QUALITÀ DELLA LENTE:MTF, RISOLUZIONE E CONTRASTO

La qualità dell'obiettivo è più importante che mai, a causa del numero sempre crescente di megapixel che si trovano nelle moderne fotocamere digitali. Spesso, la risoluzione delle tue foto digitali è effettivamente limitata dall'obiettivo della fotocamera e non dalla risoluzione della fotocamera stessa. Tuttavia, decifrare i grafici MTF e confrontare la risoluzione di obiettivi diversi può essere una scienza a sé stante. Questo tutorial offre una panoramica dei concetti e dei termini fondamentali utilizzati per valutare la qualità delle lenti. Per lo meno, si spera che ti faccia riflettere due volte su ciò che è importante quando acquisti la tua prossima fotocamera o obiettivo digitale.

RISOLUZIONE E CONTRASTO

È probabile che tutti abbiano familiarità con il concetto di risoluzione dell'immagine, ma sfortunatamente, spesso viene data troppa enfasi a questa singola metrica. La risoluzione descrive solo la quantità di dettagli che un obiettivo è in grado di catturare, e non necessariamente la qualità dei dettagli che è catturato. Altri fattori, quindi, spesso contribuiscono molto di più alla nostra percezione della qualità e della nitidezza di un'immagine digitale.

Per capirlo, diamo un'occhiata a cosa succede a un'immagine quando passa attraverso l'obiettivo di una fotocamera e viene registrata sul sensore della fotocamera. Per semplificare le cose, utilizzeremo immagini composte da linee bianche e nere alternate ("coppie di linee"). Al di là della risoluzione del tuo obiettivo, queste linee ovviamente non sono più distinguibili:

	→		→
Coppie di linee ad alta risoluzione		Obiettivo		Coppie di linee non risolte

Esempio di coppie di linee più piccole della risoluzione di un obiettivo della fotocamera.

Tuttavia, qualcosa che probabilmente è meno ben compreso è cosa succede ad altre linee più spesse. Anche se sono ancora risolti, questi si deteriorano progressivamente sia nel contrasto che nella nitidezza dei bordi (vedi nitidezza:risoluzione e acutezza) man mano che diventano più fini:

	→		→
Linee progressivamente più sottili		Obiettivo		Contrasto progressivamente inferiore e definizione dei bordi

Per due obiettivi con la stessa risoluzione, la qualità apparente dell'immagine sarà quindi determinata principalmente dal modo in cui ciascun obiettivo conserva il contrasto man mano che queste linee si restringono progressivamente. Tuttavia, per fare un confronto equo tra gli obiettivi, dobbiamo stabilire un modo per quantificare questa perdita di qualità dell'immagine...

MTF:FUNZIONE DI TRASFERIMENTO MODULAZIONE

Una funzione di trasferimento della modulazione (MTF) quantifica quanto bene le variazioni di luminosità regionali di un soggetto vengono preservate quando passano attraverso l'obiettivo di una fotocamera. L'esempio seguente illustra una curva MTF per un obiettivo perfetto*:

Aumento della frequenza delle coppie di linee →
All'estrema destra =risoluzione massima/limite di diffrazione.

Nota:la spaziatura tra le linee bianche e nere è stata esagerata per migliorare la visibilità.
La curva MTF assume un'apertura circolare; altre forme di apertura produrranno risultati leggermente diversi.

*Un obiettivo perfetto è un obiettivo i cui dettagli sono limitati solo dalla diffrazione.
Vedi tutorial sulla diffrazione in fotografia per uno sfondo su questo argomento.

