Нажмите "Enter" для пропуска содержимого

Разрешающая способность объектива это: Что такое Разрешающая способность, разрешающая сила

Содержание

что это? Предел разрешения фотоаппарата. Как узнать и в чем измеряется расширяющая способность фотообъектива?

Фотоаппараты сегодняшнего дня ушли от своего прародителя настолько далеко, что немногие помнят, как выглядела первая фотокамера. Её прообразом считают камеру-обскура, и первые упоминания о ней встречаются в V—IV веке до н. э. В Средние века её использовали для наблюдений за солнечными затмениями и астрономическими явлениями. Но возвратимся в настоящее, к нашим привычным «зеркалкам» и «цифровикам» и рассмотрим особенности разрешающей способности объектива.

Что это такое?

Рассматривая фотографию, зритель видит чёткость или размытость изображения. Конечно, всегда отдаётся предпочтение максимально резким снимкам, если речь не идёт о тех художественных задумках, где размытый задний план или угол являются специальным эффектом. Так вот, за чёткость изображения отвечает разрешающая способность объектива. Разрешающая сила — это возможность разделить на изображении расположенные рядом мелкие точки настолько хорошо, чтобы их можно было видеть на снимке.

Когда рассматривают светочувствительность матрицы, всё внимание уделяют именно её разрешению. Но объектив играет не меньшую, если не большую роль в качестве изображения. Проще говоря, всё зависит от того, сколько точек попадёт от него на матрицу. Разрешение неодинаково в центре и по краям изображения.

На это влияют недостатки оптики, у одних объективов разрешающая сила начинает идти на спад у самого края изображения, для других характерно плавное снижение от центра к периферии. На уменьшение показателей влияет увеличение фокуса — у короткофокусных зумов разрешающая сила больше, чем у длиннофокусных.

Качество прорисовки мелких деталей — это показатель разрешения, за что отвечает чип внутри камеры. Он содержит многомиллионный набор светочувствительных точек. А поскольку именно от размера датчика зависит, какое количество света попадёт на фотографию, то чем больше датчик, тем лучше изображение. Минимальное расстояние между пикселями — это предел разрешения. Стандартные размеры датчиков, это 16 миллиметров, Super 35 мм, 65 миллиметров.

Как определить?

Разрешающая сила фотообъектива измеряется тестовой мирой. Миры состоят из чёрно-белых полосок определённой плотности и разделяются на штриховые и радиальные. Изображение миры фотографируют и изучают путём увеличения в микроскоп. Можно узнать определения силы разрешения с помощью графика MTF, это показатель частотно-контрастных характеристик. Эти графики есть в технических документах продукта, они позволят понять разрешение зума.

Измерение происходит в двух линиях на один миллиметр и показывает сопоставление разрешения и часто встречающихся параметров. Для того чтобы понять график, нужно знать, что на горизонтальной оси показано расстояние штрихов от центра кадра в миллиметрах. На вертикальной оси — параметр MTF, который и есть показатель резкости. Проще говоря, чем выше график, тем лучше.

При выборе объектива как раз очень полезно обращать внимание на графики.

Как выбрать объектив?

Как показывает статистика, большинство из тех, кто когда-то приобрёл зеркальный или цифровой фотоаппарат, продолжают использовать китовый объектив – тот, что был в комплекте. Они недорогие и довольно посредственные в конструктивном отношении. Слабая оптика почти никогда не даёт качественного изображения. Хороший, правильно подобранный объектив поднимет качество изображения.

Первое, на что обращают внимание, это фокусное расстояние.

  • Стандартные объективы передадут видимую перспективу так же, как это воспринимается человеческим зрением.
  • Широкоугольные захватывают большие участки пространства.
  • Длиннофокусные, их ещё называют «телевики», хорошо приближают и рассчитаны на съёмку объектов на далёких расстояниях.

Сверхширокоугольные (рыбий глаз) способны захватить в кадр ноги самого? фотографа. Чтобы выбрать фотокамеру по разрешающим параметрам, надо иметь чёткое представление о задачах, которые перед ней будут стоять. Чем дальше расстояние планируемых съёмок, тем выше разрешающая способность выбирается.

  • Съёмка с расстояния менее 4 метров с успехом выполняется камерой с любым разрешением.
  • Расстояние до 8 метров уже потребует разрешение 540-600 твл.
  • Свыше 8 метров необходимая разрешающая способность от 600 твл.

При выборе следует учесть размер матрицы камеры, для которой приобретается объектив. Уровень освещённости имеет немаловажное значение для выбора. При постоянной освещённости можно взять модель с фиксированной диафрагмой, как самую недорогую. В случае небольших изменений светового потока уместно использование ручного управления диафрагмой.

Если известно, что камера требуется для ночных съёмок, при естественном, постоянно меняющемся свете лучше взять объектив с автоматической регулировкой. От яркости освещения выбирают светосилу. В этом случае всё зависит от величины отверстия зума, которое влияют на диапазон светового потока. Показатель F/2,8 означает, что световой поток будет в 2 раза больше, чем при показателе F/4. Каждое увеличение числа F, это уменьшение в 2 раза силы светопотока.

Для портретных изображений выбирают зумы с высокой светосилой, как и для видов съёмок, требующих короткой выдержки, например, спортивных состязаний. Зумы всегда имеют меньшую светосилу, чем объективы с фиксированной фокусной длиной, и делятся на постоянную и переменную светосилу. А также смотрят на тип крепления, необходимо, чтобы они совпадали между камерой и объективом. Профессионалы советуют оставлять предпочтение за современными моделями, поскольку за последние 3 года случились заметные изменения в лучшую сторону в оптических технологиях. Большинство профи отмечают серьёзные недостатки в суперзумах:

  • несовпадения заявленных фокусных расстояний с «рабочими»;
  • искажения геометрических линий и аберрации;
  • предельно невысокая светосила при длинном конце.

Для туризма считается оптимальным вариантом 5-8-кратный зум. Для портретной съёмки — светосильный объектив с постоянным фокусным расстоянием, для пейзажа — широкоугольный. И напоследок, из области научно-популярной фантастики: некоторые специалисты считают, что в будущем фотокамеры будут не зеркальными, а с прозрачной матрицей. Корпус из материалов, несущих функции памяти и электронных плат, заменит карты памяти и пр.

О разрешающей способности объектива смотрите в следующем видео.

Разрешающая сила объектива — это… Что такое Разрешающая сила объектива?

Разреша́ющая си́ла объекти́ва — характеристики фотографического объектива, отображающие его свойства по передаче чёткого изображения.

Разрешающая способность объектива оценивается по количеству воспроизводимых штрихов на 1 мм изображения, которое тот способен спроецировать на фоточувствительный элемент (плёнку или матрицу цифровой камеры). Само собой разумеется, что при этом снимаемый объект находится в фокусе, а не в зоне резкого изображения для данного объектива. Измерения разрешающей способности проводят с помощью специальных мир.

Неоднородности разрешающей силы

Разрешающая сила объективов неоднородна по полю изображения, обычно уменьшаясь к краям изображения. Это обусловлено наличием у объектива внеосевых аберраций (кома, астигматизм), которые не наблюдаются в центре поля.

Разрешающая сила у объективов одинаковой конструкции уменьшается с увеличением главного фокусного расстояния: у короткофокусных (широкоугольных) она выше, чем у длиннофокусных.

Для каждого объектива существует относительное отверстие (диафрагма), при котором его разрешающая сила максимальна. Это обусловлено тем, что сначала при диафрагмировании происходит улучшение изображения за счет уменьшения аберраций, а потом ухудшение за счёт дифракции.

Для определения оптимальной по разрешающей силе диафрагмы для конкретного объектива следует обратиться к результатам тестов. В целом, с ростом максимальной разрешающей способности ее максимум смещается в сторону более открытой диафрагмы.

Фотографические объективы служат для получения изображения на фотоматериале или цифровой матрице, которые также обладают определённой разрешающей способностью. Поэтому для полного использования разрешающей силы объектива следует использовать его с соответствующими фотоматериалами или матрицами, разрешающая способность которых равна или выше разрешающей способности объектива, так как разрешающая способность системы объектив + светочувствительный элемент заведомо не выше разрешения каждого компонента.

Методы определения

Для определения разрешающей силы объектива используют различного вида ми́ры — испытательные таблицы с нанесёнными на них штрихами различной ширины и длины.

Разрешающая сила объектива по ГОСТ в СССР измерялась в линиях на 1 мм, она всегда больше в центральной части изображения и меньше на его краях. Современные данные могут оперировать иным способом оценки числа линий, когда учитываются как чёрные, так и белые линии. Разрешение при этом численно удваивается, не меняясь по сути.

Разрешающая способность системы объектив + светочувствительный элемент приближенно определяется по формуле:

,

где – разрешающая сила объектива в линиях на 1 мм; — разрешающая сила светочувствительного элемента в линиях на 1 мм. Данная формула непригодна для матричных фотоприемников в связи с их дискретным характером.

Литература

  • Яштод-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. 4-е изд., сокр. — М.: «Искусство», 1977.

Ссылки

Лабораторный тест с Петром Мудреновым: кинообъективы Fujinon MK

Отсутствие «дыхания», сохранение фокусировки при зуммировании, ручное управление и высокое качество изображения — оператор Петр Мудренов изучил характеристики недорогих объективов Fujinon и сравнил их с профессиональной кинооптикой

 

Преподаватель кинооператорского факультета ВГИК, Петр Мудренов, изучил возможности объективов Fujinon MK 18-55mm и MK 50-135mm в лабораторных условиях, протестировав их на оптической скамье.

 

От автора Петра Мудренова: У фотографов сложилось негативное отношение к качеству изображения бюджетных зумов. Чтобы получить фотографии с высокой резкостью, они чаще выбирают объективы с фиксированным фокусным расстоянием. Действительно, при производстве дискретного объектива все усилия разработчиков направлены на максимальное устранение аберраций, тогда как в оптике с переменным фокусным расстоянием используются дополнительные блоки линз, обеспечивающие трансфокацию и вносящие дополнительные искажения в изображение.

 

 

В видеосъемке к объективам с переменным фокусным расстоянием возникает дополнительный ряд требований, которым фотооптика не отвечает. К ним, в первую очередь, относится сохранение дистанции фокусировки при трансфокации. Ведь фотограф настраивает резкость после того, как построил композицию кадра и выбрал нужное положение зума. На такой алгоритм работы и ориентированы фотообъективы. В результате во время видеосъемки при переводе фокуса уходит резкость.

Еще одно важное условие — ручная фокусировка с длинным пробегом фокусировочного кольца, что позволяет намного точнее контролировать резкость. Также обязательно наличие зубчатых колец для дистанционной регулировки фокуса и зума.

 

 

Объективы Fujinon MK18-55 T2.9 и Fujinon MK50-135 T2.9 обладают всеми этими особенностями. К достоинствам можно также отнести их одинаковый вес и геометрию: диаметр передней линзы и резьбы под светофильтр, идентичное расположение колец регулировки диафрагмы, фокуса и зума. Благодаря этому, при смене объектива не приходится заново балансировать камеру на штативе и перенастраивать компендиум и фоллоуфокус. Кольцо фокусировки можно вращать на 200 градусов, что позволяет переводить фокус вручную за один поворот кисти и обеспечивает необходимую точность при использовании фоллоуфокуса.

В сети много красивых роликов, снятых этими объективами. Поэтому в этом обзоре мы решили сосредоточится на лабораторном тестировании оптики.

 

 

В лаборатории оптики операторского факультета ВГИК мы провели тест разрешающей способности объективов на оптической скамье.

Оптическое разрешение, измеренное по мире через микроскоп, приятно удивило. На открытой диафрагме присутствует остаточная сферическая аберрация, но уже с диафрагмы 4 разрешение очень высокое. При дальнейшем закрытии диафрагмы разрешающая способность оптики снижается за счет влияния дифракции. На «длинном» конце зума разрешение традиционно ниже, чем на широком угле. У объектива Fujinon MK18-55 T2.9 измеренная разрешающая способность при фокусном расстоянии 18 миллиметров и диафрагмах 4-5,6 даже превысила теоретически возможный дифракционный предел. Это вызвано тем, что в расчетах используется геометрическое значение диафрагмы, а шкала диафрагм указывает эффективную светосилу. Так, например, значение диафрагмы T2.9, определяющее светосилу у данного объектива, соответствует геометрическому значению диафрагмы F2.75.

 

 

Измерения на оптической скамье дифракционной картины точки показали практически идеальную соосность линз объективов и качество сборки компонентов. В целом увиденная картина характерна скорее для качественных дискретных объективов, нежели для трансфокаторов. По резкости изображения тестируемые объективы не должны уступать качественной дискретной кинооптике уровня Zeiss Ultra Prime и вполне могут заменить ее на съемках.

 

 

В практической съемке на конечное разрешение изображения, кроме оптических характеристик объективов, оказывают влияние и другие факторы, связанные с камерой и обработкой изображения. Например, наличие и тип OLPF-фильтра, который в некоторых камерах может быть сменным. Нативное разрешение сенсора и тип применяемого на нем фильтра Байера. Так, в некоторых камерах Sony используется диагональная структура фильтра Байера. Также разрешение будет зависеть и от постобработки: алгоритмов дебайеринга, изменения контрастности изображения и разрешения при проекции.

В нашем тесте объективов Fujinon использовалась камера Sony PXW-FS7M2 с разрешением сенсора 4К. Съемка проводилась в гамме SLog3 в кодеке XAVC-I при максимальном разрешении. При обработке в DaVinci Resolve использовался 3DLut — Rec709. Оценка съемки тестового стенда с радиальными мирами выявила незначительную разницу разрешающей способности на разных диафрагмах.

 

 

Фотографическое разрешение в центре кадра составило около 88% на диафрагмах 2.8 и 16, и 90% на средних значениях. Это значит, что на изображении можно различить 1940 линий по вертикали кадра. Хоть оптическое разрешение объектива заметно меняется на разных значениях диафрагмы, итоговое разрешение изображения при съемке в 4К будет одинаково высоким. Разрешающая способность по краю кадра составила 75%. Это говорит о том, что объективы обладают равномерной резкостью по всему полю кадра. Чаще всего таким оптическим рисунком обладают фотографические или телевизионные объективы, в отличие от некоторых кинообъективов, у которых бывает заметное снижение резкости к краям кадра. Оценивая изображение по краям кадра, мы не заметили присутствия хроматической аберрации даже на широком угле у объектива Fujinon MK18-55 T2.9.

 

 

Объективы Fujinon MK18-55 T2.9 и Fujinon MK50-135 T2.9 в варианте байонета «Е» имеют кольцо настройки рабочего отрезка. Это позволяет на любой камере при трансфокации сохранять точность фокусировки (у объективов, сделанных под байонет камеры Fujinon, такого кольца нет и рабочий отрезок отъюстирован при производстве). Несложная юстировка рабочего отрезка занимает пару минут. После этого кольцо регулировки фиксируется зажимным винтом, и, как показали наши тесты, точность фокусировки при зуммировании объективов остается идеальная.

