Z notatnika optyka: Rozmiar ma znaczenie, część 2

Kolejny odcinek cyklu "Z notatnika optyka" i kolejna część rozważań o tym, że jednak rozmiar ma znaczenie. Zapraszamy do lektury.
Wstęp
Witam w drugim odcinku dwuodcinkowego odcinka o rozmiarach. Dziś o rozmiarach pikseli i matryc, ale nie tyle o ich powierzchni, ile raczej o wymiarach liniowych.

Jak wspomniałem w poprzednim odcinku, jedną z niezmiennych rzeczy jest narzekanie na "wyścig na megapiksele" prowadzony przez producentów aparatów. Jednym z często używanych argumentów przeciwko niemu jest "a po co mi tyle, jak obiektyw i tak ma mniejszą rozdzielczość". A więc rodzi się pytanie: jaką rozdzielczość musi mieć matryca, aby w pełni wykorzystać ostrość obiektywu?

Pojawiło się kilka artykułów próbujących to wyjaśnić. I najczęściej są w nich poważne błędy. Tok rozumowania jest zazwyczaj mniej więcej taki: jeżeli dobry obiektyw ma rozdzielczość, załóżmy, 300 l/mm (to właściwie jest nie "dobry", a rewelacyjny obiektyw, ale istnieją takie) to zakładamy, że wzdłuż każdego boku sensora gęstość pikseli ma być taka sama. Mnożymy to przez rozmiary matrycy i dostajemy liczbę pikseli wszerz i wzwyż. Czyli, jeżeli matryca ma być APS-C, daje nam to ok. 33 milionów pikseli. I to ma być poziom, powyżej którego dalsze zwiększanie rozdzielczości nie da już żadnej poprawy jakości obrazu. Wydaje się logiczne. Ale tylko na pierwszy rzut oka. Tak naprawdę potrzebujemy pikseli sporo więcej. A to z powodu kilku zjawisk, o których w dawnych czasach filmu mogliśmy całkiem zapomnieć. A wynikają one właściwie z jednej poważnej różnicy pomiędzy filmem, a cyfrowym przetwornikiem obrazu.

Wielka różnica pomiędzy filmem, a cyfrą
Tak wygląda w powiększeniu kawałek czarno-białego filmu z Czech o czułości 100. Kawałek o wymiarach 0,74 x 0,59mm. Zdjęcie przedstawia fragment naświetlonego w fabryce numeru klatki.


Póki co najwyższe rozdzielczości matryc (mówiąc o rozdzielczości całego obrazu, w milionach pikseli) mają chyba: jeden aparat "pełno klatkowy" firmy na S mający 24 mln pikseli i jeden średnioformatowy, firmy na H dający 60 mln pikseli. Tak się składa, że obydwa mają piksele o bokach 6 mikrometrów. A jeżeli piksele miałyby 6 mikrometrów, to kawałek matrycy o takich samych wymiarach (0,74 x 0,59 mm) zobaczyłby to:


A tak naprawdę to zobaczyłaby to tylko matryca jednej firmy na F (w aparacie firmy na S), która w każdym pikselu widzi pełną informację o kolorach. Ale matryc tego typu w tak dużych formatach nie ma. W przypadku matryc, o których rozmawiamy, każdy piksel widzi tylko jedną składową koloru. A więc tak naprawdę powyższy obrazek matryca widziałaby o tak:


Swoją drogą, pokazuje to jak dużo lepsza byłaby matryca widząca w każdym pikselu wszystkie trzy składowe kolorystyczne (gdyby miała choćby zbliżoną rozdzielczość -póki co, takie matryce mają rozdzielczości duuużo niższe niż klasyczne, choć producent obiecuje, że będzie lepiej). Na drugim rysunku linie pomiędzy sześciokącikami jeszcze są widoczne (choć poszerzone), a na obrazku przedstawiającym mozaikę Bayera już niewiele z nich zostało. Ale wracajmy do tematu.