Un MTF di 1,0 rappresenta una perfetta conservazione del contrasto, mentre valori inferiori a questo significano che si perde sempre più contrasto, fino a un MTF di 0, in cui le coppie di linee non possono più essere affatto distinte. Questo limite di risoluzione è una barriera inevitabile con qualsiasi obiettivo; dipende solo dall'apertura dell'obiettivo della fotocamera e non è correlato al numero di megapixel. La figura seguente confronta un obiettivo perfetto con due esempi reali:

Aumento della frequenza delle coppie di linee →

Obiettivo della fotocamera di altissima qualità (vicino al limite di diffrazione)

Obiettivo per fotocamera di bassa qualità (lontano dal limite di diffrazione)

Confronto tra un obiettivo ideale con diffrazione limitata (linea blu) e obiettivi per fotocamere reali.
L'illustrazione della coppia di linee sotto il grafico non si applica all'obiettivo perfetto.
Sposta il mouse su ciascuna delle etichette per vedere come spesso differiscono gli obiettivi di alta e bassa qualità.

La linea blu sopra rappresenta la curva MTF per una perfetta lente "limitata alla diffrazione". Nessun obiettivo del mondo reale è limitato solo dalla diffrazione, sebbene gli obiettivi per fotocamere di fascia alta possano avvicinarsi molto a questo limite rispetto agli obiettivi di qualità inferiore.

Le coppie di linee sono spesso descritte in base alla loro frequenza:il numero di linee che rientrano in una data unità di lunghezza. Questa frequenza è quindi solitamente espressa in termini di "LP/mm", il numero di coppie di linee (LP) concentrate in un millimetro (mm). In alternativa, a volte questa frequenza è invece espressa in termini di larghezze di linea (LW), dove due LW equivalgono a un LP.

La frequenza di linea più alta che un obiettivo può riprodurre senza perdere più del 50% dell'MTF ("MTF-50") è un numero importante, perché si correla bene con la nostra percezione della nitidezza. Un obiettivo di fascia alta con un MTF-50 di 50 LP/mm apparirà molto più nitido di un obiettivo di qualità inferiore con un MTF-50 di 20 LP/mm, ad esempio (supponendo che questi siano utilizzati sulla stessa fotocamera e al stessa apertura; ne parleremo più avanti).

Tuttavia, il grafico MTF rispetto alla frequenza di cui sopra non è normalmente il modo in cui vengono confrontati gli obiettivi. Conoscere solo la (i) risoluzione massima e (ii) MTF a forse due frequenze di linea diverse è solitamente un'informazione più che sufficiente. Ciò che spesso conta di più è sapere come cambia l'MTF a seconda della distanza dal centro della tua immagine.

L'MTF viene solitamente misurato lungo una linea che parte dal centro dell'immagine e in un angolo più lontano, per una frequenza di linea fissa (di solito 10-30 LP/mm). Queste linee possono essere parallele alla direzione che si allontana dal centro (sagittale) o perpendicolari a questa direzione (meridionale). L'esempio seguente mostra come queste linee potrebbero essere misurate e mostrate su un grafico MTF per una fotocamera full frame da 35 mm:

Coppie di linee meridionali (circolari)

Coppie di linee sagittali (radiali)

→ Distanza dal centro [mm]

I dettagli al centro di un'immagine avranno virtualmente sempre l'MTF più alto e le posizioni più lontane dal centro avranno spesso valori MTF progressivamente più bassi. Questo è il motivo per cui gli angoli degli obiettivi della fotocamera sono praticamente sempre la parte più morbida e di qualità più bassa delle tue foto. Discuteremo il motivo per cui le linee sagittale e meridionale divergono in seguito.