 

Тест на сохранение дистанции фокусировки

 

При сравнении кадров, снятых на крайних значениях фокусных расстояний, можно заметить незначительную дисторсию. Объектив Fujinon MK18-55 T2.9 на фокусном расстоянии 18 мм имеет небольшую «бочку», а на 55 мм — «подушку». В сюжетных кадрах дисторсия практически незаметна и при желании легко корректируется в программе DaVinci Resolve. У длиннофокусного объектива Fujinon MK50-135 T2.9 дисторсия проявляется значительно слабее.

 

 

Отсутствие дыхания при переводе фокуса — наиболее важная характеристика объектива, предназначенного для видеосъемки. У объективов Fujinon MK18-55 T2.9 и Fujinon MK50-135 T2.9 дыхание настолько незначительно, что можно считать, что оно полностью отсутствует.

 

Тест на «дыхание» при переводе фокуса

 

Перед тестом мне попал в руки рекламный проспект оптики Fujinon MK: «высочайшие оптические характеристики», «легендарное качество», «премиум-класс» — все эти эпитеты воспринимались как рекламный текст и вызывали естественное чувство недоверия. Хотя оптика Fujinon часто используется в кинематографе (на объективы старшей серии HK, ZK и XK снимались такие фильмы, как «Обливион» и «Марсианин»), захотелось проверить, на что способна бюджетная линейка оптики MK, именно в лаборатории. В результате теста объективы оставили приятное впечатление — по обозначенным параметрам они дают безупречное изображение, сравнимое не только с более дорогими зумами, но и с дискретной кинооптикой.

 

 

Максимальная резкость обеспечивается на всем диапазоне диафрагм в разрешении 4К. Качественная сборка и соосность линз не создает смещения центра изображения при зуммировании и фокусировке. Отсутствие «дыхания» позволяет сохранять композицию кадра во время перевода фокуса. Девятилепестковая диафрагма создает приятный рисунок расфокуса. Длинный ход кольца фокусировки и общая продуманность конструкции делает эти объективы очень удобными для видеосъемки. Высокие оптические характеристики создают несколько «стерильное», лишенное индивидуальности изображение. Но при съемке на диафрагмах больше 4 все объективы рисуют практически одинаково и на экране довольно сложно бывает отличить один объектив от другого. В этом случае всего два объектива Fujinon могут заметить целую линейку дискретной оптики и существенно упростить работу оператора. Если оператору хочется придать изображению задуманную оптическую стилистику, то придется использовать светосильные дискретные объективы.

Главным недостатком объективов Fujinon MK18-55 T2.9 и Fujinon MK50-135 T2.9 я считаю отсутствие варианта с популярным байонетом «EF», что сильно снижает возможности использования этой оптики.

 

Следующая страница: Fujinon MK 18-55mm и MK 50-135mm: снимаем концерт Манижи в «Известия Hall»

 

 


Источник: tvkinoradio.ru

Методика тестирования фотокамер iXBT.com 2019 года

Разрешающая способность

Разрешающая способность камеры — понятие комплексное, складывающееся из нескольких параметров и условий. В наших статьях можно выделить три типа разрешающей способности:

  • сенсора в RAW (считается, что ее значение может занижать только разрешение оптики),
  • сенсора в JPG (ее могут занижать разрешение оптики и внутрикамерные алгоритмы шумоподавления),
  • оптики (ее может занижать разрешение сенсора, такой вот замкнутый круг).
Разрешающая способность. Расчет

Определение разрешающей способности в нашей лаборатории производится по радиальной мире, закрепленной на стенде.

Лабораторный стенд. Fujifilm X-T30. ISO 200

Для расчета разрешающей способности на снимке миры определяется размер дефектной области в центре, где лучи миры уже неразличимы. Как правило, она имеет достаточно четкую границу, в противном случае выбирается среднее значение. Линейным параметром дефектной области в данном случае является ее диаметр (D) в сантиметрах. Далее высчитывается разрешение (R) по следующей формуле:

R = 120·L/(π·D·P),

где
L — длина снимка, см
D — диаметр дефектной области, см
P — число точек по длинной стороне снимка
120 — число лучей миры, линии
π — число пи, ≈3,14

В упрощенном варианте, позволяющем не учитывать разрешение печатного снимка, формула выглядит следующим образом:

R = 120/(π·Dp),

где
Dp — диаметр дефектной области, пиксели
120 — число лучей миры, линии
π — число пи, ≈3,14

Радиальная мира и ее дефектная область
Разрешающая способность. Сенсор

При испытаниях разных камер параметры экспозиции должны быть одинаковыми, чтобы полученные данные можно было сравнивать.

Для определения зависимости разрешающей способности от светочувствительности камера устанавливается в режим приоритета диафрагмы, диафрагма фиксируется в среднем положении f/5,6—f/8 в зависимости от размера сенсора для исключения влияния ГРИП. Фокусное расстояние по возможности устанавливается в эквиваленте 50 мм, но при тестировании сенсора это не принципиально, поскольку для расчетов используется только центральная часть стенда.

Разрешающая способность определяется для двух сцен — светлой и темной. Светлая сцена имитирует обычные условия съемки с освещенностью около 3000 люкс. Она позволяет оценить поведение сенсора при съемке в помещении или на улице в пасмурный день. Темная сцена имитирует недостаточную освещенность около 100 люкс и необходима для оценки поведения сенсора при работе на длинных выдержках, поскольку в таких условиях проявляется эффект накопления шумов.

Компенсация экспозиции устанавливается:

  • для темной сцены: −1 EV
  • для светлой сцены: 0 EV

Поскольку освещенность в лаборатории не всегда можно выставить точно, да и светопропускание у разных камер разное, уровень яркости ламп регулируется по реперным точкам:

  • для темной сцены при ISO 6400 выдержка 1/40 с
  • для светлой при ISO 6400 выдержка 1/400 c

Фокус устанавливается вручную по радиальной мире. Затем делается несколько кадров при разных значениях светочувствительности — как правило, ISO 200, 400, 800, 1600, 3200 и 6400. Вручную меняется только значение светочувствительности — по возможности дистанционно во избежание «шевеленки» (по той же причине следует производить спуск дистанционно или с отложенным стартом). Выдержка подстраивается автоматически. Остальные параметры остаются без изменений.

После расчета данные приводятся на графике в виде зависимости разрешающей способности от светочувствительности.

Зависимость разрешающей способности сенсора от светочувствительности

Для камер не самого низкого класса также исследуется расширенный диапазон светочувствительности. К сожалению, пока большинство камер на повышенных ISO демонстрируют посредственные результаты, расширенный диапазон исследуется редко. Но максимальное рабочее значение ISO зависит от поставленных задач, поэтому иногда дополнительно приводятся расширенные кривые разрешающей способности.

Зависимость разрешающей способности сенсора от светочувствительности, расширенный диапазон

Для оценки величины шумов и деградации цветов с повышением светочувствительности приводятся фрагменты серой карты.

Разрешающая способность. Оптика

При определении зависимости разрешающей способности от диафрагменного числа камера устанавливается в режим приоритета диафрагмы. Светочувствительность устанавливается на минимум (ISO 100-200). Фокус камеры устанавливается вручную по радиальной мире при максимальном раскрытии диафрагмы. Далее производится серия снимков, диафрагма меняется вручную, по возможности дистанционно. Выдержка подстраивается автоматически. Остальные параметры остаются без изменений.

После расчета данные приводятся на графике в виде зависимости разрешающей способности от диафрагменного числа.

Зависимость разрешающей способности объектива от диафрагменного числа

 

Камеры, не имеющие полноценного ручного режима и возможности съемки в RAW, тестируются по упрощенной методике, как и камеры смартфонов.

Стабилизатор

Для оценки эффективности стабилизатора используется так называемая «таблица офтальмолога». При съемке камера устанавливается в ручной режим. Рекомендуемое фокусное расстояние для теста — 50 мм, но допускается иное, только нужно учесть это при расчете эффективности. Диафрагма фиксируется в среднем положении f/5,6—f/8 в зависимости от размера сенсора для исключения влияния ГРИП. Выдержка изменяется вручную примерно от 1/20 до 1 с. Фотограф встает на расстоянии примерно 5 метров от таблицы и делает по десять снимков на каждом значении выдержки, держа камеру на полусогнутых руках, как при обычной съемке.

Лабораторный стенд «таблица офтальмолога» для тестирования автофокуса и стабилизатора. Читаемость строк: 10 из 10

Затем снимки обрабатываются фотографом по принципу «сколько строк читаемо на снимке, столько и баллов — от 0 до 10». Баллы суммируются для каждого значения выдержки, таким образом мы получаем вероятность хорошего снимка в процентах. Считается, что если камера способна выдать более 70% четких снимков при данной выдержке, это значение можно считать рабочим.

Эффективность стабилизатора определяется на основе следующего принципа: для получения резкого снимка на некоем ЭФР максимальная выдержка должна быть не длиннее 1/ЭФР. То есть на 50 мм для получения резкого снимка мы устанавливаем наибольшую выдержку 1/50 с, а при более длинных уже работает стабилизатор. В данном случае мы оперируем не 100%-ной гарантией резкости, а вероятностью получения резкого снимка в 70%, поскольку 100% резких снимков получить сложно и это было бы слишком жестким условием для проверки стабилизатора, оторванным от реальности. То есть считается, что при съемке на выдержке равной 1/ЭФР мы получаем резкий снимок в 7 случаях из 10 без стабилизатора. Стабилизатор же позволяет нам отодвинуть критическое значение выдержки на несколько ступеней экспозиции.

Правило «1/ЭФР» — условное и приблизительное, и в зависимости от условий съемки, оптики или камеры нулевая отметка может гулять. Используя это правило, мы определяем ее с точностью ±1 ступень экспозиции, поэтому наши данные могут немного не совпадать с данными, полученными по стандарту CIPA DC-X011. Точность определения эффективности стабилизатора можно повысить, если делать замеры со стабилизатором и без, а затем считать разницу. Это позволит приблизиться к стандартизированным измерениям, но результат все равно будет от них отличаться (как минимум из-за различия самих методик), а трудоемкость увеличится вдвое. Выявленное на практике неплохое совпадение измеренной эффективности большинства стабилизаторов с заявленными производителем данными говорит о том, что и в таком виде наша методика работает с неплохой точностью.

На графике ниже приведен условный пример объектива с фокусным расстоянием 50 мм и стабилизатором с эффективностью в 4 ступени экспозиции. При съемке без стабилизатора мы можем получить резкий снимок с вероятностью 70% на выдержке 1/50 секунды. Увеличивая выдержку, мы уменьшаем вероятность резкого снимка. При включении стабилизатора мы отодвигаем эту критическую точку на 4 ступени и, таким образом, можем получить резкий снимок с вероятностью 70% на выдержке 1/3 секунды.

В таблице ниже приведены примеры расчета эффективности стабилизатора в ступенях экспозиции для некоторых популярных ЭФР.

Выдержка, 1/с ЭФР, мм
  400 105 85 50 35 24
400            
320          
250          
160 1          
125 1⅓          
100 1⅔          
80 2        
60 2⅓      
50 2⅔ 1      
40 3 1⅓ 1    
30 3⅓ 1⅔ 1⅓  
25 3⅔ 2 1⅔ 1  
20 4 2⅓ 2 1⅓ 1
15 4⅓ 2⅔ 2⅓ 1⅔ 1⅓
13 4⅔ 3 2⅔ 2 1⅔ 1
10 5 3⅓ 3 2⅓ 2 1⅓
8 5⅓ 3⅔ 3⅓ 2⅔ 2⅓ 1⅔
6 5⅔ 4 3⅔ 3 2⅔ 2
5 6 4⅓ 4 3⅓ 3 2⅓
4 6⅓ 4⅔ 4⅓ 3⅔ 3⅓ 2⅔
3 6⅔ 5 4⅔ 4 3⅔ 3
2,5 7 5⅓ 5 4⅓ 4 3⅓
2 7⅓ 5⅔ 5⅓ 4⅔ 4⅓ 3⅔
1,6 7⅔ 6 5⅔ 5 4⅔ 4
1,3 8 6⅓ 6 5⅓ 5 4⅓
1 8⅓ 6⅔ 6⅓ 5⅔ 5⅓ 4⅔

К примеру, если для фикса 85 мм на выдержке 1/3 с (она же 0,3 с) мы получаем 7 из 10 хороших снимков, а на выдержке 1/2,5 с (она же 0,4 с) — уже только 6 из 10, то эффективность стабилизатора берется по выдержке 1/3 с и составляет 4⅔ EV.

После расчета данные приводятся на графике в виде зависимости вероятности получения хорошего снимка от продолжительности экспозиции.

График эффективности стабилизатора объектива

Автофокус

Для оценки скорости и точности автофокуса используется та же «таблица офтальмолога». При съемке камера переводится в режим приоритета диафрагмы. Диафрагма устанавливается в положение максимального раскрытия, чтобы избежать влияния ГРИП. Рекомендуемое фокусное расстояние для теста — 50 мм, но допускается иное. Выдержка устанавливается не ниже 1/100 с, чтобы исключить влияние «шевеленки». ISO выставляется в автомат. Фотограф встает на расстоянии примерно 10-15 метров от таблицы и делает тридцать снимков, после каждой тройки приближаясь к мишени на шаг. Каждый снимок выполняется только после того, как камера сфокусировалась и подтвердила это соответствующим сигналом. Все это озвучивается и записывается на диктофон, чтобы потом оценить время, затраченное на тридцать снимков. Тест прогоняется два раза при −1 EV и −2 EV. При расчетах результаты усредняются.

Время съемки оценивается по звуковой дорожке в любом аудиоредакторе.

Звуковая дорожка тридцати щелчков затвора при тестировании автофокуса

Снимки оцениваются так же, как и в тесте стабилизатора, то есть по принципу «сколько строк читаемо на снимке, столько и баллов — от 0 до 10». Баллы суммируются и делятся на 30 — таким образом мы получаем среднюю точность автофокуса по шкале от 1 до 10 (или в процентах, если результат умножить на 10). Рейтинг средней скорости автофокуса получается делением 100 на время, затраченное на все 30 снимков — от первого подтверждения автофокуса до последнего щелчка затвора.

После расчета данные приводятся на графике в виде гистограммы для сравнения с другими камерами.

Гистограмма сравнения скорости и точности автофокуса разных камер

Скорость серийной съемки

Для определения скорости серийной съемки, как правило, используется карта памяти SD UHS-I 95 МБ/с, если специально для тестирования камеры не предоставляется более скоростная. В большинстве случаев хватает имеющейся. Желательно, чтобы карта памяти была свободна хотя бы наполовину.

Камера ставится на стол рядом со включенным диктофоном. Съемка продолжается 20-30 секунд или до первой сотни кадров. Порой можно уложиться и в меньшее время, если буфер забьется быстрее. Поскольку камера сохраняет кадры сначала в свой буфер и только оттуда на карту памяти, при заполнении буфера скорость съемки падает, если карта памяти не успевает принимать нужный объем. Такое практически всегда происходит при высокоскоростной съемке в RAW.

Звуковая дорожка при тестировании скорости серийной съемки в RAW

Скорость съемки характеризуют две величины: первая скорость — та, с которой съемка начинается и продолжается до заполнения буфера (обычно ее указывают в технических характеристиках камеры), и вторая скорость — та, с которой съемка продолжается после заполнения буфера. Также при описании указывается длительность работы на максимальной (первой) скорости, которое позволяет рассчитать максимальное количество кадров, отснятое с этой скоростью.

