От чего зависит разрешение снимка и его контраст?

Во времена плёнки было всё просто, разрешающей способностью материала считали количество линий на единицу площади, которые могли быть сфотографированы на этот материал, и которые при этом не сливались между собой. При этом такое разрешение было равномерным, не зависимо от угла поворота линий по отношению к формату кадра, т.е. к основе плёнки. С приходом цифры всё изменилось. Сам растровый файл, представляет собой поле с набором квадратных по форме ячеек, как бумага в клеточку, и любой прямоугольный или линейный объект, будет чётко отображён только при параллельности его линий этой самой сетке растрового формата. При любом произвольном повороте, для такого растрового прямоугольника происходит сглаживание его кромки на границе чёрного и белого с появлением промежуточных серых пикселей изображения – сглаживание кромки линии или прямоугольника, необходимо для того, что бы визуально она нами не воспринималась как рыхлая структура.

Рис.1. Плашка, что повёрнута на 30°

И вместе с тем, у кромки такого объекта происходит естественная при сглаживании потеря краевого контраста. Т.е. та же сфотографированная нами мира, состоящая из двух линий будет давать разную разрешающую способность при углах 90° и 180°, и при других произвольных углах. Если взять во внимание, что диагональ прямоугольного равностороннего треугольника В=КОРЕНЬ(А^2+A^2)=1,414214 отличается от его двух других сторон А , где А=1px, на величину ~1,4, то точно на такую же величину будет падать и разрешение сфотографированной миры при таком её максимальном угле поворота равном 45°. При этом само количество переходных пикселей при таком угле поворота будет минимальным, и неизменно будет расти, относительно большей стороны треугольника, при более малых углах поворота нашей кромки, ведь мы выяснили, что резкость любого растрового прямоугольника или линии, падает именно благодаря появлению сглаживания на его кромке при повороте. Этим и пользуются в полиграфии, при сканировании делая запас размера изображения, на величину близкую к 1,4 (берут обычно разницу в1,5 раза) с учётом, что такое изображение может быть повёрнуто в макете на произвольный угол.

Рис.2. Плашка, что повёрнута на 30° и к ней добавлен шум, близкий к тому, что получается при фотосъёмке.

Но вот тут то нас и ожидает ещё один подводный камень. На одних фото матрицах, структура самой матрицы состоящей из набора светочувствительных отдельных датчиков, близка к растровому файлу, где при этом ещё часть из них отвечает за одни цвета RGB, а часть за иные. Так, например, окрашенные зелёным ячейки матрицы могут составлять диагональную сетку, а красными и синими, оставшиеся ячейки, и при этом чередующиеся через ряд. Т.е. так как энергия зелёного канала всегда выше, этих ячеек сделали на матрице в объёме, в два раза большем, чем красных и синих, что бы по ним оценивать светлоту тона. Но уже есть матрицы, где набор с ячейками не подобен сетке квадратов, а представляет сотовую структуру, или сами ряды квадратов при этом ещё сдвинуты в разбежку, друг относительно друга. А есть уже и такие, которые оценивают все три значения базовых цветов через одну единственную ячейку. Но мы не будем так далеко углубляться в строение фото-матриц, а лишь сделаем важный для нас вывод, что разрешающая способность каждого отдельного канала RGB будет отличаться, как и сами шумы в этих каналах.

Рис.3. Приём анализа по гистограмме кромки тестовой миры в ФШ.

Но есть ещё одно «но», сами матрицы бывают разных размеров, от того на одной и той же площади может быть разное количество пикселей матрицы воспринимающих свет. И если принять во внимание разрешение самой оптики, то матрица с ячейками большего формата, будет точнее передавать детали, за счёт большего количества света который она получает через оптическую среду объектива, что имеет свою разрешающую способность. Т.е. закрывая диафрагму, мы уменьшаем и светосилу, но не только оптики, а как следствие и матрицы, в оценке переходов тона. При этом для матрицы малого размера, не будет столь критично светосильная оптика или нет, и та и другая будет мазать мелкие детали при полностью закрытой диафрагме. А вот переставь мы эту же оптику на фотоаппарат, пусть с тем же разрешением физическим, но с матрицей большего размера, и светосила самой оптики уже будет хорошо различима. Вывод пост, при росте разрешения матрицы относительно одного и того же формата, допустим в приделах формата APS-C, возникает необходимость и в боле светосильной оптике, а при снижении разрешения, с целью отображения контраста той же степени уже нужна и менее светосильная оптика. Так мы пришли к самому главному выводу – оценивать разрешение можно лишь для системы, - тушка фотоаппарата с конкретной матрицей (по типу, типоразмеру и разрешению) плюс объектив, «заточенный» под данный типоразмер матрицы имеющий при этом определённую светосилу, что для нас более ясно, как параметр максимально открытой диафрагмы.