COME LEGGERE UN TABELLA MTF

Ora possiamo finalmente mettere in pratica tutti i concetti di cui sopra confrontando le proprietà di un obiettivo zoom con un obiettivo a focale fissa:

Obiettivo Canon 16-35mm f/2.8L II
(zoom impostato a 35 mm) Obiettivo Canon 35mm f/1.4L a focale fissa

Sull'asse verticale, abbiamo il valore MTF di prima, con 1.0 che rappresenta la perfetta riproduzione delle coppie di linee e 0 che rappresenta le coppie di linee che non sono più distinte l'una dall'altra. Sull'asse orizzontale, abbiamo la distanza dal centro dell'immagine, con 21,6 mm come angolo più lontano su una fotocamera da 35 mm. Per un sensore ritagliato 1,6X, puoi ignorare tutto ciò che va oltre i 13,5 mm. Inoltre, qualsiasi cosa oltre i 18 mm circa con un sensore full frame sarà visibile solo negli angoli estremi della foto:

Nota:per un sensore 1,5X, l'angolo più lontano è a 14,2 mm e il bordo più lontano è a 11,9 mm.
Vedi il tutorial sulle dimensioni del sensore della fotocamera digitale per ulteriori informazioni su come queste influiscono sulla qualità dell'immagine.

Tutte le linee di aspetto diverso nei grafici MTF sopra possono inizialmente essere travolgenti; la chiave è guardarli individualmente. Ogni riga rappresenta un MTF separato in condizioni diverse. Ad esempio, una linea potrebbe rappresentare i valori MTF quando l'obiettivo si trova a un'apertura di f/4,0, mentre un'altra potrebbe rappresentare i valori MTF a f/8,0. Un grosso ostacolo per capire come leggere un grafico MTF è imparare a cosa si riferisce ogni riga.

Ogni riga sopra ha tre stili diversi:spessore, colore e tipo. Ecco una ripartizione di ciò che ciascuno di questi rappresenta:

Spessore linea:	Grassetto → 10 LP/mm - contrasto su piccola scala Sottile → 30 LP/mm - risoluzione o dettagli fini
Colore linea:	Blu → Apertura a f/8.0 Nero → Apertura a tutta apertura
Tipo di linea:	Coppie di linee tratteggiate → meridionali (concentriche) Coppie di linee continue → sagittali (radali)

Poiché una determinata linea può avere qualsiasi combinazione di spessore, colore e tipo, il grafico MTF sopra ha un totale di otto diversi tipi di linee. Ad esempio, una curva in grassetto, blu e tratteggiata descriverebbe l'MTF delle linee meridionali di 10 LP/mm a un'apertura di f/8.0.

Linee nere . Questi sono più importanti quando si utilizza l'obiettivo in condizioni di scarsa illuminazione, è necessario bloccare un movimento rapido o è necessaria una profondità di campo ridotta. L'MTF delle linee nere sarà quasi sempre uno scenario peggiore (a meno che non si utilizzino aperture insolitamente piccole).

Nell'esempio sopra, le linee nere sfortunatamente non sono un giusto confronto tra mele e mele, poiché un'apertura ampia è diversa per ciascuno degli obiettivi sopra (f/2.8 sullo zoom vs f/1.4 sul primo). Questo è il motivo principale per cui le linee nere appaiono molto peggio per l'obiettivo principale. Tuttavia, dato che l'obiettivo principale ha un tale handicap, lo fa in modo abbastanza ammirevole, specialmente a 10 LP/mm al centro e a 30 LP/mm verso i bordi dell'immagine. È quindi molto probabile che l'obiettivo principale superi l'obiettivo zoom quando entrambi sono a f/2.8, ma non possiamo dirlo con certezza basandoci solo sui grafici sopra.

Linee blu . Questi sono più rilevanti per la fotografia di paesaggi o altre situazioni in cui è necessario massimizzare la profondità di campo e la nitidezza. Sono anche più utili per i confronti perché le linee blu devono essere sempre alla stessa apertura:f/8.0.

Nell'esempio sopra, l'obiettivo principale ha un MTF migliore in tutte le posizioni, sia per i dettagli ad alta che a bassa frequenza (30 e 10 LP/mm). Il vantaggio dell'obiettivo principale è ancora più pronunciato verso le regioni esterne dell'immagine della fotocamera.