После расчета данные приводятся в таблице и сравниваются с паспортными.

Режим Первая скорость Предел первой скорости Вторая скорость
JPEG Low 3,0 к/с
JPEG High 8,0 к/с 16,8 с 4,8 к/с
RAW Low 3,0 к/с
RAW High 8,1 к/с 6,9 с 1,9 к/с

В таблице приведены значения средней скорости съемки для разных режимов. Символ бесконечности означает, что при съемке ста кадров скорость не изменилась.

Для тестирования скорострельности в бесшумном режиме с использованием электронного затвора применяется более простая, но менее точная методика. Поскольку звук при такой съемке отсутствует, время оценивается по секундомеру: кнопка спуска камеры зажимается на 5-10 секунд, а затем считается количество снимков, сделанных за это время.

Тестирование мегапиксельных объективов

С появлением сетевых мегапиксельных телекамер вопрос о качестве используемой оптики в CCTV стоит более остро, чем прежде. В первую очередь это обусловлено тем, что для эффективного ис­пользования разрешающей способности фотоприемника необходимо обеспечить более высокую разрешающую способность объектива. Более того, объектив является первым звеном в сложной цепи элементов, формирующих систему видеонаблюдения, которые влияют на точность воспроиз­ведения мелких деталей. А когда заходит речь о системах автоматического распознавания (в качес­тве популярного примера можно привести системы автоматического распознавания автомобильных номеров), то здесь требования к качеству объективов еще более возрастают. В этот тест мы включи­ли мегапиксельные объективы Fujinon HF25HA-1B, Computar M2514-MP и Pentax C2514-M.

Практически все крупные производители оптики для CCTV/FA сегодня предлагают так называемые мега­пиксельные объективы. В этой статье мы публикуем тестирование трех мегапиксельных объективов таких извест­ных марок, как Fujinon, Computar и Pentax.

Наиболее удобно сравнивать разрешающую способность объективов можно по виду частотно-контрастной характе­ристики (ЧКХ). Кроме реальной разрешающей способности выбранных объективов, нас интересовали и такие параметры, как коэффициенты пропускания и светорассеяния, неперпен­дикулярность оптической оси посадочному торцу, а также реальные значения относительного отверстия диафрагмы. Если, например, относительное отверстие диафрагмы — весь­ма спекулятивный параметр объектива, то коэффициенты пропускания и светорассеяния, неперпендикулярность оп­тической оси посадочному торцу интересовали нас в первую очередь по следующей причине. Эту информацию никогда не приводят сами производители и поставщики в технических характеристиках, хотя для оценки качества оптики она крайне важна. Таким образом, на первых порах необходимо хотя бы просто ознакомиться с порядком этих величин, чтобы знать, чего можно ожидать от большинства объективов высшего це­нового диапазона.

Прежде чем, мы опишем методику измерений вышепере­численных характеристик, освежим в памяти некоторые поня­тия из раздела оптики.

Основными параметрами объективов являются фокусное расстояние, относительное отверстие, разрешающая способ­ность, коэффициент светопропускания и светорассеяния, па­дение освещенности от центра к краям.

Фокусное расстояние объектива в первую очередь оп­ределяет масштаб изображения, а в сочетании с размером матрицы фотоприемника определяет размер изображае­мого пространства, т.е. угол поля зрения. Чем больше фо­кусное расстояние объектива, тем крупнее изображение и тем меньше угол поля зрения. Соответственно, чем больше размер матрицы фотоприемника, тем больше угол поля зре­ния. И наоборот, чем меньше размер матрицы, тем меньше угол поля зрения. Формулы, описывающие эти зависимости, весьма часто встречаются на последних страницах каталогов по объективам, поэтому мы их приводить не будем. Одна­ко при использовании длиннофокусных объективов следует помнить о том, что глубина резко изображаемого пространс­тва уменьшается прямо пропорционально квадрату фокус­ного расстояния.

Классификация объективов на короткофокусные, нор­мальные и длиннофокусные условна. Обычно нормальными объективами называются те, у которых фокусное расстояние примерно равно диагонали матрицы фотоприемника, что обеспечивает угол поля зрения 35-50°.

Относительное отверстие представляет собой отношение диаметра входного зрачка объектива к его фокусному рас­стоянию. Диаметр входного зрачка объектива определяет ко­личество света, проходящего через объектив, которое можно ограничить с помощью апертурной диафрагмы. Апертурная диафрагма не ограничивает угол поля зрения. Величина поля зрения определяется границами изображения, удовлетвори­тельного по качеству. Это ограничение осуществляется поле­вой диафрагмой. Значение относительного отверстия влияет на глубину резко изображаемого пространства. При уменьше­нии относительного отверстия глубина резкости возрастает.

Разрешающая способность объектива зависит от его конс­трукции, фокусного расстояния, относительного отверстия, совершенства устранения аберраций при расчете и погреш­ностей изготовления. Для оценки разрешающей способности объектива используются такие величины, как угловое разре­шение, а также либо число линий на миллиметр, либо число пар линий на миллиметр. Для нашего теста наиболее удобным является использование числа линий на миллиметр, так как в этом случае эту величину проще всего связать с размером ячейки матрицы фотоприемника. Таким образом, если мы говорим, что размеры ячейки фоточувствительной матрицы составляют 8×8 мкм, то необходимым разрешением объекти­ва для такой матрицы будет 125 линий на миллиметр. Между разрешающей способностью в центре поля и по полю должно быть определенное соответствие. Считается, что качественный объектив должен иметь снижение разрешающей способности по полю не более чем в два раза по отношению к центру. В противном случае размытость изображения по краям будет бросаться в глаза и создавать плохое впечатление.

Здесь следует сделать одно важное отступление. С прихо­дом в CCTV термина «мегапиксельный» появилась некоторая неразбериха с определением разрешения объектива. Когда говорят о количестве линий на миллиметр, то здесь никаких разночтений не возникает, но когда говорят о разрешении в мегапикселах, то не всегда указывают, на какой оптический формат рассчитан объектив. Точнее сказать, отдельно указыва­ется разрешение, а отдельно — формат, зато углы поля зрения приводят с точностью до угловых минут. Это нельзя не назвать коммерческим трюком. Например, указывается, что объектив формата 2/3″ может использоваться с 2-мегапиксельной мат­рицей, но формат самой матрицы не указывается.

Наиболее часто встречающиеся мегапиксельные матри­цы имеют размер 1/2″ (6.4×4.8 мм). Приведем теперь простой расчет. Допустим, для объектива формата 2/3″ производитель указывает разрешение 2 мегапиксела (при соотношении сторон 4:3 это соответствует 1633×1225 пикселов, т.е. ближайший рас­пространенный формат кадра 1600×1200 пикселов). Для раз­меров матрицы 2/3″ (8.8×6.6 мм) это следует понимать как 186 линий на миллиметр. Если исходить из данного разрешения и перенести его на матрицу формата 1/2″ (6.4×4.8 мм), то сум­марное количество пикселов с размером 5.4 мкм (1 мм / 186 = 0.0054 мм) окажется равным 1.062.000 (1190×892), т.е. вмес­то двух мегапикселов получается только один. Это справедли­во для соотношения сторон 4:3, соответственно если соотно­шение сторон 16:9, то требования к разрешающей способности объектива повышаются. Допустим, мы имеем дело с двухме-гапиксельной матрицей формата 1/2″, т. е. диагональ фото­приемника составляет 8 мм. В таком случае для соотношения сторон 4:3 формат кадра будет 1600×1200, а требуемое число


линии на миллиметр составит 255. Для соотношения сторон 16:9 формат кадра будет примерно равен 1900×1100, тогда не­обходимое число линий на миллиметр возрастет до 270. Раз­ница, хотя и небольшая, но все равно будет заметна.

Остановимся теперь на некоторых причинах снижения разрешающей способности. В первую очередь всегда гово­рят об аберрациях. Аберрациями называются погрешности изображения в оптической системе, связанные с отклонени­ем хода лучей в сравнении с идеальной системой или в срав­нении с ходом лучей в параксиальной области. Аберрации могут быть как осевые, так и внеосевые (полевые). К первым относят продольную и поперечную сферическую и хромати­ческую аберрации; они появляются уже для точки предмета на оптической оси. Ко вторым — кому, отклонение от условия синусов, астигматизм, кривизну изображения, дисторсию, хроматическую аберрацию увеличения и широкого наклонно­го пучка лучей; они проявляются только для точек предмета вне оси. Хотя стоит заметить, что при наличии децентрировки объектива, аберрация типа кома может наблюдаться и на оси. Сферические аберрации, кома, астигматизм, кривизна поля изображения и дисторсия называются монохроматически­ми, так как в реальных системах возникают для лучей любо­го цвета. Аберрации продольная хроматическая, хроматизм увеличения, хроматическая широкого наклонного пучка лучей и хроматические разности монохроматических аберраций называются хроматическими. Задачами расчета оптических систем является наилучшее устранение аберраций и обеспе­чение минимального отклонения прошедшего систему пучка лучей от гомоцентрического, при котором обеспечивается на­иболее резкое и высокого качества изображение. Допустимая величина аберраций определяется исходя из размеров ячейки матрицы фотоприемника.

Влияние аберраций можно минимизировать ограничени­ем светового потока с помощью диафрагмы. Однако умень­шение относительного отверстия снижает дифракционный предел разрешающей способности объектива. Это означает, что максимальная разрешающая способность уменьшается пропорционально уменьшению относительного отверстия.

Возвращаясь к разрешающей способности, следует доба­вить, что она определяется в двух сечениях: меридиональном и сагиттальном. Меридиональное сечение — это то сечение, в котором задаются полевые углы, а сагиттальное сечение I перпендикулярно меридиональному. Для визуального представления приведем следующее изображение. На поле испы­тательной таблицы (см. выше) расположены концентрические кольца переменной толщины.

Справа приведено увеличенное изображение левой верхней группы концентрических колец. Линия Тm проходит через центр таблицы (центр изображения) и представляет собой меридиональное сечение, а перпендикулярная ей линия Ts является сагиттальным сечением. Из-за астигматизма наилучшей фокусировке вдоль линий Ts и Тm соответствуют разные положения плоскости изображения вдоль оси. Расстояние между ними является астигматической разностью. Астигматизм является причиной возникновения кривизны поля изображения, которая больше всего проявляется у короткофокусных объективов.

Анализ разрешающей способности может осуществляться как по штриховым мирам, так и по функции распределения освещенности в изображении светящейся точки,  которая является первичной характеристикой качества оптического изображения. Функция рассеяния точки (ФРТ) и частотно-контрастная  характеристика   (ЧКХ)  тесно  связаны  между собой. А именно, ЧКХ является преобразованием функции Фурье рассеяния точки. ФРТ позволяет учитывать такие осо­бенности, как характер микрорельефа оптических поверх­ностей, дефекты оптических материалов, блики, отклонения пропускания на зрачке.

Коэффициенты светопропускания и светорассеяния харастеризуют две такие важные характеристики изображения, как яркость и контраст. Чем меньше коэффициент светопро­пускания, тем большая часть светового потока не доходит до матрицы фотоприемника. С учетом того, что вопрос о чувстви­тельности телекамер видеонаблюдения стоит остро, то этот параметр весьма важен. Рассеянная часть светового потока в объективе создает дополнительный фон и снижает контраст изображения. Для увеличения светопропускания на повер­хности линз наносятся слои просветления. От качества этих слоев, отделки внутренних поверхностей оправ, диафрагм, бленд зависит коэффициент светового рассеяния. Порядок этих величин примерно следующий. Фотообъективы, выпус­кавшиеся отечественной промышленностью 40 лет назад, имели коэффициент светопропускания более 75%, а коэффи­циент светорассеяния доводили до 0.5 — 1.5 %.

Падение освещенности от центра к краям поля изображения вызвано несколькими причинами. Во-первых, падение освещен­ности согласно закону геометрической оптики пропорционально четвертой степени косинуса половины угла поля зрения. Во-вто­рых, в светосильных и, как правило, неширокоугольных фото­объективах, а также телеобъективах основной причиной падения освещенности от центра к краю является виньетирование — среза­ние пучка лучей оправами первой и последней линз. Другой при­чиной падения освещенности является разница в пропускании объектива для осевого и наклонного пучков лучей, для полного и задиафрагмированного. Это связано с тем, что толщины линз неодинаковы для осевого и наклонного пучков лучей, к тому же наклонные пучки встречают поверхности линз не под одинаковы­ми углами и коэффициенты отражения как от просветленных, так и непросветленных поверхностей также различны.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧКХ

Измерительная установка включает в себя оптическую ска­мью и специальную телекамеру с микрообъективом. Пучок лучей освещает точечную диафрагму. Между исследуемым объективом и точечной диафрагмой расположен длиннофо­кусный коллиматор. Таким образом формируется изображе­ние светящейся точки в виде пятна рассеяния. Пятно рассеяния увеличивается в 20 раз с помощью специального микрообъек­тива высокого качества, и это увеличенное изображение про­ецируется на матрицу фотоприемника с высоким разрешени­ем. Сформированное изображение передается на ПК, где оно подвергается математической обработке. Сначала происходит построение функции рассеяния точки, а затем с помощью пре­образования Фурье определяется ЧКХ с учетом поправок на размер пиксела фотоприемной матрицы и размер диафраг­мы, формирующей светящуюся точку. При измерениях объек­тив фокусируется на бесконечность, и смещением объектива вдоль оптической скамьи добиваются наиболее четкого изоб­ражения светящейся точки. Обычно фокусировка изображе­ния устанавливается по центру, т.е. чтобы на оптической оси был максимальный коэффициент передачи контраста. Приве­денные ниже ЧКХ соответствуют именно такой фокусировке. Однако из-за наличия кривизны поля изображения для на­илучшей фокусировки по краям плоскость изображения сле­дует сместить немного в сторону объектива. В редких случаях удается подобной расфокусировкой поднять четкость изобра­жения по краям за счет незначительного спада ЧКХ на оси.

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ

В этой процедуре нет ничего сложного. Расчет коэффици­ента пропускания осуществляется с помощью узкого светового пучка по соотношению токов фотодетектора. При наличии и отсутствии объектива на траектории светового пучка, пада­ющего на фоточувствительную поверхность, измеряется ток фотодетектора. Их отношением и является коэффициент про­пускания объектива. Конечно же, диафрагма объектива при этом остается полностью открытой.

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СВЕТОВОГО РАССЕЯНИЯ

Коэффициент светового рассеяния измеряется в специаль­ном световом шаре большого диаметра. Конструкция свето­вого шара такова, что в объектив со всех сторон попадает свет одинаковой яркости, а в середине расположено абсолютно черное тело, которое представляет собой большую полость, выкрашенную специальной черной оптической краской. В слу­чае идеального объектива изображение черного тела должно быть абсолютно черным. В реальности, так как в объектив по­падают лучи извне поля зрения, а также из-за шероховатости поверхности, неточной шлифовки, локальных неоднороднос-тей и неравномерностей профиля, возникают дополнитель­ные рассеяния внутри объектива. В результате мы уже имеем не черное изображение, а серое. При определении этой вели­чины измеряется яркость изображения черного тела и яркость изображения светового шара с закрытой полостью. Их соот­ношение является коэффициентом светового рассеяния.

