самом деле, формулы по известным разрешенным пространственным частотам предсказывают суммарную разрешенную пространственную частоту, предполагая ту или иную (1/x или 1/x^2) крутизну спада MTF пленки и объектива с ростом пространственной частоты.


S2 Pro, ISO 100, 12Мп. Зависимость реальной устойчивой разрешающей способности (при MTF>5%) от диафрагмы при съемке объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 ED IF при фокусном расстоянии 80мм. При измерении реальной разрешающей способности учитываются только те линии миры, которые имеют перепад яркости более 5% от среднего значения (то есть, видимы). Линии, имеющие меньший перепад яркости, не засчитываются. Тем не менее, разрешающая способность при таком жестком ограничении снизилась незначительно и превышает 2200 штрихов/мм (47.8 пар линий/мм), что говорит о высоком контрасте рисунка тестируемого объектива.


S2 Pro, ISO 100, 12Мп. Зависимость средней устойчивой разрешающей способности (при MTF>0) от диафрагмы при съемке объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 ED IF при фокусном расстоянии 200мм. Даже при максимальном фокусном расстоянии 200мм (экв. 300мм на полуформатном кадре S2 Pro) разрешающая способность достигает 2400 штрихов/мм (52.2 пар линий/мм) и мало зависит от диафрагмы, показывая высокие результаты даже при полностью открытой диафрагме. При диафрагмировании объектива, начиная с f/8 разрешающая способность плавно снижается из-за дифракции.


S2 Pro, ISO 100, 12Мп. Зависимость реальной разрешающей способности (при MTF>5%) от диафрагмы при съемке объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 ED IF при фокусном расстоянии 200мм. При использовании 5% порога контрастности, разрешающая способность при фокусном расстоянии 200мм продолжает оставаться очень высокой при диафрагмировании до f/5.6 - f/11, при полностью открытой диафрагме происходит небольшое уменьшение контрастности рисунка, что нашло подтверждение на графике.




Сравнение снимков мир высокого (1:200) и низкого (1:20) контраста (приведенных к одному размеру) для камеры Fujifilm S2Pro, негативной пленки Fujifilm Superia Reala и позитивной пленки Fujifilm Provia 100F. Камера S2 Pro, как и было рассчитано выше, имеет невысокую разрешающую способность в цветовых каналах, что приводит к появлению заметного цветного муара на высоких пространственных частотах. При этом его яркостное разрешение на высококонтрастной мире лишь немного ниже, чем разрешения негативной и позитивной пленок, полученные путем сканирования в 4000dpi. При этом разрешение S2 Pro на низкоконтрастной мире немного выше, чем у фотопленок при заметно лучшем отношении сигнал/шум (снимок S2 Pro выглядит значительно чище).


Частотно-контрастная характеристика при съемке контрастной миры (расположена в центре кадра) на пленку Superia Reala объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 D ED IF при минимальном фокусном расстоянии 80мм и диафрагмировании до f/8. Начиная с пространственной частоты 1/(2*0.3) пиксела (3 пиксела на линию или 6 пикселов на пару линий), контраст изображения плавно уменьшается, при контрасте 20% (MTF=0.2) разрешающая способность системы объектив-пленка-сканер достигает 0.8 линии/пиксел в зеленом канале, наиболее приближенному к яркостному.
Это означает, что при разрешении снимка 5600x3733, полученного с помощью сканировании пленки Superia Reala, будет передано с контрастом 20% до 4480х2986 линий или 2240х1500 пар линий.


Частотно-контрастная характеристика при съемке контрастной (200:1) миры камерой S2 Pro с объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 D ED IF при минимальном фокусном расстоянии 80мм и диафрагмировании до f/8. С контрастом около 20% (MTF=0.2) в красном и синем каналах передаются пространственные частоты 1/(2*0.68) пикселов (1,47 пикселов на линию или около 3 пикселов на пару линий - порог устойчивой разрешающей способности матрицы), в зеленом канале передаются частоты до 1/(2*0.95) пикселов (1.05 пикселов на линию или 2.1 пикселов на пару линий, что близко к порогу неустойчивой разрешающей способности матрицы).
Это означает, что при разрешении снимка 4276x2868, будет передано с контрастом 20% до 4062х2725 высококонтрастных линий или 2031х1362 пар линий, что уступает пленочному кадру на 10%.