Linee in grassetto e linee sottili . Le linee in grassetto descrivono la quantità di "pop" o contrasto su piccola scala, mentre le linee sottili descrivono dettagli o risoluzione più fini. Le linee in grassetto sono spesso una priorità poiché valori elevati possono significare che le tue immagini avranno un aspetto più tridimensionale, simile a quello che accade quando si esegue il miglioramento del contrasto locale.

Nell'esempio sopra, entrambi gli obiettivi hanno un contrasto simile a f/8.0, sebbene l'obiettivo principale sia leggermente migliore qui. L'obiettivo zoom perde a malapena il contrasto quando viene utilizzato a tutta apertura rispetto a f/8.0. D'altra parte, l'obiettivo principale perde un po' di contrasto quando si passa da f/8.0 a f/1.4, ma questo è probabilmente dovuto al fatto che f/1.4-f/8.0 è un cambiamento molto maggiore rispetto a f/2.8-f/8.0 .

ASTIGMATISMO:LINEE SAGITTALI vs. LINEE MERIDIONALI

Linee tratteggiate contro linee continue . A questo punto probabilmente ti starai chiedendo:perché mostrare l'MTF per entrambe le coppie di linee sagittali ("S") e meridionali ("M")? Non sarebbero gli stessi? Sì, al centro diretto dell'immagine sono sempre identici. Tuttavia, le cose diventano più interessanti progressivamente più lontano dal centro. Ogni volta che le linee tratteggiate e continue iniziano a divergere, significa che la quantità di sfocatura non è uguale in tutte le direzioni. Questo artefatto che riduce la qualità è chiamato "astigmatismo ," come illustrato di seguito:

Seleziona il tipo di aberrazione:

Astigmatismo:MTF in S> M

Astigmatismo:MTF in M ​​> S

Nessun astigmatismo:MTF in M=S

Sposta il mouse sulle etichette dell'immagine a destra per vedere l'effetto dell'astigmatismo.
S =linee sagittali, M =linee meridionali
Nota:tecnicamente, la S sopra avrà un MTF leggermente migliore perché è più vicino al centro dell'immagine; tuttavia, ai fini di questo esempio, assumiamo che M&S si trovino in posizioni simili.

Quando l'MTF in S è maggiore che in M, gli oggetti vengono sfocati principalmente lungo le linee che si irradiano dal centro dell'immagine. Nell'esempio sopra, questo fa sì che i punti bianchi appaiano a strisce verso l'esterno dal centro dell'immagine, quasi come se avessero una sfocatura da movimento. Allo stesso modo, gli oggetti sono sfocati nella direzione opposta (circolare) quando l'MTF in M ​​è maggiore che in S. Molti di voi che stanno leggendo questo tutorial in questo momento potrebbero anche utilizzare occhiali che correggono un astigmatismo...

Nota tecnica :Con gli obiettivi grandangolari, è molto più probabile che le linee M abbiano un MTF inferiore rispetto alle linee S, in parte perché queste cercano di preservare una proiezione rettilinea dell'immagine. Pertanto, man mano che l'angolo di campo diventa più ampio, i soggetti vicini alla periferia diventano progressivamente più allungati/distorti in direzioni che si allontanano dal centro dell'immagine. Un obiettivo grandangolare con una significativa distorsione a barilotto può quindi ottenere un MTF migliore poiché gli oggetti alla periferia sono allungati molto meno di quanto sarebbe altrimenti. Tuttavia, questo è solitamente un compromesso inaccettabile con la fotografia architettonica.

Nelle classifiche MTF per lo zoom Canon rispetto all'obiettivo a focale fissa di prima, entrambi gli obiettivi iniziano a mostrare un astigmatismo pronunciato ai bordi dell'immagine. Tuttavia, con l'obiettivo a focale fissa, accade qualcosa di interessante:il tipo di astigmatismo si inverte quando si confronta l'obiettivo a f/1.4 con quello a f/8.0. A f/8.0, l'obiettivo sfoca principalmente in direzione radiale, il che è un evento comune. Tuttavia, a f/1.4 l'obiettivo principale sfoca principalmente in una direzione circolare, il che è molto meno comune.