ИЗМЕРЕНИЕ НЕПЕРПЕНДИКУЛЯРНОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ

Неперпендикулярность оптической оси по отношению к по­садочному торцу оценивалась следующим образом. Объектив позиционируется так, что светящаяся точка лежит на его оси. Если неперпендикулярность оптической оси к посадочному торцу присутствует, то при вращении объектива изображение | точки будет описывать окружность. Зная фокусное расстояние объектива и размер ячейки фотоприемника, несложно рас­считать угол отклонения.

ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ОТВЕРСТИЯ

Один из наиболее спекулятивных параметров объекти­ва — относительное отверстие диафрагмы, точнее говоря его знаменатель. Когда мы указываем число F, то мы имеем в виду именно знаменатель относительного отверстия диа­фрагмы D/f, где D — это его числовая апертура, a f — фокус­ное расстояние, т.е. F1.4 означает, что D/f = 1/1.4. Для того чтобы измерить относительное отверстие диафрагмы следует определить его апертуру и фокусное расстояние. С помощью специального микроскопа с высокой точностью определяется диаметр входного зрачка объектива. Фокусное расстояние с высокой точностью определяется с помощью устройства, называемого фокометром. Соотношение этих двух величин дает относительное отверстие диафрагмы.

После того как мы вкратце описали процесс измерения интересующих нас параметров, нужно сделать еще несколь­ко уточнений. В частности, нужно сказать, хотя это и оче­видно, что все вышеописанные измерения проводятся при полностью открытой диафрагме. Забегая вперед, отметим, что в характеристиках объективов производители обычно (указывают разрешение телекамеры, с которой его предпо­лагается использовать.

Объектив Fujinon HF25HA-1B рассчитан на применение с телекамерой с разрешением 1.5 мегапиксела, а объективы jComputar M2514-MP и Pentax C2514-M предназначены для телекамер с разрешением 2 мегапиксела. В связи с этим нас интересует, насколько реальные характеристики объекти­вов соответствуют заявленному разрешению. Все выбран­ные объективы обладают одинаковым фокусным расстоя­нием 25 мм, относительным отверстием диафрагмы F1.4 и рассчитаны на использование с фотоприемниками формата 2/3″. Объективы исследовались в видимом диапазоне длин волн (400-700 нм).

Таким образом, с учетом формата 2/3″, объектив Fujinon HF25HA-1B рассчитан на пространственную частоту 161 линий на миллиметр, а объективы Computar M2514P-MP и Pentax С2514-М — на 186 линий на миллиметр. При формате матрицы фотоприемника 2/3″ горизонтальный угол поля зрения объектива с фокусным расстоянием 25 мм будет составлять 18°.

Для каждого объектива при полностью открытой диа­фрагме F1.4 и  при частично закрытой диафрагме F5.6 в произвольно  выбранном  меридиональном  сечении  были проведены измерения КПК на расчетной частоте по полю изображения с шагом 3°, т.е. были проведены измерения  КПК на угловых полях -9° (левый край), -6°, -3°, 0°, 3°, 6°, 9° (правый край). Это сделано для получения информации о распределении КПК по полю изображения. Конечно же, наиболее полную информацию о качестве объектива будут нести распределения КПК по полю изображения в несколь­ких (хотя бы в четырех) сечениях, однако этот процесс весьма трудоемкий, поэтому измерения были проведены только в одном (произвольно выбранном) сечении.

Более того, для каждого объектива мы приводим расфокусировочные характеристики, которые показывают зависи­мость КПК от смещения плоскости изображения на расчетной пространственной частоте на определенном угловом поле. Эти кривые, как будет видно далее, показывают можно ли получить компромисс между фокусировкой изображения по центру и по краям, т.е. выбрать такую плоскость, в которой одинаково чет­ко будут отображаться предметы в центре и на краю.

Теперь перейдем непосредственно к результатам измере­ний. Чтобы не запутать наших читателей в достаточно боль­шом объеме информации, мы решили разделить результаты тестирования каждого объектива, а уже в конце сопоставить выбранные объективы по каждому параметру.

Источник: ProSystem CCTV

Подобрать объектив для видеокамеры

качество объектива и разрешение матрицы

Что важнее: качественная фотокамера или объектив? Руководствуясь постулатом прошлых лет — «снимает не камера, снимает объектив» ответ был однозначным: при желании улучшить разрешающую силу системы «фотокамера + объектив» фотограф отдавал предпочтение качественному объективу. Так ли это сейчас, в эпоху цифровой фотографии? Фотокамера имеет несколько параметров качества: дисторсия, аберрация, дифракция, боке, пластичность рисунка. В статье рассматривается только один параметр – разрешающая сила, то есть способность передать в фотографии некоторое количество различимой информации. Передавать отчетливо, резко или чётко, как говорят некоторые.

Терминология

Фотоаппарат состоит из двух основных частей: фотокамеры (body) и объектива. То есть, в этой статье, фотоаппарат не то же самое, что и фотокамера. Изображения составных фотоаппарата я возьму в каталоге где найду исследуемые объективы и фотокамеры. Данные по разрешающей способности фотоаппаратов найдутся на сайтах www.photozone.de и www.dxomark.com.

Разрешающая сила: возможность различить две отдельные точки. Чем меньше расстояние между точками, и при этом они не сливаются в одно пятно, тем выше разрешение фотоаппарата. По-простому говоря, чем выше разрешение фотоаппарата, тем больше информации будет содержаться в фотоснимке, лучше различаются мелкие детали и выше резкость изображения. Разрешающая сила фотоаппарата складывается из разрешающей силы матрицы и разрешающей силы объектива.

Тест MTF50 самый распространенный тест для оценки качества изображения в фотографии. Разрешающая сила определяется фотографированием штриховой шкалы или миры. Штриховая мира это лист бумаги, на котором напечатаны чередующиеся тёмные и светлые полоски с изменяющейся частотой. Чем более тонкие штрихи способен передать фотоаппарат, тем выше его разрешающая способность. Оценивать качество изображения мы будем по количеству различимых полосок помещающихся в высоту кадра. Чем тоньше будут различимые полоски, тем больше таких полосок мы увидим, тем выше качество фотосистемы в целом. Чтобы не усложнять расчеты, я буду использовать лучшее значение разрешающей силы.

Исходные данные. Предположим, мы имеем слабую, всего 8 мегапикселов, фотокамеру Canon 350D и слабый объектив Canon EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 IS. Попробуем определить, какие вложения будут эффективны для улучшения такого фотоаппарата:

  • увеличить количество мегапикселов матрицы фотокамеры;
  • использовать более качественный оптику;
  • перейти на полнокадровую (фулфрейм) камеру.

Наращивание мегапикселов

Что произойдет с разрешением, если увеличить количество мегапикселов с 8,2 (у Canon 350D) до 15,5 (например, у Canon 500D)? Количество пикселей матрицы увеличится в 1,89 раза, вероятно, следует ожидать пропорциональный рост увеличения разрешающей способности фотоаппарата. На сайте PHOTOZONE.DE я вижу, что разрешение нашей системы увеличилось с 2164 линий (рис. 1) до 2440 (рис. 2) по высоте кадра, то есть в 1,13 раза по одной стороне матрицы, а по всей матрице: 1,132 = 1,28. Прирост 28%, против ожидаемых 89%, как же так?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, я поискал информацию о разрешающей способности объектива Canon 18-55. На сайте Dxomark.com было обнаружено, что его разрешающая сила соответствует 8 мегапикселов информации (строка Sharpness на рисунке 3). Сколько бы мы не наращивали мегапикселов в матрице, ограничителем резкости системы будет именно слабый объектив. Собственно, в фотоаппарате «Canon 350D + Canon 18-55» разрешение матрицы соответствует разрешающей силе оптики, такая система является сбалансированной.

Вывод: наращивание мегапикселов при объективе Canon 18-55 даст эффект, но не столь значительный, как ожидалось. Купив более качественный объектив, разрешающая сила фотоаппарата Canon 350D будет ограничиваться уже матрицей с небольшим числом мегапикселов. Подтверждением этому служит иллюстрация 1-4: с хорошим объективом Canon EF 50mm f/1.4 мы получим близкий с Canon 18-55 результат. Это же подтверждает и сайт g-foto.ru, показывая результат 2100 линий для системы «Canon 350D + Canon EF 50mm f/1.4». Улучшение данной системы практически невозможно.

Улучшаем объектив

Слава богу, что современные камеры не столь слабы, как Canon 350D, и скорей всего вы имеете «на борту» больше мегапикселов, например, Canon EOS 500D с матрицей на 15,5 мп. Напомню, что с такой матрицей Canon 18-55 выдавал разрешение 2164 линии. Попробуем найти для камеры более качественный объектив. Canon EF-S 17-85mm f/4-5.6 USM IS «выдаст на гора» 2556 линий по высоте кадра (рис. 4), то есть в 1,18 раза больше. А по всей площади кадра мы получим прирост количества информации в 1,182 = 1,4 раза. Очень не дурно… Собственно говоря, это всё, что мы сможем добиться от Canon 500D. Даже самая качественная оптика на этой фотокамере даёт схожие значения разрешающей силы. Например, очень резкий Canon EF 35mm f/2 USM IS, дает с нашей фотокамерой аж 2638 линий по высоте кадра (рис. 5), популярный Canon EF 50mm f/1.4 показал 2600 линий (рис. 6), а профессиональные зуммы показали результат, схожий с «любительским» Canon 17-85mm.

Вывод: для современных камер с «кропнутой» матрицей оптимальным и по цене и по качеству использовать объектив, схожий по разрешающей силе с Canon 17-85. Использование дорогих профессиональных объективов даст едва ощутимый прирост количества информации в кадре.

Хотим больше!

Canon EF 24-105mm f/4 USM L IS непафосный, но хороший объектив, рабочая лошадка профессионального фотографа. На камере с кропнутой 15-ти мегапиксельной матрице она дает нам 2488 линий по высоте кадра (рис. 7). Но на полноформатном Canon 5D Mk II он выдаст 3400(!) линий (рис. 8). То есть количество информации по всей площади кадра увеличится в 1,372 = 1,86 раза. Очень хорошо!

Почему получился такой прирост? Все дело в размере матрицы. Предположим, что у нас есть объектив, который выдает 100 линий/мм. В «кропнутой» матрице таких миллиметров 15 (по высоте), значит, матрица сможет принять на себя 100х15 = 1500 линий. В полноформатной фотокамере высота матрицы 24 мм., и на матрицу будет передано уже 2400 линий. Это гигантское преимущество матриц большого размера.

Вывод: можно, конечно, купить к кропнутой фотокамере очень хороший профессиональный объектив, но полностью он проявит себя только на полноформатной фотокамере.

Еще больше?

Дальнейшее наращивание мегапикселов на полноформатной матрице вновь упрется в качество оптики. Уже 30-ти мегапиксельные камеры, чтобы раскрыться во всей своей красе, требуют самых лучших, самых дорогих объективов. Это не только дорого, но еще и неудобно, ибо от зумм-объективов, скорей всего, придется отказаться. Второй вариант наращивания резкости камеры – переход на среднеформатные матрицы, например Hasselblad с матрицей 53х40 мм. Но это совсем другая, фантастическая история.

Объективы для мегапиксельных камер: индивидуальный подбор

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Один из наиболее часто задаваемых клиентами нашей компании вопросов – почему мы «в базе» не комплектуем свои камеры объективами? И каждый раз приходится отвечать: «Такова политика производителя». Не видит он смысла ставить на мегапиксельные камеры какую-то одну универсальную модель. И мне думается, что этот подход логически обоснован и верен. Почему?

A. А. Торубаров
Генеральный директор компании Arecont Vision

Ответ прост: универсальное практически ВСЕГДА хуже специализированного. Автолюбители, к примеру, давно уже поняли, что зимой стоит ездить исключительно на зимних шинах, а летом – на летних. Это вопрос собственной безопасности. Тем более в нашем бизнесе. Клиент должен получать именно то, что наиболее точно подходит как раз для него, а не для гипотетического «среднего потребителя». И наша задача – помочь подобрать ему наиболее подходящую из представленных на рынке моделей, максимально реализующую возможности камеры.

Основные технические параметры

Для начала немного теории. Начнем с того, что любой объектив представляет собой проекционную оптическую систему, основное назначение которой – проецирование изображения наблюдаемой зоны с минимальными искажениями на светочувствительную поверхность фотоприемника. Из длинного перечня характеристик оптической системы «объектив – IP-камера», на которые обязательно стоит обратить внимание, необходимо отметить следующие:

1. Разрешающая способность – определяет минимальный размер различимых по контрасту элементов изображения. Разрешение в оптике оценивается с помощью штриховых тестовых мир, представляющих собой мишень, как правило, на основе стеклянной пластины с нанесенными на ней штрихами. Количество таких штрихов, приходящихся на единицу длины, при условии их визуального распознавания и является мерой оценки оптического разрешения. Если при проецировании такой миры на фотоприемник на получаемом изображении визуально можно различить штрихи, значит объектив разрешает данную пространственную частоту. Основную информацию о разрешении объектива несет указание в его технических характеристиках минимального размера пикселя, или количества линий на миллиметр, не только в центре, но и на краю (например, Resolution (Center, Corner) – 100 lp/mm, 60 lp/mm, то есть разрешение в центре – 100, на краю – 60 линий на мм). Для аналоговых камер нормальным считалось разрешение в 30–60 линий на мм, у мегапиксельных это значение – от 150 и выше.

2. Оптический формат – размер формируемого изображения или матрицы. Едва ли не важнейшее значение имеет соответствие формата матрицы объектива и камеры. Для многих камер используется матрица в 1/2 дюйма. При этом большинство мегапиксельных объективов имеет размер матрицы 2/3 дюйма. Соответственно заявленные производителем характеристики требуют корректировки. Некоторые компании указывают их сразу, некоторые подобной «ерундой» себя не утруждают. За отсутствием информации приходится идти опытным путем, сравнивая схожие модели, где подобная информация указана официально. Для своей линейки камер мы взяли за основу соотношение 3 к 4. То есть объектив 2/3 дюйма с заявленным углом обзора по горизонтали в 40 градусов на камерах с форматом матрицы 1/2 дюйма и соотношением сторон 4:3 даст угол в 30 градусов.

3. Фокусное расстояние – расстояние от оптического центра объектива до поверхности матрицы. С фокусным расстоянием напрямую связано такое понятие, как угол обзора объектива. Короткое фокусное расстояние дает широкий угол обзора, но сами объективы, как правило, не отличаются «дальнобойностью». По мере увеличения фокусного расстояния угол обзора камеры сужается, зато растет предельная дальность, на которой возможна детализация рассматриваемого объекта;

4. Светосила – определяется отношением эффективного диаметра передней линзы объектива к величине фокусного расстояния и характеризует чувствительность IP-камеры. Чем меньше значение указанного числа, тем лучше камера работает в условиях слабой освещенности. Объективы с маркировкой F1.4 сегодня едва ли не лучшие из тех, что есть на рынке.