Pomińmy na chwilę fakt, że piksele są sporo większe od ziaren filmu, bo tak naprawdę da się zrobić matryce z pikselami o rozmiarach 4 razy mniejszych niż te przedstawione na obrazkach (choć z drugiej strony istnieją też filmy o nieporównywalnie mniejszym ziarnie - ten wyścig i tak wygra film). Poważna różnica pomiędzy filmem, a cyfrową matrycą to to, że ziarna filmu są rozłożone zupełnie przypadkowo, natomiast matryca widzi świat w kratkę. I ten fakt jest brzemienny w skutki.

W prawdziwym świecie linie nie zawsze są dokładnie pionowe lub poziome
Po pierwsze rozdzielczość filmu jest dokładnie taka sama w dowolnym kierunku. Natomiast maksymalna rozdzielczość matrycy dość mocno się zmienia w zależności od kierunku, w jakim ją mierzymy. I tu jest pierwszy błąd rozumowania przedstawionego na początku artykułu. Jeżeli zakładamy, że rozmiar piksela ma być taki, jak odległość pomiędzy najdrobniejszymi liniami, jakie obiektyw jest w stanie odwzorować, to jeżeli te linie będą na zdjęciu ułożone pod kątem 45 stopni do boku kadru, to się nagle okaże, że odległość pomiędzy sąsiednimi pikselami jest już 1,41 razy większa i rozdzielczość matrycy już jest za mała. I sam ten błąd wystarczył, aby potrzebną liczbę pikseli na matrycy niedoszacować, bagatela, dwa razy.

Filtr dolnoprzepustowy
Drugi problem bierze się stąd, że kolejne piksele na matrycy są ułożone w równych odstępach. Takie regularne próbkowanie działa dobrze wtedy, gdy liczba linii na milimetr w rejestrowanym obrazie jest sporo mniejsza niż liczba pikseli na milimetr. Bo jak częstotliwość próbkowania i częstotliwość sygnału zaczną się zbliżać, to pojawiają się artefakty znane w teorii obróbki sygnałów jako aliasing, a fotografii jako prążki moire'a. Wbrew legendom, efekty tego typu wcale nie powstają tylko gdy obraz ma większą rozdzielczość niż matryca, na którą pada. Wystarczy, że obie wielkości będą podobnie duże. Przykład: na matrycę padają paski o grubości 1,1 razy większej od rozmiaru piksela:


Rozwiązaniem producentów aparatów jest instalowanie przed matrycą optycznego filtra dolnoprzepustowego, nazywanego też filtrem anty-aliasingowym (czy filtrem AA). Istnieją materiały optyczne, które są nazywane dwójłomnymi. Są to materiały, które mają taką dziwną właściwość, że ich współczynnik załamania zależy od kierunku polaryzacji światła, jakie przez nie przechodzi. Taki materiał ma mnóstwo bardzo ciekawych i użytecznych własności, a jedną z nich jest to, że jak się odpowiednio wytnie plasterek takiego materiału, to dwie prostopadle do siebie spolaryzowane składowe zostaną załamane w różnych kierunkach. Jak się przez taki materiał patrzy, to obraz się rozdwaja (ten obrazek jest z wikipedii, zrobiony przez użytkownika Furrfu):


I każdy z dwóch widocznych obrazów (tego samego obiektu) jest tworzony przez światło spolaryzowane i to w prostopadłych do siebie kierunkach.

Filtr dolnoprzepustowy jest zrobiony z dwóch takich plasterków ułożonych względem siebie tak, że każdy rozdwaja obraz w kierunku prostopadłym do drugiego (po prawdzie, to pomiędzy tymi plasterkami jeszcze trzeba dołożyć taki plasterek, który to, co przeszło, rozpolaryzuje, jak w kołowym filtrze polaryzacyjnym). W efekcie dostajemy płytkę, która zamienia nam każdy punkt obrazu na matrycy na cztery punkty rozłożone w odległościach rzędu 1-2 pikseli. Chodzi o to, aby obraz na matrycy nie miał nic o rozdzielczości wyższej niż rozdzielczość matrycy.