Cosa significa l'astigmatismo per le tue foto? Probabilmente l'implicazione più grande, oltre all'aspetto unico, è che gli strumenti di affilatura standard potrebbero non funzionare come previsto. Questi strumenti presuppongono che la sfocatura sia uguale in tutte le direzioni, quindi potresti finire per affilare eccessivamente alcuni bordi, lasciando altri bordi ancora sfocati. L'astigmatismo può anche essere problematico con foto contenenti stelle o altre fonti di luce puntiforme, poiché ciò renderà più evidente la sfocatura asimmetrica.

MTF &APERTURE:TROVARE IL "SPOT DOLCE" DI UNA LENTE

L'MTF di un obiettivo in genere aumenta per aperture successive più strette, quindi raggiunge un massimo per aperture intermedie e infine diminuisce di nuovo per aperture molto strette. La figura seguente mostra l'MTF-50 per varie aperture su un obiettivo di alta qualità:

L'apertura corrispondente all'MTF massimo è il cosiddetto "sweet spot" di un obiettivo, poiché le immagini avranno generalmente la nitidezza e il contrasto migliori con questa impostazione. Su una fotocamera con sensore full frame o ritagliata, questo punto debole è solitamente compreso tra f/8.0 e f/16, a seconda dell'obiettivo. La posizione di questo punto debole è anche indipendente dal numero di megapixel della tua fotocamera.

Note tecniche :

• A grandi aperture, risoluzione e contrasto sono in genere limitati dalle aberrazioni della luce.
  Un'aberrazione si verifica quando il design imperfetto dell'obiettivo fa sì che una sorgente di luce puntiforme nell'immagine non converga su un punto del sensore della fotocamera.
• A piccole aperture, risoluzione e contrasto sono in genere limitati dalla diffrazione.
  A differenza delle aberrazioni, la diffrazione è un limite fisico fondamentale causato dalla dispersione della luce e non è necessariamente un difetto del design dell'obiettivo.
• Gli obiettivi di alta e bassa qualità sono quindi molto simili se utilizzati a piccole aperture
  (come f/16-32 su un sensore full frame o ritagliato).
• Le grandi aperture sono dove gli obiettivi di alta qualità si distinguono davvero, perché i materiali e la progettazione dell'obiettivo sono molto più importanti. In effetti, una lente perfetta non avrebbe nemmeno uno "sweet spot"; l'apertura ottimale sarebbe solo a tutta apertura.

Tuttavia, non si dovrebbe concludere che l'impostazione ottimale dell'apertura sia completamente indipendente da ciò che viene fotografato. Il punto debole al centro dell'immagine potrebbe non corrispondere al punto in cui i bordi e gli angoli dell'immagine sembrano migliori; questo spesso richiede un'apertura ancora più stretta. Inoltre, tutto questo presuppone che il soggetto sia perfettamente a fuoco; è probabile che gli oggetti al di fuori della profondità di campo miglioreranno ancora in nitidezza anche quando il tuo f-stop è più grande del cosiddetto punto debole.

CONFRONTO DI DIVERSE MARCHE DI FOTOCAMERE E OBIETTIVI

Un grosso problema con il concetto MTF è che non è standardizzato. Confrontare diversi grafici MTF può quindi essere abbastanza difficile, e in alcuni casi addirittura impossibile. Ad esempio, i grafici MTF di Canon e Nikon non possono essere confrontati direttamente, perché Canon utilizza calcoli teorici mentre Nikon utilizza misurazioni.