Мегапиксельные камеры характеризуются в первую очередь высокой разрешающей способностью, что предъявляет определенные и довольно жесткие требования к используемой на них оптике. Тщательный подбор и сочетание различных линз со сферическими и асферическими поверхностями (в изделиях ведущих производителей, как правило, используются только стеклянные линзы, причем самой тонкой шлифовки) позволяют устранить практически все возможные геометрические и хроматические аберрации, и в результате пользователь имеет в системе четкое и контрастное изображение, необходимое для точной идентификации объекта. При этом широкая апертура мегапиксельных объективов позволяет получать четкие изображения даже при низкой освещенности.

Практические расчеты

Разобравшись с терминами, переходим непосредственно к оптимальному построению системы «объектив – IP-камера». И начнем с… ПОДБОРА КАМЕРЫ!

Допустим, существует необходимость контролировать (и по возможности идентифицировать) всех проходящих через ворота шириной 5 м на территорию охраняемого объекта. Решение этой задачи в первую очередь зависит от возможностей камеры и лишь потом – от установленного на нее объектива. Хотя официального стандарта нет, большинство специалистов считают достаточными следующие параметры: обычное наблюдение (фиксация события) обходится цифрой в 80–100 точек на м; распознавание автомобильных номеров – 170–190 точек на м; идентификация личности – 250–270 точек на м и т.д. Имея заданную ширину объекта в 5 м и задачу контроля входящих, приходим к выводу, что оптимальной будет 2-мегапиксельная камера с разрешением 1600(Н)х1200(W) (1600 делим на 270 – получаем 5,93 м). Вот теперь можно и подбором объектива заняться. Но для этого необходимо прежде всего установить соответствие объектива и камеры.

Честно говоря, странно, что до сих пор зависимость картинки от объектива зачастую не рассматривается клиентами как прямая. Дескать, если характеристики камеры заявлены как 2 Мпкс, то и разрешение 1600 на 1200 мы получим при любом раскладе. Что бы ни «навинтили» в качестве оптики. И очень удивляются, что картинка с AV2100 и объективом «Хай Резолюшн» (до 1 Мпкс) почему-то хуже той, что они видели при демонстрации, к примеру, на выставке. Для мегапиксельных камер желательно подбирать объективы, хотя бы приблизительно соответствующие разрешению камеры. Для 1,3-мегапиксельных камер – объективы не менее 1 Мпкс, для 2-мегапиксельных – 1,5–2 Мпкс и т.д. Иначе возможности камеры будут просто «зажаты» до уровня разрешения объектива.

Следующий шаг – определение необходимого фокусного расстояния. У нас есть ширина контролируемой зоны – 5 м – и расстояние, на котором от проходной весит камера, – допустим, 20 м. Как раз для таких ситуаций на сайтах солидных компаний размещают 2 калькулятора, дающих четкий ответ на поставленный вопрос. Задаем известные параметры – 5 и 20 м и получаем, что необходим объектив с фокусным расстоянием 25,6 мм. Можно сделать расчет результирующего угла объектива – получим 14,23 градуса. Каждый выбирает то значение, которое ему более понятно.

Особого внимания требует подбор объективов к камерам формата «день/ночь», использующим фильтр IR Cut-off. НАСТОЯТЕЛЬНО НЕ РЕКОМЕНДУЮ применять в этом случае обычные мегапиксельные модели. По крайней мере для камер с разрешением от 2 Мпкс и выше. Иначе вам придется внести в свой рабочий график обязательные акробатические упражнения со стремянкой утром и вечером – «ушедший» фокус будет требовать корректировки в светлое время суток и с наступлением сумерек. А вот объективы с буквами IR в маркировке – самое то! Смело ставьте и спите спокойно. Применение этих объективов позволяет избежать расфокусировки, когда спектр проходящего через объектив света смещается в инфракрасную область. Этот эффект возникает из-за того, что в разное время суток свет, проходящий через объектив, имеет разную длину волны, а у волн разных длин разнится коэффициент преломления. Объективы с ИК-коррекцией имеют специальный состав стекла и/или специальное напыление на стекло, которые практически полностью компенсируют эффект расфокусировки. Суть ее заключается в том, что коэффициент преломления и прозрачность материала линз остаются постоянными в широком диапазоне частот светового потока. Добавлю еще, что если в системе используется ИК-подсветка, то применение объективов с ИК-коррекцией является обязательным требованием.

Важные функции

При частой смене освещения на охраняемом объекте полезной может оказаться функция автодиафрагмы, когда открытие/закрытие диафрагмы объектива управляется сигналом, который поступает с камеры, оценивающей количество света, поступающего на матрицу фотоприемника. Хотя во многом востребованность этой функции – отголосок века аналоговых камер. В большинстве современных моделей мегапиксельных камер возможно добиться хорошей картинки при смене освещения и не прибегая к услугам автодиафрагмы. Как правило, хорошая IP-камера сама умеет подстраиваться под изменившиеся условия освещения.

Коль скоро мы заговорили об автодиафрагме, не могу не обратить внимание на еще одно распространенное заблуждение. Считается, что в объективах с ручной диафрагмой приближение объекта наблюдения невозможно, единственная доступная функция – настройка фокусировки, а спектр применения таких объективов ограничен – обычно их используют в камерах, наблюдающих за входами на объекты. Это неверно. Точнее, верно только для «оптического» зума. Между тем многие модели мегапиксельных видеокамер обладают цифровым зумом самой камеры: двух-трехкратного приближения, достигаемого за счет того, что каждый объект в мегапиксельной камере описывается большим количеством точек по сравнению с аналоговыми, зачастую вполне достаточно…

Идеальные пары

Учитывая трехлетний опыт работы на рынке именно с мегапиксельными системами «камера – объектив», позволю себе несколько рекомендаций, которые, надеюсь, не сочтут скрытой рекламой. Для камер с разрешением до 2 Мпкс и при расстоянии до рассматриваемого объекта не более 50–60 м, оптимальными, на наш взгляд, являются модели Computar M…-MP (M0814-MP/M1214-MP и т.д.). А из вариофокалов – Tamron 12VM412ASIR и Tamron 12VM1040ASIR.

2–3-мегапиксельные модели камер лучше всего «уживаются» с продукцией компаний KOWA (модели LM…JCM) и SpaceCom (JHF….M или MK), а KOWA LMVZ 3510-IR и KOWA LMVZ9020-IR являются «хитами» для камер формата «день/ночь».

Подбор объективов для камер с разрешением больше 3 Мпкс является наиболее трудным делом. Конечно, есть превосходные трансфокаторы с подобным и даже более высоким разрешением, вот только цена на них порой в разы превышает цену самой камеры. А из объективов с фиксированным фокусным расстоянием лучшим решением, на наш взгляд, является Fujinon серии HF… SA-1. Хотя говорят, что и у KOWA появились хорошие модели для 5–10 Мпкс. Любопытно будет попробовать.

Чтобы не платить дважды…

И последнее. Не стоит экономить на мелочах. Копеечная выгода сегодня завтра может обернуться серьезными потерями после установки комплекса на охраняемом объекте. Конкретный пример: на одной из выставок подошли к нам представители китайского производителя оптики. Продемонстрировали свою продукцию. Специалисты компании были в восторге – качество линз заслуживало всяческих похвал. Японцы не всегда могут обеспечить такое. А уж цена и вовсе была смешная – порядка 30 долларов за 3-мегапик-сельный объектив. Казалось бы – вот оно, решение всех проблем. Хорошо, что не стали брать крупную партию, поостереглись. И правильно сделали. В ходе длительного теста выявилась интересная особенность – регулировочные винты и кольца объектива редко выдерживали больше 6–7 настроек. Фокус просто переставал строиться. Хотя к стеклу никаких претензий – удачные экземпляры успешно трудятся вот уже два года. Отсюда главный вывод: не хотите проблем – берите модели, рекомендованные производителем (поставщиком) для конкретной камеры.

Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #4, 2010
Посещений: 11290

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Увеличение и разрешение | Лаборатория анатомии и физиологии человека (BSB 141)

Информация

Причина использования микроскопа — увеличить детали до такой степени, чтобы можно было различить новые детали.

Увеличение — это коэффициент увеличения изображения. Это будет целое число больше 1, за которым обычно следует «x», как при 10-кратном увеличении.

Когда вы смотрите в окуляры микроскопа, вы видите виртуальное изображение , потому что на самом деле то, на что вы смотрите, не такое большое, как в окуляры, и потому что изображение может быть искажено.

Разрешение — это кратчайшее расстояние между двумя точками, которые все еще можно визуально различить как отдельные. Разрешение обычного человеческого глаза составляет около 200 мкм. Использование микроскопа снижает разрешение до расстояний до 0,2 мкм. Разрешение — это свойство глаза.

Разрешающая способность — это способность линзы отображать два соседних объекта как отдельные. Разрешающая способность — это свойство линзы.

Каждая линза в микроскопе имеет числовую апертуру или числовую апертуру.Это связано с углами света, попадающего в линзу и выходящего из нее. Его приложения выходят за рамки этой лаборатории, но числовая апертура действительно влияет на разрешение, возможное для конкретного объектива, поэтому значение NA для объектива обычно печатается на каждом объективе. Это будет число меньше 1.0, и вы можете игнорировать его для наших целей.

Каждая линза в микроскопе также имеет коэффициент увеличения . Это степень увеличения изображения линзой. Это будет число больше 1.0. Например, 10-кратный объектив увеличивает изображение в десять раз. Коэффициент увеличения для каждого объектива всегда печатается на нем, а коэффициент увеличения для каждого окуляра обычно печатается на нем. (Если в окуляре отсутствует напечатанный коэффициент увеличения, обычно можно предположить, что он 10-кратный.)

Общее увеличение для любого изображения, просматриваемого под сложным микроскопом, рассчитывается по формуле:

Общее увеличение = коэффициент увеличения окуляра * коэффициент увеличения объектива

Итак, каждый раз, когда вы меняете объектив, вы меняете общее увеличение.Общее увеличение не имеет единиц измерения, но обычно обозначается знаком «x», например, «общее увеличение = 100x».

Лабораторная работа 4 упражнения 4.2

Для каждого студента есть составной микроскоп. Выполните перечисленные ниже действия и при этом заполните поля.

  1. Запишите коэффициент увеличения линз окуляра на микроскопе перед вами.
  2. Используя микроскоп перед собой, напишите все слова и числа, написанные на каждом объективе микроскопа.Объективов, вероятно, три, но в некоторых микроскопах их может быть четыре. Начните с наименьшей цели и перемещайтесь по ним в порядке увеличения размера
    Цель 1:

    Задача вторая:

    Задача третья:

    Задача четвертая:

  3. В приведенном выше списке для каждого объектива обведите только коэффициент увеличения для этого объектива.Помните, что коэффициент увеличения — это целое число, которое различается для разных объективов.
  4. Запишите общее увеличение (коэффициент увеличения окуляра * коэффициент увеличения объектива) при использовании каждого объектива на микроскопе перед вами.
    Объектив один:

    Задача вторая:

    Задача третья:

    Задача четвертая:

  5. Если вы заметили на слайде невооруженным глазом две особенности, которые равнялись 0.Насколько далеко они бы находились на расстоянии 5 мм, если бы вы наблюдали их в микроскоп перед собой, используя второй объектив?

Расширенный выбор линз | Эдмунд Оптикс

Это Раздел 6.3 Руководства по работе с изображениями.

В предыдущем разделе выбор линзы объяснялся в первую очередь с точки зрения линзы как последнего компонента, который следует выбрать в системе машинного зрения.В этом разделе мы подходим к выбору объектива и камеры целостно, выбирая и то, и другое одновременно, в зависимости от того, что важно для конкретного приложения. В этом разделе будет рассмотрен пример, начиная с нуля, где необходимо отобразить двухмерный штрих-код с расстояния 200 мм, как показано на рис. 1 .

Рис. 1: Изображение двухмерного штрих-кода, которое должно быть отображено с расстояния 200 мм.

Первый шаг в выборе линзы — это начать с объекта, который нужно исследовать, и разбить его на составные части.Какие важные особенности? Насколько велики эти функции? Сколько пикселей мне нужно, чтобы покрыть функцию, которую я пытаюсь наблюдать, чтобы мое программное обеспечение машинного зрения работало должным образом?

Часто лучше всего начать с размера элемента и покрытия в пикселях. Для штрих-кода на рис. 1 это довольно простые числа. Размер элемента составляет 100 мкм, с пустым пространством не менее 100 мкм между элементами. Это означает, что частота, которой соответствует эта функция, составляет 5 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $ (обзор этой математики см. В разделе Разрешение) в пространстве объектов.Это число — первая часть головоломки при определении необходимого увеличения объектива.

Далее необходимо учитывать все поле зрения (FOV). Это означает, что не только размер самого штрих-кода, но и пространство должно быть оставлено для неопределенности положения в пределах поля зрения. Если размер штрих-кода составляет 25 мм x 25 мм, можно с уверенностью сказать, что требуется угол обзора 35 мм. В этом конкретном примере необходимо иметь не менее трех пикселей, покрывающих каждую функцию штрих-кода. Поскольку размер элемента на штрих-коде составляет 100 мкм, тогда требуется, чтобы на плоскости объекта было не менее 33 мкм на пиксель.

На этом этапе можно оценить различные камеры, чтобы увидеть, можно ли этого достичь. Чтобы сохранить минимальные затраты, может быть важно начать с как можно меньшего разрешения. В современном мире машинного зрения это разрешение часто составляет 0,3 МП или VGA (640×480). Если посмотреть на соотношение сторон сенсора, оно составляет ровно 4: 3. Однако необходимый угол обзора составляет 1: 1; это означает, что маленький размер сенсора (480 пикселей) необходимо будет использовать для соответствия 35-миллиметровому полю зрения, а больший размер будет плавать, и, вероятно, будут потеряны некоторые пиксели.

Поскольку 480 пикселей будут разделены между 35 мм пространства, каждый пиксель соответствует 110 мкм в пространстве объекта. Этой камеры явно недостаточно для этого приложения, и требуется, чтобы разрешение было примерно в 3 раза лучше. Снова пробежавшись по математике с датчиком 1600×1200 с пикселями 4,5 мкм, каждый пиксель теперь занимает 29 мкм, чего достаточно. Но как это соотносится с пространством изображения с камерой и объективом? На этом этапе система должна быть связана с увеличением.

Поскольку этот датчик 1600 x 1200 имеет пиксели, соответствующие размеру 4,5 мкм, размеры составляют 7,2 мм x 5,4 мм. При использовании Equation 4 в базовом выборе объектива требуется увеличение 0,15X. Теперь можно использовать это увеличение, чтобы определить, какой объектив необходим, а также то, что система визуализации должна быть способна достичь с точки зрения разрешения, чтобы должным образом отобразить штрих-код. Поскольку датчик был выбран, теперь можно использовать Equation 3 из Basic Lens Selection для определения фокусного расстояния объектива.Используя уравнение , требуемое фокусное расстояние, исходя из рабочего расстояния 200 мм (WD), составляет 30 мм. Однако необходимое увеличение (0,15X) может быть достигнуто с помощью объектива 25 мм на расстоянии 230 мм; в данном примере этого достаточно. Теперь предварительный объектив был выбран, но может ли он работать в зависимости от требуемого разрешения?