Problem w tym, że filtr dolnoprzepustowy znakomicie kasuje jakość optyczną dobrego obiektywu. Kasuje ją do poziomu, jaki może zdzierżyć matryca. I dlatego jak się testuje obiektywy matrycami o dużych pikselach, to może się wydawać, że matryca ma lepszą rozdzielczość od obiektywu, nawet jak nie ma.

Ale to nam też wyznacza granicę tego, jaka musi być rozdzielczość matrycy, aby naprawdę wycisnąć z obiektywu wszystko, co się da. Otóż, na najdrobniejszą linię, jaką obiektyw może „narysować”, musi przypadać nie jeden ale kilka pikseli. Wystarczy małe kilka. Tak, aby nie trzeba było w ogóle wstawiać tego nieszczęsnego filtra AA. Ale to nam daje rozdzielczości nadal dużo wyższe niż to, co możemy teraz kupić.

Mozaika Bayera
No i jest jeszcze kwestia filtrów barwnych na pikselach. Stosowanie ich naprawdę efektywnie obniża rozdzielczość matryc. I choć algorytmy interpolacji kolorów to całkiem rozbudowana nauka, to jednak nie da się przykryć faktu, że tak naprawdę najmniejszym powtarzającym się elementem na matrycy nie jest piksel, tylko kwadracik 2x2 piksele. Pewnie w powyższym rachunku spowoduje to dalsze podniesienie koniecznej rozdzielczości matrycy, aby była ona w stanie sprostać obiektywowi.

Dlaczego aparaty mają tak małą rozdzielczość?
Czytałem już artykuły, w których dowodzono, że coraz większe rozdzielczości nowych matryc to zmowa producentów i wciskanie kitu klientom. I że już żadnej dodatkowej jakości na zdjęciach to nie daje. To nie do końca prawda. Owszem, należy pamiętać, że (jak to zazwyczaj w przyrodzie się dzieje) w miarę rozwoju jakiegoś urządzenia na początku skoki jakości są duże, ale potem robią się z nich małe kroczki. Aparaty cyfrowe są już na tym etapie.

Jednak powód dla którego stare aparaty cyfrowe miały tak małą rozdzielczość był czysto technologiczny. I wcale nie chodziło o rozmiary pikseli na matrycy. Chodziło o procesory, bufory pamięci, karty i wszystko to, co nie pozwalało większych plików przepuścić przez elektronikę aparatu zanim fotograf przejdzie na emeryturę. Sam używam aparatu cyfrowego z roku 2002 lub 2003, czyli już dość starego. Ponadto jest to kompakt, a nie lustrzanka. I go nie lubię właśnie za to, że praca z nim przypomina kontakty z przeciętnym dziekanatem: podanie w trzech egzemplarzach i dwa tygodnie czekamy na jakąkolwiek reakcję. Jakby nie miał 5 milionów pikseli, tylko więcej, to czas oczekiwania zapewne należałoby liczyć w semestrach.

Ale w sumie, to istnieje lepsze kryterium
Ja nikogo nie namawiam do tego, aby zaczął pisać do firmy na N, czy C, aby raczyła wyprodukować aparat o rozdzielczości rzędu, ja wiem, 100mln pikseli. Ja tylko chciałem napisać o pewnych efektach i artefaktach jakie grożą, jeżeli aparat ma sensor o rozdzielczości mniejszej, lub podobnej niż rozdzielczość obiektywu. Jestem przekonany, że "wyścig na megapiksele" prowadzony przez producentów zatrzyma się dużo wcześniej niż zostanie osiągnięta granica wyznaczona przez rozdzielczość dobrych obiektywów. Z bardzo prostego powodu. Takiego, że kryterium "czy matryca mojego aparatu sprosta obiektywowi" nie jest dobrym kryterium przy wyborze aparatu. Jeżeli chodzi o dobranie sobie rozdzielczości istnieje kryterium dużo lepsze.