Частотно-контрастная характеристика при съемке низкоконтрастной (20:1) миры на пленку Superia Reala объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 D ED IF при минимальном фокусном расстоянии 80мм и диафрагмировании объектива до f/8. Из-за высокого уровня шумов гранулярности и низкого контраста объекта, приемлемого результата не удалось получить даже на низких пространственных частотах 1/(2*0.15) пикселов. Если рассматривать только зеленый канал, пороговой пространственной частотой при съемке миры низкого контраста можно считать 1/0.3 пиксела, что при сканировании полного кадра с разрешением 4000dpi (размер изображения 5600x3733) дает не более 1680х1120 линий или 840х560 пар.


Частотно-контрастная характеристика при съемке низкоконтрастной миры камерой S2 Pro с объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 D ED IF при минимальном фокусном расстоянии 80мм и диафрагмировании объектива до f/8. В отличие от пленочного кадра, ЧКХ цифровой камеры плавно снижается (уровень контраста очень низок, поэтому неточности его измерения, видимые как пики и провалы на графиках, неизбежны) и достигает минимума, при котором линии миры различимы при пространственных частотах в окрестностях 1/0.7 пиксела (в зеленом канале - вплоть до 1/(2*0.88) пиксела).
Если рассматривать только зеленый канал (как в случае пленки), пороговой пространственной частотой при съемке миры низкого контраста можно считать 1/(2*0.88) пиксела, что при размере изображения 4276x2868 дает 3763х2524 линий в кадре, для остальных цветовых каналов - 3002х2008 линий. Даже если сравнить минимальную оценку разрешающей способности при низком (20:1) контрасте объекта, цифровая камера при половинном размере кадра в состоянии передать на 79% больше деталей вдоль стороны кадра, что более чем компенсирует 10% отставание при съемке высококонтрастной (200:1) миры.


Частотно-контрастная характеристика при съемке контрастной миры камерой S2 Pro с объективом Nikkor AF-S 80-200/2.8 D ED IF при максимальном фокусном расстоянии 200мм и диафрагмировании объектива до f/8. При контрасте 20% (MTF=0.2) порогом разрешающей способности является пространственная частота 1/(2*0.9) пиксела (1.1 пиксела на линию или 2.2 пиксела на пару линий). Кроме порогового разрешения (определяемого неустойчивым разрешением), на графике хорошо заметен минимум при пространственной частоте 1/(2*0.68) пиксела (1.47 пиксела на линию или 2.94 пикселов на пару линий, что очень близко к предельной устойчивой разрешающей способности ПЗС матрицы с регулярной структурой).
Следовательно, снимая камерой S2 Pro с этим объективом при фокусном расстоянии 200мм и диафрагме f/8 в 12Мп режиме (4276х2868), можно рассчитывать на неустойчивое разрешение 3848х2582 линий или устойчивое 2908х1950 линий, то есть, всего на 5% хуже, чем при минимальном фокусном расстоянии 80мм и этой же диафрагме.


При съемке контрастной миры камерой S2 Pro с отечественным объективом Волна-9 50/2.8 макро, график частотно-контрастной характеристики имеет пологий спад вплоть до пространственной частоты устойчивой разрешающей способности ПЗС матрицы 1/(2*0.67) пикселов (1.5 пиксела на одиночную линию). Высшие пространственные частоты распознать невозможно, так как контраст снижается до 8..15%.


Съемка контрастной миры камерой Nikon F80 (пленка Superia Reala) с этим же объективом позволяет добиться устойчивого разрешения пространственных частот вплоть до 1/0.7 пиксела (1.5 пиксела на одиночную линию) и неустойчивого (в зеленом и красном каналах) - для частоты 1/(2*0.9) пикселов.
Вероятно, для многих владельцев зеркальных камер Nikon будут интересны графики ЧКХ для нового и очень популярного среди владельцев цифровых камер, позволяющих использовать оптику Nikon, объектива AF-S 24-85/3.5-4.5G. Тем более, что отзывы о нем бывают крайне противоречивы. Следующие четыре графика показывают ЧКХ этого объектива совместно с камерой S2 Pro при минимальном и максимальном фокусных расстояниях, для максимально открытой диафрагмы и для диафрагмы f/8. Думаю, что читатели, которым это интересно, выводы сделают сами.

Напоследок приведу несколько графиков, которые могут оказаться полезными.


