Что такое MTF и её связь с разрешением

Опубликовал ergonom
июля 16, 2010

Несколько слов о разрешении

Способность передать мелкие детали изображения называют обычно разрешением. Ранее, в плёночной фотографии, принято было выражать его в линиях на мм, считая (в отличие от телевидения и видео) чёрную линию на белом фоне за ОДНУ линию. Таким образом, если в кадре (24*36мм) можно было различить 1200 горизонтальных чёрных линий, а 1300 уже сливались, говорили что разрешение 50 линий на мм. С появлением цифровой фотографии связано два принципиальных изменения — во-первых, для унификации с теле-видео-стандартами стали считать одну линию за две («чёрная+белая») и говорить «пар линий»; во-вторых — в связи с разными размерами кадра(матрицы) приводить число линий не к миллиметру, а к короткой стороне кадра. В вышеупомянутом примере разрешение составило бы 2400 линий/высоту кадра. Типичным способом измерения служит так называемая радиальная мира — как бы веер из сходящихся линий. В центре все линии сливаются, на окраине — хорошо различимы. В зависимости от разрешения аппарата меняется место «начиная с которого» отдельные линии переходят в серый фон.

Проблемы в измерении разрешения. Введение MTF.

В учебнике всё выглядит достаточно гладко и понятно. Но кавычки в конце предыдущего абзаца поставлены не случайно. В реальности выясняется, что


На иллюстрации приведён типичный (не самый сложный) пример. В зависимости от «строгости» наблюдателя колебания разрешения легко достигают 20-40%. В результате ценность цифр, приводимых в обзорах становится сомнительной.

Лирическое отступление.
Похожая ситуация складывается с другими «паспортными» парметрами бытовой техники — например мощностью и частотным диапазоном недорогих аудиосистем. Мощность можно измерять при разных значениях искажений, а нижнюю границу частотного диапазона — при разном падении АЧХ, чем изготовители активно пользуются. В результате мы часто видим пластиковые компьютерные колонки за 50уе с диапазоном от 40Гц и качественные HiFi колонки за 600 уе с диапазоном от 45Гц. Угадайте, у кого из них басы глубже на самом деле?

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, 40пар_линий (pl)/мм в 35мм-эквиваленте) могут иметь разные графики MTF — у одного график опускается сразу от 1pl/mm вниз, плавно достигая 0,1 при 40 pl/mm, а у другого держится возле 0,95 «до последнего», и лишь начиная с 30pl/mm круто падает вниз. При частоте 20-25pl 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.

Разные графики MTF

Самый естественный график MTF — зависимость от частоты линий при фиксированном месте в кадре (с краю и в центре графики разные). Однако получил распространение и наиболее часто публикуется другой тип графиков — зависимость от положения в кадре при фиксированной частоте линий, обычно при 10, 20 и 40 pl/mm. При этом откладывается обычно расстояние до центра кадра в миллиметрах. Если первый (от частоты) график наглядно показывает «частотное» поведение, то второй — «геометрическое», т.е. более наглядно видно (не)равномерность «замыливания» по полю кадра. Мы далее будем снимать «частотный» вариант.

И ещё пару слов о единицах измерения частоты линий. В 35-мм аппаратуре разумно по-прежнему мерить в pl/mm. В цифромыльницах разумно мерить в линиях на высоту кадра. В цифровых же аппаратах на базе стандартной «плёночной» оптики (типа Canon D60) можно мерить двояко — либо в РЕАЛЬНЫХ pl/mm (таким образом мы можем измерять свойства для традиционных объективов, за исключением самых углов «плёночного» кадра), либо в «цифровых» линиях на высоту. Нетрудно посчитать что при высоте матрицы 15мм эти значения связаны коэффициентом 30. Т.е. 50pl/mm соответствует 1500 линий на кадр. Нижеприведённая методика откалибрована как раз под D60. Все результаты приведены в pl/mm. Однако Вы без труда можете «перевести» полученные на цифрокомпактах результаты в привычные линии на кадр домножив на 30 (строго говоря, не совсем на 30 из-за разной пропорции сторон, но погрешность сопоставима с точностью измерений).

Самостоятельное измерение MTF — пошаговая инструкция.

Готовим и снимаем образцы.

Обрабатываем результаты.