Jeżeli o mnie chodzi, to większość odbitek, jakie robię, ma rozmiary 18 x 24 cm. To dość niezły format do oglądania. Można też pomyśleć o rozmiarze na przykład A4. Moje standardowe-duże odbitki mają 30x40cm (czyli 12x16 cali). To już można powiesić na ścianie. Jeżeli kupowałbym aparat cyfrowy do "poważnego" fotografowania, to to byłby format, jaki chciałbym móc wydrukować w dobrej jakości. W dobrej jakości, czyli w rozdzielczości 300 dpi (dpi, czyli punktów na cal). To oznacza, że aparat, jaki chciałbym mieć, powinien dawać plik o rozdzielczości 4800 x 3600 pikseli, aby dało się taki wydruk zrobić bez interpolowania. Dobrze zatem byłoby mieć aparat o rozdzielczości 17 milionów pikseli. Niech ma 20milionów, aby można było zdjęcie delikatnie skadrować w obróbce (i jeszcze zostało po tym 17 milionów). I sprawa jest prosta: póki aparaty nie będą miały tych 20 milionów pikseli, póty kupowałbym nowe, aż się któryś zbliży do tego. Ale wyższych rozdzielczości już zupełnie nie potrzebuję. ZUPEŁNIE, bez względu na to, czy to w pełni, czy nie w pełni wykorzystuje jakość obiektywu. Domyślam się też, że ci, którzy robią zdjęcia na plakaty, docenią aparaty o rozdzielczościach 30, czy 60 mln pikseli. I dlatego takie aparaty będą się pojawiać.

Jeżeli ktoś nie robi wydruków 30x40, a na przykład 18x24, to potrzebna rozdzielczość spada do 6 milionów pikseli, powiedzmy 8 (żeby było z czego odrobinkę skadrować).

Jednak ja aparatu cyfrowego używam głównie do zdjęć wyświetlanych na monitorze, lub drukowanych w małych formatach, takich do umieszczania w tekście. Dlatego używam strasznie starego cyfraka, który ma rozdzielczość 5 mln pikseli i naprawdę nie poszukuję niczego więcej. Sam aparat pewnie w końcu zmienię z powodów opisanych wyżej, ale nie z powodu rozdzielczości.
Komentarze
Polecane artykuły
Nie żyje Bogdan Konopka - wybitny przedstawicieli nurtu „fotografii elementarnej“, autor pierwszej Kolekcji Wrzesińskiej
20 Maj 2019
W wieku 66 lat zmarł Bogdan Konopka - jeden z najważniejszych przedstawicieli nurtu „fotografii elementarnej“, odznaczony brązowym medalem „Zasłużony Kulturze Gloria Artis”.
0
Young Poland 2019 - oto najlepsze zdjęcia młodych polskich fotografów z konkursu Grand Press Photo
17 Maj 2019
Young Poland to specjalna sekcja konkursu GPP, kierowana do twórców, którzy nie ukończyli jeszcze 26 roku życia. Zobaczcie, jakie zdjęcie podbiły w tym roku serca jurorów.
2
Poznaliśmy laureatów Grand Press Photo 2019. Zobacz najlepsze polskie zdjęcia prasowe minionego roku
16 Maj 2019
Tegoroczna edycja najważniejszego polskiego konkursu fotografii prasowej Grand Press Photo dobiegła końca. Oto najlepsze zdjęcia polskich fotoreporterów.
8
Olympus obchodzi 100 urodziny. Poznaj historię firmy, która ma własne spojrzenie na fotografię
13 Maj 2019
W tym roku Olympus świętuje jubileusz swojego powstania. Przyjrzyjcie się najważniejszym dokonaniom firmy.
3