Требуемое разрешение в пространстве объекта составляет 5 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $. Преобразуя это в пространство изображения путем деления на увеличение, 33 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $ требуется для правильного просмотра объекта.Это число необходимо сравнить с двумя числами: частотой Найквиста датчика и функцией передачи модуляции (ФПМ) используемого объектива. См. Раздел «Разрешение» для получения дополнительной информации о частоте Найквиста. Уравнение 1 описывает частоту Найквиста датчика как:

(1) $$ \ xi _ {\ small {\ text {Nyquist}}} = \ frac {1} {2 \ times s} $$

(1)

$$ \ xi _ {\ small {\ text {Найквист}}} = \ frac {1} {2 \ times s} $$

Где s — размер пикселя.Используя уравнение , датчик с пикселями 4,5 мкм имеет частоту Найквиста 111 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $. Поскольку это больше, чем требуемые 33 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $, эта камера является хорошим выбором. Проницательный читатель может заметить, что это связано с тем фактом, что у нас есть три пикселя, покрывающих нашу функцию, и неудивительно, что мы примерно в 3 раза ниже частоты Найквиста. Эта математика была включена сюда для полноты картины.

Кривую MTF для объектива с фиксированным фокусным расстоянием 25 мм серии C при WD 166 мм можно найти на рис. 2 (для получения дополнительной информации о том, как считывать кривую MTF, см. Функция передачи модуляции).Глядя на кривую, можно увидеть, что 25-миллиметровый объектив достигает примерно 83% контрастности при 33 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $, что более чем достаточно для изображения это хорошо.

Рисунок 2: Кривая MTF 25-миллиметрового объектива серии C с фиксированным фокусным расстоянием, который обеспечивает более чем достаточное разрешение для этого примера.

Как правило, минимальное значение контрастности, необходимое для того, чтобы объектив для визуализации правильно распознал объект, составляет 20%, что означает, что этот объектив имеет более чем достаточное разрешение, чтобы в достаточной степени видеть этот штрих-код.

Это лишь верхушка айсберга при выборе объектива для конкретного применения. MTF зависит от нескольких факторов (подробно объясненных в разделе «Кривые MTF и характеристики объектива»), и зачастую это не так просто. В следующем разделе подробно рассказывается о том, как конкретно смотреть на объектив и насколько хорошо он сочетается с камерой.

Новые возможности объектива

Поставщики объективов могут предоставить индивидуальные кривые MTF в зависимости от того, как используется объектив. В приведенном выше примере со штрих-кодом MTF 25-миллиметрового объектива использовалась, чтобы определить, имеет ли он достаточное воспроизведение контраста для штрих-кода, который он отображал.Теперь мы расширим это на другом примере, но с той же линзой, чтобы показать, что не всегда все получается так, как задумано.

На рис. 3 показаны две разные кривые MTF одного и того же объектива с фиксированным фокусным расстоянием 25 мм при одинаковом WD (обеспечивающем увеличение 0,76X), но с разными диафрагмами f / # и диапазонами длин волн. Вряд ли они похожи на один и тот же объектив! Важный вывод заключается в том, что простой просмотр кривых MTF в таблицах спецификаций не может адекватно объяснить характеристики объектива во всем его диапазоне, и конкретные кривые необходимы.

Рисунок 3: MTF объектива с высоким разрешением 25 мм при различных настройках, что подчеркивает важность сравнения конкретных кривых объектива.

На основе MTF данного объектива можно определить минимальный разрешаемый размер элемента в пространстве объекта. Однако кривые MTF всегда находятся в пространстве изображения, что означает, что информация пространства изображения должна быть преобразована в информацию пространства объекта. К счастью, это так же просто, как масштабирование с помощью увеличения. В следующем примере показано, как выполнить эти расчеты с использованием кривых на рис. 3 в качестве отправной точки.Предполагая для этого примера минимальную контрастность 20%, линза сверху может разрешить 250 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $ в пространстве изображения, что определяется путем нахождения частота на кривой, соответствующая 20% контрасту. Используя уравнение 2 , размер пикселя (или, в данном случае, разрешение пространства изображения
$ \ small {\ xi _ {\ small {\ text {Image Space}}}} $ преобразуется из частоты в физический объект) рассчитывается как:

(2) $$ \ xi _ {\ small {\ text {Image Space}}} = 250 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} = \ frac {1000 \ tfrac {\ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} {\ text {mm}}} {2 \ times s} \ поэтому s = 2 \ large {\ unicode [Cambria Math] { x03BC}} \ normalsize {\ text {m}} $$

(2)

$$ \ xi _ {\ small {\ text {Image Space}}} = 250 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} = \ frac {1000 \ tfrac {\ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} {\ text {mm}}} {2 \ times s} \ поэтому s = 2 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} $$

Масштабирование по увеличению (0.076X) результаты:

(3) $$ \ frac {2 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} {0.076X} = 26 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}} \ text {- минимальный размер объекта} $$

(3)

$$ \ frac {2 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} {0.076X} = 26 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}} text {минимальный размер объекта} $$

Для сравнения: линза с кривой внизу на рис. 3 может уверенно отображать только объект размером 282 мкм (с использованием той же математики, что и в приведенном выше примере).В примере на предыдущей странице также предполагается, что точная камера / датчик еще не выбрана, поэтому оптика является ограничивающим компонентом в системе формирования изображения. Если бы датчик камеры был выбран до объектива, объектив должен был бы иметь возможность разрешать размер пикселя используемого датчика.

Продолжая пример на предыдущей странице, если была выбрана камера с датчиком Sony IMX250 с пикселями 3,45 мкм, используя уравнение 2, разрешение пространства изображения можно найти как 144.9 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $. Глядя на кривую MTF, объектив обеспечивает контраст> 40%, что более чем достаточно для большинства приложений. Однако, используя тот же расчет, что и в уравнении 3 для масштабирования в пространстве объекта, пиксели 3,45 мкм соответствуют только объекту 45 мкм, что означает, что датчик будет ограничивающим компонентом в системе, поскольку линза способна обеспечить разрешение в пространстве объекта 26 мкм. . Все эти соображения необходимо учитывать при выборе подходящего объектива для конкретного применения, чтобы найти оптимальное решение проблемы машинного зрения.

Рекомендуемые ресурсы

Указания по применению

Разъясняет разрешение линз. Что это значит, когда Sony 135mm F1.8… | by Byron

Что ж, то, что мало кто заметил в 135 мм, — это то, что Sony просто указала, что будет с Олимпийскими играми 2020 года. Тогда NTT будет транслировать в формате 8K. Компании-производители камер традиционно выпускают флагманские модели во время игр и каждые 4 года предлагают какой-то прорыв.

Последним крупным выпуском Sony был выпуск a9.Я был там, и а9 — мой ежедневный стрелок. Для 8k требуются сверхрезкие линзы, и Sony только что выпустила линзы, способные вдвое превосходить текущее разрешение 4k.

Это невероятный прорыв, и LensRentals протестировала более 300 линз. Их оптические стендовые испытания определяют разрешающую способность линз, и компания использует их для создания диаграммы MTF. Это график, который показывает, насколько хорошо объектив работает от центра к краям. Чем выше точка на графике, тем лучше разрешение.

Диаграмма © LensRentals и из их блога.

Давайте сделаем это просто и понятно. В центре это самый высокий MTF, который я видел на не супертелеобъективе. Самый высокий. Особо выделим фиолетовую линию, которая составляет 50 линий / мм. Это более высокая частота, чем какие-либо тесты производителей (о которых мы знаем), она подходит для получения мелких деталей на камерах с самым высоким разрешением. Мы считаем очень приемлемым значение MTF 0,5 при 50 лин / мм. Это намного лучше, почти 0.8 в центре. Мы никогда раньше не видели такого разрешения.

Никогда раньше не видел такого разрешения? Это настоящий прорыв, и это означает, что у фотографа будет больше мелких деталей для работы даже с движущимся объектом.

Cicala сравнила Sony 135mm F1.8 G Master с хорошо зарекомендовавшим себя Sigma 135mm (тоже отличный объектив, который я рассмотрел здесь) и обнаружила, что объектив Sony «значительно лучше, особенно при более высоких разрешениях».

По мере увеличения разрешения сенсора наступает момент, когда объектив больше не может отображать больше деталей.Sony 135mm F1.8 G Master имеет гораздо более высокую разрешающую способность, поэтому он отлично сочетается с датчиками высокого разрешения, такими как на a7r III.

По сравнению с тем, как измеряются характеристики велосипеда, это эквивалент камеры жесткости по вертикали, податливости по горизонтали И скользкости в аэродинамической трубе.

Это также означает, что 135 мм F1.8 G Master разработан не только для современных датчиков с высоким разрешением, таких как датчик 42MP в a7R III, но и для обработки изображений будущего оборудования.Как и камеры, которых мы должны ожидать, дебютируют на Олимпийских играх 2020 года.

Способность линзы разрешать детали измеряется парами линий на миллиметр (lp / мм). Думайте об этом как о проверке зрения, когда лучшее зрение способно воспринимать все меньшие и меньшие буквы на глазной диаграмме. В случае линз тест заключается в том, сколько крошечных пар линий можно увидеть на одном миллиметре. Чем выше количество пар линий на миллиметр, тем меньше могут быть линии и промежуток между ними, при этом они все равно выглядят как отдельные объекты.

Источник: Википедия

Эта диаграмма, хотя и не в масштабе, дает хороший пример того, как оцениваются пары линий на миллиметр. Чем меньше группировка, тем выше необходимое разрешение, чтобы не видеть размытость.

Разрешающая способность линзы является важным фактором в общей производительности системы, но также и разрешающая способность сенсора. Например, небольшой датчик в вашем телефоне не может обеспечить такой же уровень детализации с объективом 100 лин / мм, как полнокадровый датчик.

Cicala сравнила Sony 135mm F1.8 GM со скоростью 100 лин / мм с другими широко известными объективами. «При 100 lp / мм объектив Sony 135mm f / 1.8 GM имеет более высокую MTF, чем у большинства превосходных обычных объективов при 50 lp / мм. Если вы не говорите MTF, в основном это означает, что этот объектив может разрешать мелкие детали, которые были бы размытыми на отличных объективах ».

Cicala добавляет: «Ни один объектив, который мы когда-либо тестировали, не дает такого хорошего разрешения 100 линий / мм при любой диафрагме. Еще один объектив был близко, но я не могу назвать его название. Мы находились под таким строгим неразглашением, что никогда не называли это по имени.Его просто называли «рассматриваемый объектив», и он был огромным прототипом. Но даже этот объектив был не так хорош при 100 линзах / мм ».

Графики MTF и тестирование объективов могут показаться загадочными и запутанными, но, в конце концов, объектив — это больше, чем просто число. Другие обозреватели уже назвали объектив Sony 135mm F1.8 G Master

  • «Лучшим портретным объективом» — Искусство фотографии
  • «Мастер боке» — Стив Хафф
  • «Оптически звездным» — Ресурс по созданию изображений
  • » приближаются к совершенству »—BroaderFocus
  • « Устанавливает планку на этом фокусном расстоянии »- CameraLabs.

Sharp Достаточно для 8K, Fast A F в паре с a9

Доступный в конце апреля 135-миллиметровый G будет стоить примерно 1900 долларов США в розничных магазинах, таких как B&H, Amazon, и на местном уровне в Glazers.

Новый объектив сочетает в себе быстрый автофокус (AF) с легким портативным дизайном и множеством профессиональных функций, что делает его универсальным и высокопроизводительным инструментом для профессиональных портретных фотографов, свадебных фотографов, спортивных фотографов и широкого круга энтузиастов обработки изображений. .

Я считаю, что такие ботаники, как Cicala, могут увязнуть в спецификациях. Что действительно важно, так это впечатления от съемки и то, как технологии Sony позволяют создавать новые творческие возможности. Да, последний G Master — это сверхчеткий объектив с маслянистым боке, у нас есть доказательства этого.

Он также достаточно быстр, чтобы не отставать от a9.

Отслеживание в реальном времени

135 фокусируется, как снимает a9, и это бесшумно. Цель дизайна этого объектива — погрузить фотографа в настоящий момент.В сочетании с отслеживанием в реальном времени a9 это суперзвезда стрельбы, за которой другие 135 не могут угнаться. Это потому, что камера вычисляет фокус, фиксируясь на объекте, и фотограф может свободно составлять композицию.

Композиция произвольной формы, как я ее называю, является результатом почти твердотельной совместимости между камерой и объективом. Беззеркальные технологии Sony действуют на вас почти бионически и действительно актуальны в мире технологий и творчества. Как показано на видео ниже, линейные двигатели XD не отстают от молниеносно быстрой автофокусировки.

Линейные двигатели XD позволяют объективу не отставать от камеры.

В то время как скорость и резкость просто поразят воображение свадебных фотографов.

Для свадьбы, конечно, но спорт и улица — это то место, где объектив, подобный его, с a9 впечатлит больше всего.

Именно эти баскетбольные кадры, подобные тем, которые я сделал в Сан-Диего в прошлом месяце, должны привлечь внимание спортсменов и уличных стрелков.

Отслеживание в реальном времени работает над глазами этого игрока.

АФ с отслеживанием в реальном времени привлекал внимание игрока, когда он начинал бегать.Игроки передавали мяч друг другу, а он подбрасывает его в сторону щита. С руками и мячом впереди его глаз любая другая система автофокусировки могла бы уловить мяч и руку.

Камера a9 остается привязанной к объекту, несмотря ни на что. Надо многое подумать, и я рекомендую вам продемонстрировать себя, потому что этот технологический скачок означает, что фотограф Sony фокусируется и перестраивается один раз для сцены.

Посмотрите это видео со стрелками Sony Брайаном Смитом и Патриком Мерфи-Рэйси, начиная с 1:08, для визуального объяснения того, что делает камера.

Наблюдайте за работой автофокуса по глазам.

После создания единственное изменение — кадрирование. Это совсем не то, как работает сейчас даже самый продвинутый автофокус. Вам не нужно постоянно указывать камере, что это за объект. Вот еще один пример. Фокус остается на глазу.

Фокус не теряется даже при попадании мяча в кадр.

Только представьте себе, что велосипедист преодолевает препятствия на гонке CX или спускается с горы вручную.

оптика — Что означают значения разрешения в характеристиках объектива?

Разрешение — штука сложная.Во-первых, в сети ходит МНОГО дезинформации о разрешении, и многие фотографы ее не совсем понимают. Во-первых, я считаю неправильным говорить «А лучше, чем В», когда речь идет об объективах и сенсорах. Сенсоры не превосходят линзы по разрешению. Объективы также не превосходят сенсоры. Фактически, они работают вместе, чтобы создать изображение … и это изображение имеет собственное разрешение.