Рис.4. Физические размеры матриц разного стандарта, не зависимо от их физического разрешения.

Давайте теперь остановимся и перечислим те факторы, которые влияют на разрешающую способность такой системы. На конечное разрешение снимка в цифровом формате влияют:

- типоразмер матрицы, чем больше физический размер последней, при одном и том же го разрешении, тем точнее и менее шумно он отображает тона света.

- разрешение матрицы и её конструктивные особенности, влияющие на шумы при разной освещённости сцены, точность цветопередачи и динамический диапазон воспроизводимых тонов.

- алгоритм пересчёта в АПЦ (аналогово-цифровом преобразователе) фотокамеры, из одной геометрической структуры присущей конкретной матрице, в геометрически «клеточную» структуру растрового конечного файла.

- система шумоподавления, прошитая в АПЦ, которая может влиять, не только на шум, но и на деталировку изображения, т.е. на его микроконраст, что в свою очередь будет зависеть от алгоритмов использованных производителем в АПЦ конкретной камеры.

- светосила нашего объектива и его хроматические аберрации.

Рис.5. Штриховая мира, для определения пространственной частоты растра.

В чём же измеряют разрешение для цифровой фотографии? Если для обычной фотографии, это количество линий на единицу площади, что различимы между собой, то для цифры, за единицу принята пара линий (тёмная и светлая), имеющих отличие по тону, большее, чем шум при данной светлоте. По сути, это и есть условие различимости таких линий. Количество пар линий на миллиметр (pl/mm) или сантиметр (pl/сm), или дюйм (pl/i). При этом не стоит этот показатель путать с физическим разрешением растрового файла принятого для полиграфического растра при заданном его разрешении (lpcm, lpi) – количество точек соотносимое с физическим размером определённой площади, или с физическим количеством точек в растровой структуре такого файла (ppi) – общее геометрическое количество точек растровой структуры.

Рис.6. Принципиальный чертёж штриховой миры. Для съёмки в одном выбраном размере, вам понадобятся ещё 2а таких же изображения, но смещённые на 45°. Каждые четыре изображения нужно уменьшить до получения штрихов разной толщины и подписать их, как количество линий на см. После чего такой файл нужно распечатать и в дальнейшем его можно использовать для тестирования вашей оптики. Можно его же снять и с монитора, понимая что вы при этом делаете, но уже только два изображения (как на чертеже), без повёрнутой на 45° пары. Просто вам понадобятся два снимка, где второй, это снимок, когда уже сама камера повёрнута на 45° относительно линии горизонта. 

То есть контраст связан напрямую с разрешением (pl/mm), как некая различимость одного тона от другого доступная для дальнейшей обработки, где на это влияют ещё и шумы в разных частях тонового диапазона, причины которых могут быть различны. Если учесть то, что при повороте нашей чёрно белой плашки, её кромка уже имеет переходные точки тона, образуя в разных сечениях размером в 1px растяжки, то между двумя штрихами классической миры исследующей разрешение оптики, будет таких два перехода – две растяжки, от светлого к тёмному. Становится понятным, что нет необходимости исследовать обе растяжки и достаточным будет всего одна, т.е. растяжка нашей кромки, между двумя тонами. При этом различие тонов, должно быть большим, чем шум в этом же диапазоне светлоты. Вот отсюда и появились два типа мир, для исследования разрешающей способности.

Рис.7.Синусоидальная мира Нормана Корена. На иллюстрации показан анализ миры в ФШ. В нижней части тестовый сниморк по максимуму законтращен, с целью проявить детали. Значение разрешения есть на самой отснятой шкале.

ФПМ (функция передачи модуляции) или MTF, определяет светосилу оптики по мирам. Миры бывают штриховые и синусоидальные и т.д. Сам по себе контраст или различимость штрихов в мире, понятие относительное, для чего и придумали графики MTF, которые как профили показывают кривые, характеризующие разны параметры оптики при разных диафрагмальных отверстиях. По сути, для измерения MTF достаточно исследовать наклонную кромку, отделяющую тёмный тон, от более светлого тона. И, как максимальное такое различие, - различие чёрного от белого тона. Синусоидальное изменение плотности более приемлемо для растрового изображения, чем штриховое. Половина синусоиды, то есть пол расстояния от одного штриха до другого, это и есть срез (длина растяжки в пикселях) шей кромки. Именно это мы и исследуем, пытаясь ответить себе на вопрос, - какая оптика нужна для нашей цифровой камеры, и как исследовать её разрешающую способность!

Рис.7.Миры в полном комплекте, согласно стандарта ISO-1233.

Но такая мира не всегда есть под рукой, каки софт, что её анализирует по MFT. От того выше я привёл две штриховые миры, а за одно и чертёж, который поможет вам составить для себя тестовую шкалу для исследования разрешающей способности вашей системы - "фотоаппарат + объектив""