Сравнение средней разрешающей способности объективов при съемке камерой S2 Pro (объективы М42 устанавливались через переходник с компенсирующей линзой).
Советский "фикс" - макрообъектив Волна-9 50/2.8 при диафрагмах от f/5.6 почти не уступает во много раз более дорогому зум-объективу AF-S 80-200/2.8. Что может показаться странным после сравнения их частотно-контрастных характеристик, которые приведены выше. Дело в том, что цифра, характеризующая разрешающую способность при некотором значении контраста, не может по информативности сравниться с ЧКХ и вполне может явиться причиной заблуждений. Разрешающая способность говорит, что данный объектив может передать некоторое число штрихов или пар линий, при этом ничего не говоря о контрасте, с которым он это сделает. В результате чего малоконтрастный объектив, имеющий высокую разрешающую способность, получит более высокую оценку, чем контрастнорисующий объектив с меньшей разрешающей способностью (при этом снимки, снятые вторым объективом, как правило, будут выглядеть резче, чем снимки первого объектива - до некоторого предела увеличения).
Неплохо показали себя очень старый объектив Индустар-50/3.5 и Юпитер-37А 135/3.5. Киевский сверхсветосильный штатник Арсат 50/1.4 оказался гораздо слабее и заменить собой штатный объектив от Nikon (например, Nikkor 50/1.8 или 50/1.4) увы, не в состоянии. Хотя этот объектив и единственный среди протестированных имеет байонет, совместимый с байонетом Nikon, и, что приятно, работающую совместно с камерой S2 Pro "прыгающую" диафрагму.


Новый Nikkor AF-S 24-85/3.5-4.5G, ставший стандартным для многих владельцев D100 и S2Pro, оказался ощутимо слабее как профессиональных зум-объективов Nikkor, так и многих советских объективов с постоянным фокусным расстоянием. Хотя, пожалуй, его универсальность и вполне приемлемая цена вполне оправдывают на 10% худшую разрешающую способность. Судя по его MTF в большинстве случаев он обеспечивает разрешающую способность на пространственных частотах, равных пороговой частоте для используемой SuperCCD матрицы, хотя и с небольшим контрастом (уровень контраста высоких частот вполне можно поднять при обработке снимка). Тем более приятно, что у его ЧКХ нет явных провалов, да и максимальная резкость достигается как на "коротком", так и на "длинном" концах, небольшое снижение резкости отмечено при среднем фокусном расстоянии 50мм (так что покупка дешевого и качественного Nikkor 50/1.8 действительно оправдана). Для камеры D100, судя по полученной выше оценке разрешающей способности используемой в нем матрицы, объектива AF-S 24-85G будет более чем достаточно. Его разрешения хватило бы и для 14Мп Kodak-14n, но, как дальше будет показано, для использования с полноразмерными матрицами (и, вероятно, с фотопленкой) этот объектив и не предназначался - так велика потеря резкости на краях пленочного кадра.

Характеристическая кривая и фотоширота

Условия тестирования:

1. Объектив камеры расфокусирован (для того, чтобы исключить влияние деталей тестовой поверхности, которые в противном случае могут быть засчитаны как шум). Тестовый объект: световой столик с цветовой температурой 5000К. Тестирование производится в ручном режиме съемки, снимки делаются с выдержками от 4 секунд до 1/4000 секунды, что дает диапазон 1:16000 или 29 ступеней экспозиции (всего 29 снимков для каждой чувствительности и формата сохранения изображения). Значение 0Ev на графиках характеристических кривых при ISO 100 означает среднесерый уровень (показания экспонометра камеры, настроенного на отражающую способность 0.18).

2. Измерения при съемке в формат Jpeg
Изображения кадрируются до 200х200 пикселов центральной части снимка для уменьшения влияния неравномерности освещенности источника и анализируются написанной для построения ХК программой в пакете MatLab. На выходе программы получаем значения:
Level = среднее значение блока 200х200 пикселов (обработка ведется для 40 000 пикселов)
Noise = среднеквадратичное отклонение от средней величины в блоке 200х200 пикселов

3. Измерения при съемке в формат RAW
Фотоширота для "цифрового негатива" - формата RAW измерялась непосредственно в значениях, полученных с ПЗС матрицы, без какой-либо обработки (гамма-коррекция, баланс белого, контурная резкость и т.п.). Это позволяет оценить потенциал самой камеры, а не программного обеспечения, которое идет с ней в комплекте (кстати, в комплекте для России поставляется только 8-разрядный RAW конвертор, который не представляет для фотографа никакого интереса). Обилие же конверторов от независимых производителей (Bibble, SharpRaw, Qimage Pro) кроме собственного 16-разрядного Fujifilm Convertor EX и постоянно выходящие их новые и улучшенные версии, потребовало бы тестирования всех существующих конверторов, точнее, их качества на момент тестирования. Что, вероятно, к самой камере отношения не имеет.