(ПРИМЕЧАНИЕ: пиксель 1,6 мкм может разрешить 1 / (1,6 / 1000) линий на миллиметр, что составляет 625 л / мм.Разделите на два, для пар линий , и вы получите 312 линий / мм (пар линий на мм). Точно так же линза, которая может разрешать пятно размером 6 микрон, может разрешать 1 / (6/1000) линий на миллиметр, что составляет 166 л / мм. Снова разделите на два, и вы получите 83 лин / мм. Каким бы ни был этот объектив за 6000 долларов, он, вероятно, ограничен дифракцией, но при диафрагме около f / 8 (при MTF50). Цена кажется довольно высокой для этого … многие объективы могут быть довольно близки к разрешению 83 лин / мм при f / 8 … поскольку эта диафрагма обычно очень близка к полной дифракции, ограниченной на большинстве современных объективов.)

Разрешение может быть указано в парах линий на миллиметр (lp / мм) или в размере пятна (микроны). Размер пятна, который, в конечном счете, определяется точкой света, является результатом того, что свет от исходного источника этой точки «свертывается», поскольку он проходит через все объекты между ним и пикселями датчика (которые сами являются частью свертки). Это включает воздух между источником света и линзой, каждым элементом в линзе, а также все воздушные зазоры между ними, воздух между задней частью линзы и датчиком, покровным стеклом или фильтрами над датчиком. , микролинзы на сенсоре и характер самой компоновки пикселей сенсора (т.е.е., их размер и есть ли у них CFA или нет). Все это работает согласованно, чтобы получить размер пятна исходного источника света на конечном изображении.

Исходный источник света может быть бесконечно маленьким, однако, когда его свет проходит к поверхности датчика, он распространяется. Вы не получите математически бесконечно маленькую точку на конечном изображении, вы получите точку размером во много пикселей.

Рассматриваемая линза может быть способна разрешить ограниченную дифракцией (максимальный потенциал) точку света размером 6 микрон.2) = SQRT (36 мкм + 2,56 мкм) = SQRT (38,56 мкм) = 6,21 мкм

Разрешение изображения, выводимого с помощью этого объектива, который может разрешать пятно размером 6 микрон, с датчиком, имеющим монохромные пиксели 1,6 микрона, составляет пятно 6,21 микрон. Получается, что выходное разрешение составляет 80,5 линий / мм. Это немного меньше, чем 83,34 линза / мм, которые объектив способен выдать сам, но все же очень близко. Это благодаря тому, что у сенсора такие крошечные пиксели.

На самом деле системы камер очень редко могут разрешить это близко к «верхнему пределу», который является разрешением компонента с наименьшей мощностью.Чтобы получить лучшее разрешение, чем 83 линза / мм, вам понадобится линза, способная разрешать пятна меньшего размера, чем 6 микрон. Если бы вам удалось найти объектив с пятном размером 3 микрона, он действительно был бы способен разрешать 166,67 линий / мм, а ваше выходное разрешение подскочило бы до 147,1 линий / мм.


Разрешение является результатом свертки, у него нет жесткой остановки. Таким образом, сенсоры не могут превзойти линзы, а линзы не могут превзойти сенсоры. Эти два работают согласованно, чтобы разрешить информацию в выходном изображении.Мы вообще довольно далеки от пределов разрешающей способности с нынешней оптикой. Мы приближаемся к пределу разрешающей способности сенсоров, шаг которых теперь составляет около 0,95 микрон (950 нм, длина волны инфракрасного света). Ваш датчик в этой ситуации на самом деле удерживает вас; линза, которая может разрешить только пятно размером 6 микрон, на самом деле сдерживает вас. Вы можете продолжать получать разрешение намного дальше точки, в которой линза разрешает пятно размером 1,6 микрона, такое же, как сенсор, так как это:

  КОРЕНЬ (1.2) = 2,26 мкм
  

Ваше разрешение будет 220 линий / мм, что все еще значительно ниже индивидуальной разрешающей способности каждого из них, которая составляет 312 линий / мм.

Разрешение оптики

В случае измерительных приложений, проверки очень мелких деталей изображения, а также оптического изображения на очень маленьких пикселях камеры, разрешение оптики представляет особый интерес.

Существуют явные различия в качестве, которые во многом зависят от используемых очков, покрытия линз и всей конструкции оптики.В частности, оптические ошибки, такие как сферическая или хроматическая аберрация, кома и астигматизм, приводят к нечетким изображениям, что приводит к значительному снижению разрешения.

Стандартный объектив

Из-за различных оптических ошибок и меньшего MTF получаются не особо резкие изображения.Оптика не может отображать мелкие структуры с помощью камеры высокого разрешения с размером пикселя 3,45 мкм. Ошибки очень сильные, особенно в углах изображения.

Объектив высокого разрешения

Даже небольшие структуры четко распознаются с помощью сенсора высокого разрешения.Также в пограничных областях изображение выглядит резким. Вырез изображения размером 640×480 пикселей из 5-мегапиксельного изображения (камера с маленьким сенсором размером 3,45 мкм)

Ограничение разрешения: дифракционные эффекты

Свет с его волновыми характеристиками отклоняется на апертуре линзы. Изображение предметного пятна представляется не как идеальное пятно, а как слегка размытое световое пятно, окруженное слабыми концентрическими дифракционными узорами.Чем больше закрывается апертура оптики, тем больше перекрываются дифракционные картины: уменьшается разрешение изображения!

Остановить объектив: ограничение разрешения

Дифракцию света на щели нельзя уменьшить никакими корректирующими мерами, она зависит только от ширины щели (апертуры) и длины волны света. Оптика идеального качества не вызывает каких-либо ошибок изображения, следовательно, резкость изображения определяется только дифракцией (оптика с ограничением дифракции)

Однако на практике становится очевидным, что остановка объектива примерно на 2 ступени диафрагмы заметно улучшает качество изображения.Оптические ошибки, такие как кома, астигматизм, сферические продольные ошибки и т. Д., Уменьшаются за счет остановки, так что прирост качества этого эффекта больше, чем снижение разрешения из-за эффекта дифракции на щели. Начиная с остановки 8, дифракционный эффект обычно снижает разрешение. Более подробная информация представлена ​​в главе «Предельное разрешение и MTF».

Важно для машинного зрения

  • Обратите внимание на высокое оптическое качество ваших линз. Они должны быть способны копировать мелкие структуры на датчике.Прежде всего, решающее значение имеет размер пикселя сенсора камеры. Чем меньше пиксели сенсора, тем выше должно быть разрешение оптики!
  • При достаточном освещении остановите оптику примерно на 2 диафрагмы. Слишком мало света можно компенсировать улучшением освещения или контроллером светодиодной вспышки. Если свет слишком интенсивный и слишком малое экспонирование сенсора привело к ухудшению изображения, нейтральный серый фильтр может помочь избежать слишком сильного опускания линзы.
  • Скорее используйте коротковолновый свет, поскольку дифракционные эффекты также связаны с длиной волны. Для диапазона видимого света это означает, что вам лучше работать с синим или зеленым светом, а не с красным светом.

Вот что на самом деле определяет разрешение вашей камеры

Для начинающих фотографов разрешение является одновременно наиболее легко понимаемым и наиболее неправильно понимаемым аспектом камеры. Большинство людей знают, что это как-то связано с мегапикселями — число, которое четко указано в спецификациях и на упаковке, — и что чем больше мегапикселей, тем больше разрешение.

Это не неправда, но это не вся история.

Какое на самом деле разрешение изображения, сколько вам нужно, и как вы должны инвестировать свой бюджет, чтобы получить его больше? Я обратился к Роджеру Чикала, основателю онлайн-сервиса по аренде оборудования для фотосъемки Lensrentals, чтобы получить ответы. Цикала известен своими обширными тестами объективов и демонтажем оборудования, что обеспечивает уровень понимания, который выходит далеко за рамки спецификаций производителя и заставляет посрамить неопытных любителей камеры (таких как покорный слуга).

Размер сенсора меньше суммы его пикселей

Датчик никогда не сможет реализовать весь потенциал заявленного количества пикселей по разным причинам.

«Я думаю, что мегапиксели — это своего рода« максимальное разрешение, которое вы можете получить », — пояснил Чикала. «Конечно, вы никогда не получите всего этого. Массив Байера и фильтры сглаживания, если они есть, несколько снижают разрешение ».

Массив Байера — это фильтр RGB, который отвечает за превращение сенсора вашей камеры в сенсор, который действительно видит цвет. Вот так. Датчик изображения сам по себе может видеть только черно-белое изображение.

Массив Байера накладывает красный, зеленый или синий фильтр на каждый отдельный пиксель.Камера знает, каким пикселям назначен какой цвет, и использует алгоритм для «демозаики» сенсора в полноцветное изображение, присваивая значение RGB каждому пикселю.

Проблема с этим подходом состоит в том, что цвет добавляется за счет пространственного разрешения. Всего у вас может быть 24 миллиона пикселей, но у вас есть только 12 миллионов зеленых, 6 миллионов красных и 6 миллионов синих. Процесс демозаики работает довольно хорошо, но, очевидно, есть некоторые потери по сравнению с тем, что было бы возможно, если бы полные данные RGB были захвачены для каждого отдельного пикселя.

Фильтр сглаживания (также называемый оптическим фильтром нижних частот) немного отличается. Расположенный перед датчиком, он намеренно размывает мелкие детали, чтобы предотвратить появление муара. Муар — это то, что происходит, когда вы пытаетесь сфотографировать очень тонкий узор, например, на некоторых тканях, без достаточного количества пикселей для точного воспроизведения узора. Это часто проявляется в виде зубчатого вторичного рисунка, напоминающего радугу.

На этой обрезанной фотографии, сделанной на Panasonic Lumix S1, хорошо виден муар в красном свитере.

Но многие производители сегодня предпочли отказаться от фильтров сглаживания. По мере увеличения количества пикселей и уменьшения их размера вероятность появления муара уменьшается. Например, вы вряд ли столкнетесь с Муаром на 47-мегапиксельном Panasonic Lumix S1R, но я могу лично поручиться за то, что это все еще проблема на 24-мегапиксельном Lumix S1.

Конкурирующие цели увеличения разрешения и подавления муара привели к появлению ряда новаторских решений на протяжении многих лет. От датчиков Fujifilm X-Trans до чипа Sigma Foveon X3 в камерах, таких как SD Quattro H, и до камер Leica Monochrom, которые полностью отказываются от цвета, производители вели эту битву с разной степенью успеха.

Но даже с самым лучшим датчиком есть еще кое-что, что помешает ему полностью раскрыть свой потенциал.

Объективы тоже имеют разрешение

Объектив перед камерой так же важен для окончательного разрешения изображения, как и датчик, но идеальных объективов нет. Как сказал Cicala, с любым объективом «изображение, отправляемое на датчик, имеет меньшее разрешение, чем объект в реальной жизни. По сути, если у вас «возможное» разрешение 48 мегапикселей, то, что вы фактически получите при создании изображения, будет меньше 48 мегапикселей.”

Sigma 105mm F1.4 Art — один из самых резких объективов, которые мы тестировали. Daven Mathies / Digital Trends

Другими словами, независимо от того, насколько хорош ваш датчик, у него нет шансов стать настолько хорошим, насколько это возможно. Свет, который он получает, уже потускнел.

«Приятно думать так:« Если у меня есть объектив с разрешением 48 мегапикселей, а мой датчик — 48 мегапикселей, я получаю 48 мегапикселей ». Реальность такова, что каждый шаг в создании изображения приводит к потере разрешения».

Можно использовать пиксели в качестве индикатора разрешения сенсора камеры, но у объективов, конечно, нет пикселей.Вместо этого тесты линз будут смотреть, сколько пар линий на миллиметр (lp / мм) может воспроизвести линза, и отображать эту информацию в диаграмме функции модульного преобразования (MTF). Вникать во все подробности выходит за рамки данной статьи, но в основном диаграмма MTF показывает, как резкость объектива изменяется от центра к краю.

«Каждый шаг в создании изображения — это потеря разрешения».

Однако, даже если вы потратите время на поиск диаграмм MTF (их публикуют большинство производителей), вы не получите полной картины разрешения объектива.Это связано с тем, что производитель выбирает разрешение для тестирования объектива, а разные производители могут тестировать разные разрешения.

«Для камеры с очень высоким разрешением мелкие детали будут составлять 50 или даже 80 линий / мм», — сказал Чикала. «К сожалению, производители обычно указывают MTF только на уровне 10 линий / мм или 30 линий / мм».

Зачем производителю использовать тест с более низким разрешением? Помните, что MTF показывает разрешение как в центре, так и по краям объектива, поэтому, даже если объектив может разрешать 80 линий / мм в центре, производитель может с осторожностью показать это, если его характеристики по краям не поспевают.Поскольку резкость «от края до края» является преимуществом многих объективов, MTF с более низким разрешением будет выглядеть более впечатляюще при первом покраснении.

Повышение разрешения

Cicala предупреждает, что мы не должны рассматривать объектив как ограничивающий фактор в системе камеры. Даже плохой объектив будет работать лучше с хорошим датчиком, поэтому вы получите разрешение, установив камеру с более высоким мегапикселем, даже если вы не обновите объективы.

«Убавьте зум и получите пару приличных f / 1.8 простых чисел ».

Тем не менее, он также рекомендует, чтобы замена самого слабого звена в системе была лучшим способом улучшить разрешение — с одной оговоркой. Если вы обновляете объектив, вы обновляете только этот объектив; если вы обновите камеру, вы существенно улучшите все свои объективы.

Однако имейте в виду, что то, что звучит как огромное увеличение количества мегапикселей, на самом деле не так велико, как вы думаете. «Улучшенное разрешение — это квадратный корень из увеличения мегапикселей», — пояснил Чикала. Это означает, что если вы перейдете с 24-мегапиксельной матрицы на 48-мегапиксельную, вы не удвоите разрешение, а получите примерно 1.4-кратное увеличение. Другими словами, вам нужно в четыре раза увеличить количество пикселей, чтобы удвоить разрешение.

Специально для фотографов, у которых уже есть камера в диапазоне от 36 до 45 МП, поэтому изучение нового объектива может быть более эффективным использованием времени, чем пускание слюни над 61-мегапиксельной камерой Sony A7R IV.

«Для подавляющего большинства фотографов, с которыми я общаюсь, самая большая выгода для улучшения изображений — это уменьшить зум и получить пару приличных простых чисел f / 1.8», — сказал Чикала. «Цена, которую вы платите, конечно, гораздо менее удобна; иногда необходимость в значительном увеличении перевешивает преимущество более резкого изображения.”

Насколько разрешения хватит?

На этот вопрос нет универсального ответа, но один из способов подумать об этом — подумать, каким будет ваш окончательный результат. Любая современная камера имеет более чем достаточное разрешение для Интернета и социальных сетей. Например, Instagram, самое популярное приложение для обмена фотографиями, отображает фотографии только с разрешением около 1 мегапикселя.

Для распечаток вы можете сделать некоторые математические вычисления. Триста пикселей на дюйм (PPI) считается золотым стандартом разрешения печати.Если вы хотите распечатать четкие отпечатки размером 8 x 12 дюймов, вам потребуется разрешение 2400 x 3600 пикселей или около 8,6 МП.