Tuttavia, anche se uno eseguisse i propri test MTF, incontrerebbero comunque problemi. Un tipico grafico MTF autogestito rappresenta effettivamente l'MTF totale netto del sistema ottico della tua fotocamera — e non solo l'MTF dell'obiettivo. Questo MTF netto rappresenta il risultato combinato dell'obiettivo, del sensore della fotocamera e della conversione RAW, oltre a qualsiasi nitidezza o altra post-elaborazione. Le misurazioni MTF varieranno quindi a seconda della telecamera utilizzata per la misurazione o del tipo di software utilizzato nella conversione RAW. È quindi pratico confrontare solo i grafici MTF che sono stati misurati utilizzando metodologie identiche.

Sensori ritagliati e full frame . È necessario prestare molta attenzione quando si confrontano i grafici MTF tra fotocamere con sensori di diverse dimensioni. Ad esempio, una curva MTF a 30 LP/mm su una fotocamera full frame non equivale a una diversa curva MTF a 30 LP/mm su un sensore ritagliato 1,6X. Il sensore ritagliato dovrebbe invece mostrare una curva a 48 LP/mm per un confronto equo, perché il sensore ritagliato viene ingrandito di più quando viene trasformato in una stampa della stessa dimensione.

La diversità delle dimensioni del sensore è il motivo per cui alcuni hanno iniziato a elencare la frequenza di linea in termini di immagine o altezza dell'immagine (LP/PH o LP/IH), invece di utilizzare un'unità assoluta come un millimetro. Una frequenza di linea di 1000 LP/PH, ad esempio, ha lo stesso aspetto a una determinata dimensione di stampa, indipendentemente dalle dimensioni del sensore della fotocamera. Si potrebbe sospettare che parte del motivo per cui i produttori continuano a mostrare i grafici MTF a 10 e 30 LP/mm per DX, EF-S e altri obiettivi con sensore ritagliati sia perché ciò migliora l'aspetto dei loro grafici MTF.

LIMITI DEL GRAFICO MTF

Sebbene i grafici MTF siano uno strumento estremamente potente per descrivere la qualità di un obiettivo, presentano ancora molte limitazioni. In effetti, un grafico MTF non dice nulla su:

• Qualità del colore e aberrazioni cromatiche
• Distorsione dell'immagine
• Vignettatura (luce in diminuzione verso i bordi di un'immagine)
• Suscettibilità al riflesso dell'obiettivo della fotocamera

Inoltre, altri fattori come le condizioni della tua attrezzatura e la tecnica della tua fotocamera possono spesso avere un impatto molto maggiore sulla qualità delle tue foto rispetto a piccole differenze nell'MTF. Alcuni di questi fattori di riduzione della qualità potrebbero includere:

• Precisione della messa a fuoco
• Scuotimento della fotocamera
• Polvere sul sensore digitale della fotocamera (consulta il tutorial sulla pulizia del sensore della fotocamera)
• Micro abrasioni, umidità, impronte o altri rivestimenti sull'obiettivo

Ancora più importante, anche se i grafici MTF sono strumenti incredibilmente sofisticati e descrittivi - con un sacco di buona scienza a sostenerli - alla fine niente batte semplicemente ispezionare visivamente un'immagine sullo schermo o su una stampa. Dopotutto, le immagini sono fatte per essere guardate, quindi è tutto ciò che conta davvero alla fine della giornata. Spesso può essere abbastanza difficile discernere se un'immagine avrà un aspetto migliore su un altro obiettivo basato su un MTF, perché di solito ci sono molti fattori in competizione:contrasto, risoluzione, astigmatismo, apertura, distorsione, ecc. Un obiettivo è raramente superiore in tutti questi aspetti allo stesso tempo. Se non riesci a distinguere tra scatti con obiettivi diversi utilizzati in situazioni simili, le discrepanze MTF probabilmente non contano.

Infine, anche se l'MTF di un obiettivo è effettivamente peggiore di quello di un altro, la nitidezza e il miglioramento del contrasto locale possono spesso rendere questo svantaggio impercettibile in una stampa, a condizione che la differenza di qualità originale non sia eccessiva.