Кроме того, анализ необработанных данных позволяет оценить разбаланс между каналами, например, при съемке с различной цветовой температурой (после процедуры баланса белого это сделать уже невозможно). Необходимо помнить, что фотоширота материала является пересечением множеств фотоширот каждого из цветовых каналов. Если цветовая температура, используемая при съемке, сильно отличается от цветовой температуры, на которую рассчитаны фильтры матрицы, разбаланс усилится, и общая фотоширота уменьшится. Для большинства ПЗС, которые я испытывал, цветовая температура 4800...5500К является оптимальной.
Отсутствие цветовой интерполяции позволяет не учитывать погрешности и шумы, вносимые различными алгоритмами цветовой интерполяции, одни из которых лучше подходят для получения максимальной разрешающей способности, другие - для точности цветопередачи и лучшего цветового охвата и т.п. Поэтому в расчете участвуют только собственные шумы матрицы и шумы 12-разрядного АЦП. Учитывая обилие различных программных конверторов и различные результаты, получаемые при их использовании, мне кажется правильным оценивать только потенциал тестируемой камеры.
Гамма-коррекция изображения, используемая для правильного отображения снимка на экране (как правило, равная 1.8...2.2) применяется к изображению для компенсации типовой гаммы мониторов. Программы для калибровки монитора не приводят их гамму к идеальному значению, равному 1, но лишь корректируют гамму для получения значения, близкого к стандартному (2.2 для систем на базе MS Windows). Поскольку дисплеи на катодно-лучевой трубке (CRT) имеют логарифмическую зависимость тока луча от модулирующего напряжения (типовая зависимость I ~ U^0.45) и исторически не имеют схем, компенсирующих эту нелинейность, в цифровые изображения закладывается гамма-коррекция, обратная зависимости типового монитора:

L' = 255 x (L/255)^(1/0.45) = 255x(L/255)^2.2

Конечно, качество изображения после такого пересчета не улучшается, шумы увеличиваются за счет шумов ошибок округления при вычислении гамма-коррекции. Кроме того, характеристическая кривая линейной по своей природе ПЗС матрицы (в отличие от фотопленки) после выполнения гамма-коррекции сильно искажается, что ведет к неправильному пониманию физических процессов и, кроме того, может приводить к ошибкам в определении фотошироты.


Нижняя часть шкалы образована сигналом с удваивающимися уровнями (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 255), соответствующим съемке серой шкалы с удваивающимися коэффициентами отражения от 0.37% до 100% так, как увидит такую шкалу линейное устройство, такое как ПЗС матрица. Верхняя часть шкалы получена из нижней применением гамма-коррекции 2,5 и визуально (если Ваш монитор имеет значение гамма в пределах 2.2...2.5) воспринимается как шкала с удвоением яркости полей. При этом "среднесерое" поле с коэффициентом отражения 18%, имеющее уровень 255 x 0.18 = 46, превратилось в поле с уровнем 128 - среднее значение для 8-разрядного сигнала.
Последнее замечание: поскольку для всех компактных (и не очень компактных, например, E-10/E-20) камер измерение фотошироты производилось с учетом определенных критериев, я не стал нарушать собственную методику и изменять критерии, исходя из более высокого класса камеры S2 Pro. Главное в тестах - сопоставимость результатов, поэтому все критерии сохранены:

Ограничения на значения сигнала:
- фотоширота ограничена минимальным значением сигнала и шагом квантования (значение уровня не может быть меньше 1, дизеринг сигналом не считается), L>=1;
- фотоширота ограничена шумами, L>N, или S/N>1.