Hasselblad X1D 50C имеет 50-мегапиксельную матрицу среднего формата. Скачать полное разрешение

Похоже, индустрия остановилась на 24 мегапикселях в качестве стандарта для камер уровня от новичка до энтузиастов (и даже некоторых профессиональных моделей). И для большинства людей 24-мегапиксельная матрица в сочетании с хорошим объективом дает большое разрешение, которого, безусловно, достаточно для всех распространенных размеров печати. Однако есть некоторые случаи, когда нужно больше, от создания очень больших отпечатков до простого желания свободы кадрирования.

И помните, что даже с лучшим объективом ваш сенсор не может обеспечить такое максимальное разрешение. Вы можете иметь в виду некоторые накладные расходы.

К счастью, есть простой факт человеческого поведения и физики, который может помочь вам, когда дело доходит до отпечатков. Чем больше размер отпечатка, тем дальше люди склонны стоять, глядя на него, и тем меньше деталей на дюйм они будут видеть. Это означает, что в определенных ситуациях вы, скорее всего, можете обойтись менее 300 пикселей на дюйм.

Заключение

Здесь можно сделать два важных вывода.Во-первых, разрешение камеры — это комбинация объектива и сенсора, и хотя ни одна из них не идеальна, но и не обязательно является ограничивающим фактором. Обновление одного из них улучшит внешний вид другого. Очевидно, что вы хотите получить лучшее из обоих миров, но вам не нужно обновлять все одновременно, чтобы заметить преимущества.

Другой вывод: покупать линзы сложно. Если вы действительно заинтересованы в максимальном разрешении, вам нужно будет сделать больше, чем просто посмотреть на таблицы MTF, предоставленные производителем, или хотя бы обратить внимание на то, какое разрешение было протестировано.Чтобы по-настоящему понять, как объектив будет работать как часть вашей системы в целом, вам нужно попробовать его на своей камере — вот почему аренда — отличная идея.

Хотя разрешение важно по ряду причин, оно не само по себе делает хорошее изображение. Существует множество других факторов, как объективных, так и субъективных, которые влияют на качество изображения, и не последним из них является ваше собственное творческое видение.

Рекомендации редакции

Интернет-кампус ZEISS Microscopy | Основы микроскопии

Введение

Числовая апертура объектива микроскопа — это мера его способности собирать свет и разрешать мелкие детали образца при работе на фиксированном расстоянии от объекта (или образца).Световые волны, формирующие изображение, проходят через образец и входят в объектив в виде перевернутого конуса, как показано на рисунке 1 (а). Белый свет состоит из широкого спектра электромагнитных волн, длина периода которых составляет от 400 до 700 нанометров. Для справки важно знать, что 1 миллиметр равен 1000 микрометрам, а 1 микрометр равен 1000 нанометрам. Свет зеленого цвета имеет диапазон длин волн с центром в 550 нанометров, что соответствует 0,55 микрометрам. Если небольшие объекты (например, типичный окрашенный образец, установленный на предметном стекле микроскопа) просматриваются через микроскоп, свет, падающий на эти крошечные объекты, преломляется так, что отклоняется от первоначального направления (рис. 1 (а)).Чем меньше размер объекта, тем сильнее будет дифракция падающих световых лучей. Более высокие значения числовой апертуры позволяют более наклонным лучам попадать в переднюю линзу объектива, что дает изображение с более высоким разрешением и позволяет визуализировать меньшие структуры с большей четкостью. На рисунке 1 (а) показана простая система микроскопа, состоящая из объектива и образца, освещаемого коллимированным световым лучом, что было бы в случае, если бы не использовался конденсатор.Свет, дифрагированный образцом, представлен в виде перевернутого конуса с половинным углом ( α ), который представляет пределы света, который может попасть в объектив. Чтобы увеличить эффективную апертуру и разрешающую способность микроскопа, добавлен конденсор (рис. 1 (b)) для создания лучевого конуса на освещающей стороне образца. Это позволяет объективу собирать световые лучи, возникающие в результате больших углов дифракции, увеличивая разрешение системы микроскопа.Сумма апертурных углов объектива и конденсора обозначается как рабочая апертура . Если апертурный угол конденсора совпадает с объективом, достигается максимальное разрешение.

Чтобы можно было сравнить два объектива и получить количественную оценку разрешения, числовая апертура или мера телесного угла, охватываемого объективом, определяется как:

Числовая апертура (NA) = η sin (α) (1)

, где α равно половине угла раскрытия объектива, а η — показатель преломления иммерсионной среды, используемой между объективом и покровным стеклом, защищающим образец (η = 1 для воздуха; η = 1.51 для масла или стекла). Изучив Уравнение (1) , становится очевидным, что показатель преломления является ограничивающим фактором при достижении числовой апертуры более 1,0. Следовательно, чтобы получить более высокие рабочие числовые апертуры, показатель преломления среды между передней линзой объектива и покровным стеклом образца должен быть увеличен. Наибольшая угловая апертура, достижимая с помощью стандартного объектива микроскопа, теоретически должна составлять 180 градусов, что дает значение 90 градусов для полуугла, используемого в уравнении числовой апертуры.Синус 90 градусов равен единице, что говорит о том, что числовая апертура ограничена не только угловой апертурой, но и показателем преломления среды изображения. На практике углы апертуры, превышающие 70–80 градусов, встречаются только в объективах с наивысшими характеристиками, которые обычно стоят тысячи долларов.

Разрешение оптического микроскопа определяется как наименьшее расстояние между двумя точками на образце, которые все еще можно различить как два отдельных объекта.Разрешение напрямую связано с полезным увеличением микроскопа и пределом восприятия деталей образца, хотя это в некоторой степени субъективное значение в микроскопии, потому что при большом увеличении изображение может казаться не в фокусе, но все же разрешается с максимальной разрешающей способностью. объективные и вспомогательные оптические компоненты. Из-за волновой природы света и дифракции, связанной с этими явлениями, разрешение объектива микроскопа определяется углом, под которым световые волны могут попадать в переднюю линзу, и поэтому прибор называется дифракционным с ограничением .Этот предел является чисто теоретическим, но даже теоретически идеальный объектив без каких-либо ошибок изображения имеет конечное разрешение.

Наблюдатели упустят мелкие нюансы изображения, если объектив проецирует на промежуточную плоскость изображения детали, которые меньше разрешающей способности человеческого глаза (ситуация, которая типична при малых увеличениях и больших числовых апертурах). Явление пустого увеличения произойдет, если изображение будет увеличено сверх физической разрешающей способности изображений.Иммерсионная среда

Одним из способов увеличения оптической разрешающей способности микроскопа является использование иммерсионных жидкостей между передней линзой объектива и покровным стеклом. Большинство объективов с увеличением от 60 до 100 (и выше) предназначены для использования с иммерсионным маслом. Хорошие результаты были получены с маслом с показателем преломления n = 1,51, который точно соответствует показателю преломления стекла. Таким образом устраняются все отражения на пути от объекта к объективу.Если бы этот прием не использовался, отражение всегда приводило бы к потере света в покровном стекле или на передней линзе в случае больших углов (рис. 2).

Полезная числовая апертура объектива и, следовательно, разрешающая способность будут уменьшены из-за отражения, описанного выше. Числовая апертура объектива также в определенной степени зависит от величины коррекции оптической аберрации. Объективы с высокой коррекцией обычно имеют гораздо большую числовую апертуру для соответствующего увеличения, как показано в таблице 1.

Числовая апертура объектива в сравнении с оптической коррекцией

Увеличение Plan Achromat
(NA)
Plan Fluorite
(NA)
Plan Apochromat
(NA)
0,5 х 0,025 н / д н / д
1x 0.04 н / д н / д
2x 0,06 0,08 0,10
4x 0,10 0,13 0,20
10x 0.25 0,30 0,45
20x 0,40 0,50 0,75
40x 0,65 0,75 0,95
40x (масло) н / д 1.30 1,40
63x 0,75 0,85 0,95
63x (масло) н / д 1,30 1,40
100x (масло) 1,25 1.Диск Эйри и разрешение микроскопа

Когда свет от различных точек образца проходит через объектив и воссоздается в виде изображения, различные точки образца появляются на изображении как маленькие узоры (не точки), известные как узоры Эйри. Это явление вызвано дифракцией или рассеянием света при его прохождении через мельчайшие части и промежутки в образце и круглую заднюю апертуру объектива. Предел, до которого два небольших объекта по-прежнему видны как отдельные объекты, используется как мера разрешающей способности микроскопа.Расстояние, на котором достигается этот предел, известно как эффективное разрешение микроскопа и обозначается как d 0 . Разрешение — это значение, которое может быть получено теоретически с учетом оптических параметров прибора и средней длины волны освещения.

Прежде всего важно знать, что объектив и линза тубуса отображают точку в объекте (например, маленькое отверстие в металлической фольге) не как яркий диск с четко очерченными краями, а как слегка размытое пятно, окруженное дифракционными кольцами, называемыми дисками Эйри (см. рис. 3 (а)).Трехмерные представления дифракционной картины вблизи промежуточной плоскости изображения известны как функция рассеяния точки (рис. 3 (b)). Диск Эйри — это область, окруженная первым минимумом воздушной картины, и она содержит примерно 84 процента световой энергии, как показано на Рисунке 3 (c). Функция рассеяния точки — это трехмерное представление диска Эйри.

Разрешение может быть рассчитано по известной формуле, введенной Эрнстом Аббе в конце 19 века, и представляет собой меру резкости изображения светового микроскопа:

Разрешение
x, y = λ / 2 [η • sin (α)] (2) Разрешение z = 2λ / [η • sin (α)] 2 (3)

, где λ — длина волны света, η представляет собой показатель преломления среды формирования изображения, как описано выше, а объединенный термин η • sin (α) известен как числовая апертура объектива ( NA ) .Объективы, обычно используемые в микроскопии, имеют числовую апертуру менее 1,5, что ограничивает термин α в уравнениях (2) и (3) до менее 70 градусов (хотя новые высокоэффективные объективы близко подходят к этому пределу). ). Следовательно, теоретический предел разрешения на самой короткой практической длине волны (приблизительно 400 нанометров) составляет около 150 нанометров в поперечном измерении и приближается к 400 нанометрам в осевом измерении при использовании объектива с числовой апертурой 1.40. Таким образом, структуры, которые расположены ближе, чем это расстояние, не могут быть разрешены в боковой плоскости с помощью микроскопа. Из-за центрального значения взаимосвязи между показателем преломления среды формирования изображения и угловой апертурой объектива, Аббе ввел понятие числовой апертуры в ходе объяснения разрешающей способности микроскопа.

Дифракционные кольца в диске Эйри вызваны ограничивающей функцией апертуры объектива, так что объектив действует как отверстие, за которым находятся дифракционные кольца.Чем больше апертура объектива и конденсора, тем меньше будет d 0 . Таким образом, чем выше числовая апертура всей системы, тем лучше разрешение. Одно из нескольких уравнений, связанных с исходной формулой Аббе, которые были выведены для выражения взаимосвязи между числовой апертурой, длиной волны и разрешением:

Разрешение
x, y или d 0 = 1,22λ / [NA Obj + NA Con ] (4)

Где λ — длина волны света для изображения, NA Con — числовая апертура конденсатора, а NA Obj — числовая апертура объектива.Коэффициент 1,22 был взят из расчета для случая, показанного на рисунке 4, для близкого сближения двух дисков Эйри, где профили интенсивности были наложены друг на друга. Если две точки изображения находятся далеко друг от друга, их легко распознать как отдельные объекты. Однако, когда расстояние между дисками Эйри все больше уменьшается, предел достигается, когда главный максимум второго диска Эйри совпадает с первым минимумом первого диска Эйри.Наложенные профили отображают два максимума яркости, разделенных впадиной. Интенсивность в долине снижается примерно на 20 процентов по сравнению с двумя максимумами. Этого достаточно, чтобы человеческий глаз мог видеть две отдельные точки, предел, который называется критерием Рэлея .

Сравнение может помочь понять это. Маловероятно, что телефонный кабель будет использоваться для электронной передачи тонкого звука скрипки, поскольку пропускная способность этой среды очень ограничена.Намного лучшие результаты получаются при использовании высококачественных микрофонов и усилителей, частотный диапазон которых идентичен диапазону человеческого слуха. В музыке информация содержится в средних звуковых частотах; однако тонкие звуковые нюансы содержатся в высоких обертонах. В микроскопе тонкости структуры закодированы в дифрагированном свете. Если вы хотите увидеть их в пространстве изображения позади цели, вы должны убедиться, что они сначала собраны целью.Это становится проще с более высоким углом раскрытия и, следовательно, увеличенной числовой апертурой.

Числовая апертура объективов увеличивается с увеличением примерно до 40x (см. Таблицы 1 и 2), но выравнивается между 1,30 и 1,40 (в зависимости от степени коррекции аберрации) для масляных иммерсионных версий. В таблице 2 представлены расчетные значения разрешения задач, обычно используемых в исследовательских и учебных лабораториях. Двухточечное разрешение на образце, d 0 , указано в таблице вместе с увеличенным размером изображения ( D 0 ) в промежуточной плоскости окуляра (с использованием зеленого света с длиной волны 550 нанометров). ).Также в таблице значение n представляет количество разрешенных пикселей, если они организованы в линейный массив по диаметру поля 20 миллиметров (20 миллиметров / D 0 ).

Разрешение для избранных целей

Объектив / нет данных d 0
(мкм)
D 0
(мкм)
n
0.5x / 0,15 2,2 11,2 1786
10x / 0,30 1,1 11,2 1786
20x / 0,50 0,7 13,4 1493
40x / 0.75 0,45 17,9 1117
40x / 1,30 (масло) 0,26 10,3 1942
63x / 1,40 (масло) 0,24 15,1 1325
100x / 1.30 (масло) 0,26 25,8 775
Таблица 2

Не следует пытаться увеличить общее увеличение микроскопа с помощью окуляров с большим дополнительным увеличением (например, 16x, 20x или 25x) или других оптических дожигателей, если объектив не обеспечивает достаточное количество пикселей при низкой числовой апертуре. .С другой стороны, вы упустите тонкие нюансы, если объектив проецирует очень мелкие детали на промежуточное изображение, а вы используете окуляр с малым увеличением. Чтобы наблюдать мелкие детали образца в оптическом микроскопе, мелкие детали, присутствующие в образце, должны иметь достаточный контраст и проецировать промежуточное изображение под углом, который несколько превышает угловую разрешающую способность человеческого глаза. Как упоминалось ранее, общее комбинированное увеличение (объектива и окуляра) микроскопа должно быть больше 500x, но меньше 1000x апертуры объектива.Это значение известно как диапазон полезного увеличения .

В повседневных рутинных наблюдениях многие микроскописты не пытаются добиться наивысшего разрешения изображения, которое возможно с их оборудованием. Разрешающая способность микроскопа является наиболее важной характеристикой оптической системы и влияет на способность различать мелкие детали конкретного образца. Основным фактором при определении разрешения является числовая апертура объектива, но разрешение также зависит от типа образца, когерентности освещения, степени коррекции аберрации и других факторов, таких как методика повышения контрастности в оптической системе микроскопа или в самом образце.Практические советы по увеличению решающей силы

Современные объективы микроскопов позволяют реализовать теоретическую разрешающую способность на практике при условии наблюдения за подходящими образцами. Однако есть несколько советов, которым можно следовать, чтобы добиться успеха. Они перечислены ниже.