Для обработки можно использовать разные методы. Наиболее, на мой взгляд, доступный и простой (хоть и не самый быстрый и удобный) метод с использованием трёх программ: PixelProfile, Advanced Grapher и MS Excel я и опишу ниже. Отмечу, что первые две программы бесплатны, а последняя имеется на большинстве компьютеров и так.

Некоторые результаты и их обсуждение.

Краткие результаты

По вышеописанной методике я протестировал D60 с тремя разными объективами на одном и том же фокусном расстоянии 28мм (45мм в эквиваленте), а также G2 на «коротком» его конце. Все съёмки велись в RAW, далее конвертировались в 16битный тифф, в фотошопе применялись уровни и затем всё сохранялось в 8битном BMP. Настройки RAW-конвертера стояли все «средние» (ББ «as shot», контраст и шарп — нормал). Справа показаны результаты для угла кадра. Объективы обозначены разным цветом, а диафрагмы — типом линии. О «жирном зелёном пунктире» поговорим чуть позднее...

Хуже всех выступил бюджетный стодолларовый 28-80. Диафрагмирование ему сильно идёт на пользу, но лишь на 8 он догоняет (и незначительно обгоняет) 4-мегапиксельную мыльницу G2. Налицо явное несоответствие качества оптики и матрицы (что и не удивительно, если вспомнить цены того и другого).

G2 не огорчил. Несмотря на бюджетную по «зеркальным меркам» оптику (на объектив приходится явно не больше 200 долларов) и маленькую матрицу он показал сравнимые результаты с D60+бюджетный_зум. Отставание от L-оптики совершенно закономерно.

16-35L показал лучшие результаты, как по MTF, так и по дисторсии. Это тоже совершенно предсказуемо, учитывая его цену. А вот то, что втрое более дешёвый 28-135IS показал практически идентичные результаты с L-оптикой меня очень приятно удивило. Дисторсия у него заметно больше, но иначе L-оптика вообще потеряла бы смысл...Интересно, что MTF практически не меняется на диафрагмах от 4 до 8. И лишь полностью открытая диафрагма 2,8 у 16-35L приводит к довольно хитрому изменению кривой MTF — объектив остаётся резким ( на 30-40pl/mm) но теряет контраст (на 10-20pl/mm).

Тайна «жирного зелёного пунктира».

Вы спросите: а что это за монстр, уверенно обогнавший L-оптику в диапазоне 15-35pl/mm и почти не уступающий ей на более высоких частотах? Наверное, это новый знаменитый 24-70/2,8L? Нет, не угадали — это наш старый знакомый EF28-80/3,5-5,6. Просто в настройках RAW-конвертера я поставил шарп на ступеньку повыше и потом дополнительно в Фотошопе применил UnsharpMask (интенс. 100%, радиус 1,0).

Теоретически на реальных фотографиях подобная обработка может приводить к т.н. «перешарпливанию» и увеличению шумов. Посмотрим, насколько это заметно. Я выбрал недавний портрет одноклассника и обработал его таким же образом. Как известно, портреты хуже всего «реагируют» на перешарпливание.


Это — общий вид кадра. По ссылке откроется «пошарпленный» кадр после ресайза на 50%
Это — без ресайза (если кликнуть), но с кропом «главной» части, в сравнении с необработанным снимком. Все без исключения опрошенные говорят, что как раз справа — нормальный снимок, а слева — какой-то не то мыльный, не то вялый... Шумы же увеличились практически незаметно. Этим примером я не призываю шарпить все кадры без разбора, а лишь хочу показать две вещи:

  • применённый в тесте шарп вполне умеренный, отнюдь не экстремальный, и не приводит к каким-то уж очень катастрофическим побочным эффектам;
  • понятие «нормального», «высокого» и «низкого» шарпа относительно и может трактоваться по-разному у разных производителей или даже в разных линейках камер.
    		•

    Таким образом, умеренное изменение условий обработки влияет на разрешение ничуть не меньше, а иногда и больше чем замена оптики на вдесятеро более дорогую и при этом ни стоит ни копейки. Заманчивый путь для разработчиков, не так ли?

    Выводы.

    Автор Афанас.Школьные столы, мебель детская дошкольная. Поставки детской дошкольной мебели.

    Популярность: 2%

    Похожие записи

    Теги: ,
    Теория фотографии, технологии, фотооборудование

    Понравилась статья? Оставьте комментарий или подпишитесь на RSS рассылку.

    Комментарии

    Комментариев пока что нет

    Оставить комментарий

    (обязательно)

    (обязательно)


    CAPTCHA изображение
    *