Ограничения на изменения сигнала:
- фотоширота ограничена возможностью передачи уровней, разница между значениями которых должна быть больше значения шума (разница между значениями сигнала при уровнях яркости/экспозиции, отличающимися на 1/3-1/2Ev должна быть больше, чем значение шума при этих значениях, в противном случае шум окажется больше разности сигналов и не позволит различать градации), dL>N;
- уровни, отличающиеся на 1/2 Ev должны вызывать изменение сигнала, превышающее шаг квантования, dL>1;
- фотоширота ограничена монотонным участком ХК (при уменьшении яркости величина должна уменьшаться, следовательно, угол наклона ХК должен иметь один и тот же знак, а производная от уровня не может быть отрицательной или нулевой), L'>0.
Краткий словарь:
Полная фотоширота = диапазон экспозиций, при котором изменение экспозиции приводит к изменению значения сигнала, при этом собственные ХК цветовых каналов удовлетворяют перечисленным ограничениям. Допускается наличие нелинейностей и разбаланса цветовых каналов вплоть до полной потери цветности деталей в глубоких тенях.
Полезная фотоширота = общая часть собственных полных фотоширот цветовых каналов, удовлетворяющих всем ограничениям, при этом сохраняется цветность изображения, допускается наличие нелинейностей и разбаланса цветовых каналов.
Линейный участок (фотоширота в терминах пленочной фотографии) = линейная часть полезной фотошироты, в этой части ХК достигается правильное цветовоспроизведение (линии R,G,B параллельны). Кроме того, классическое определение фотошироты, используемое в пленочной сенситометрии, означает именно линейный участок ХК.
Света = диапазон экспозиций между точкой среднесерого (точка, на которую настроен экспозамер камеры) и насыщением ячеек (этот параметр очень важен для передачи светлых участков изображения).


ХК при установке минимальной чувствительности (ISO 100) и записи изображения в RAW формат.

Полная фотоширота: 11.6Ev = 3104:1 = 3.5D
Полезная фотоширота: 10.6Ev = 1552:1 = 3.2D
Линейный участок ХК: 9.1Ev = 549:1 = 2.7D
Света: 3.1Ev = 9:1 = 0.9D

График ХК, полученный из RAW файла, имеет протяженный линейный участок, небольшая нелинейность в глубоких тенях обусловлена тепловыми шумами ПЗС матрицы, предусилителя и АЦП.


ХК при установке минимальной чувствительности (ISO 100) и записи изображения в формат JPEG.

Полная фотоширота: 7.7Ev = 208:1 = 2.3D
Полезная фотоширота: 6.8Ev = 111:1 = 2.05D
Линейный участок ХК: 6.0Ev = 64:1 = 1.8D
Света: 2.5Ev = 6:1 = 0.8D

Уровень шумов изображения при съемке в Jpeg на ISO 100 не превышает -40дБ во всем диапазоне яркостей.


Полная фотоширота: 7.1Ev = 137:1 = 2.1D
Полезная фотоширота: 6.6Ev = 97:1 = 2.0D
Линейный участок ХК: 5.6Ev = 49:1 = 1.7D
Света: 1.6Ev = 3:1 = 0.5D

Уровень шумов изображения при съемке в Jpeg на ISO 1600 не превышает -28дБ во всем диапазоне яркостей. Другими словами, уровень шумов при увеличении ISO в 16 раз возрос на 12дБ или всего в 4 раза. Как удалось выяснить при съемке в RAW, при увеличении чувствительности, изменяются уровни в RAW файле, то есть, увеличение чувствительности этой камеры достигается не только усилением сигнала матрицы, но и изменением режима работы ПЗС-матрицы.
Из графиков характеристических кривых камеры S2 Pro можно сделать несколько полезных выводов:

При сохранении изображения в формат Jpeg (как, впрочем, и TIFF) камера использует тоновую кривую с большой крутизной характеристики, что приводит к получению контрастных снимков и сильному уменьшению фотошироты (идущий в комплекте с камерой упрощенный 8-разрядный конвертор из формата RAW приводит к похожим результатам, кроме того, корректировка тоновой кривой установкой значения ORG при съемке в TIFF/JPEG недостаточно сильно влияет на контраст изображения).

При повышении чувствительности в 16 раз камера сохраняет полезную фотошироту практически на том же уровне, что и при съемке на ISO 100 (по крайней мере - при съемке в JPEG, где фотоширота сильно ограничена внутренними алгоритмами обработки), а уровень шумов возрастает всего в 4 раза.

Для съемки любых сюжетов вне студии, за исключением разве что съемок в пасмурную погоду и съемки при сумеречном освещении, желательно использовать RAW формат записи изображений. Похоже, что формат Jpeg был отдан на откуп любителям, только что перешедшим с компактных камер и привыкшим сразу после съемки нести файлы в печать, не задумываясь о необходимости их обработки. Кстати, по ощущениям многих пользователей камеры, съемка в форматы Jpeg или TIFF делает снимки весьма похожими на снимки, снятые на позитивную пленку Fuji Velvia, имеющую повышенный контраст и цветовую насыщенность.