Z notatnika optyka: MTF

0
Bernard Piechal
17 Grudzień 2011
Artykuł na: 17-22 minuty
Kolejny odcinek cyklu "Z notatnika optyka". Tym razem o testowaniu rozdzielczości obiektywów i słynnych "wykresach MTF". Zapraszamy do lektury.
Wstęp indoktrynacyjny
Testy obiektywów - jeden z głównych punktów programu niemal każdego pisma fotograficznego. Można powiedzieć, że są dwie przeciwstawne szkoły prowadzenia takich testów. Pierwsza, w Polsce bardzo popularna, bazuje na mickiewiczowskiej zasadzie "Czucie i wiara silniej mówią do mnie niż mędrca szkiełko i oko". Daje się obiektyw temu czy innemu redaktorowi, który jedzie z nim na wakacje i pisze, że jest taki super (obiektyw, bo że redaktor, to nie trzeba), bo ta marka to ma taaakie tradycje.

Druga szkoła jest technokratyczna. W teście tego typu dąży się do zmierzenia wszystkich wad optycznych obiektywu i najlepiej przedstawienia ich na wykresach. Ta szkoła ma tę wartość, że może dać czytelnikowi realną, obiektywną i sprawdzalną informację o tym, jak obiektyw tworzy obraz. Niestety w tym miejscu kłania się to, co kiedyś napisał Wojtek Tkaczyński: warto się uczyć. I to obu stronom. Czytelnikowi, aby wiedział, jak odnieść zamieszczone w takim teście informacje do praktyki. I testującemu, ponieważ testy i pomiary trzeba dobrze zrobić, aby miały jakąkolwiek wartość. A naprawdę można popełnić takie błędy, że wnioski wyjdą kompletnie fałszywe.

Jednym ze standardowych wykresów podawanych jako probierz jakości obiektywów są krzywe MTF. Choć mają swoje ograniczenia, dobrze zmierzone potrafią przedstawić dużo wartościowych informacji na jednym rysunku. Ale aby te informacje dostrzec, trzeba coś wiedzieć. A równocześnie krzywe muszą być zmierzone poprawnie. Dalej postaram się to wszystko trochę wytłumaczyć.

W jaki sposób obiektyw przestaje móc rysować
Aby zobaczyć jak to wszystko działa i skąd się wzięło, warto zdać sobie sprawę, co robi obiektyw z obrazami drobnych wzorków. Wyobraźmy sobie, że obiektyw ma utworzyć obraz ostrych biało-czarnych pasków o różnej szerokości. O takich:


Oczywiście, nawet gdyby obiektyw był idealny (czyli jego rozdzielczość była limitowana jedynie dyfrakcją na otworze przysłony), to obraz tych pasków nie byłby idealnie ostry. Brzegi pasków zawsze będą rozmyte. Rozmycie brzegów spowoduje mniej więcej coś takiego (przepraszam, ale narysuję od razu wykres jasności):


Jeżeli paski będą dostatecznie szerokie, to po prostu, zamiast ostrej granicy między czarnym a białym, na obrazie będzie jakieś płynne przejście. Im mniej ostry obraz, tym bardziej płynne. Natomiast ciekawa rzecz dzieje się z paskami wąskimi. Otóż one przestaną być czarno-białe, a zrobią się jasnoszaro-ciemnoszare. A im będą gęściej ułożone (im więcej par linii/mm chcemy oddać na obrazie) tym różnica pomiędzy jasnoszarym a ciemnoszarym będzie mniejsza. To znaczy, że wraz ze zwiększeniem gęstości linii spada kontrast ich obrazu tworzonego przez obiektyw.

Jak to się ma do jakości obiektywu? Jak weźmiemy lepszy obiektyw, to obraz będzie jakiś taki:


To nie będzie tak, że lepszy obiektyw w ogóle przestanie rozmywać. A więc też nie będzie tak, że obiektyw przestanie nam z czarno-białych paseczków robić jasnoszaro-ciemnoszare. Ale jeżeli będzie lepszy, to linie tak samo gęsto ułożone będą miały większy kontrast niż na obrazie tworzonym przez słabszy obiektyw. Patrząc na to samo z drugiej strony, można ustalić kryterium kontrastu (na przykład kontrast obrazu ma być o 50% mniejszy od kontrastu obiektu fotografowanego) i zapytać jak gęste muszą być paski, aby kontrast obrazu spadł właśnie o tyle. W takiej sytuacji lepszy obiektyw będzie wymagał obrazu gęstszych pasków niż słabszy.

Bardzo proszę! Właśnie odkryliśmy dobry test jakości obiektywu: należy kazać mu utworzyć obraz par linii o określonej gęstości i sprawdzić, jak się ma kontrast obrazu do kontrastu samych linii. Właśnie ta zależność - część kontrastu fotografowanych pasków, jaką obiektyw jest w stanie oddać, w zależności od gęstości tych pasków nazywa się po angielsku "Modulation Transfer Function", czyli MTF. Im wyższa wartość MTF przy określonej gęstości pasków, tym obraz będzie się wydawał ostrzejszy.

Jak mierzyć
Pomiar takich krzywych nie jest taki zupełnie prosty. Na pewno nie jest tak prosty, jak powieszenie na ścianie tablicy testowej i robienie zdjęć za pomocą aparatu fotograficznego z podpiętym obiektywem, który chcemy przetestować. Zazwyczaj używa się do tego układu, którego uproszczony obrazek mógłby wyglądać jakoś tak:


W stosunku do aparatu z tablicą testową jest tu kilka ważnych różnic.

Po pierwsze zamiast tablicy testowej z paseczkami mamy podświetloną szczelinę z czymś, co nazwałem kolimatorem. Podświetlona szczelina nie jest jedynie słusznym rozwiązaniem, jednak jest to bardzo wygodny sposób na otrzymanie obrazu paska o bardzo ostrych krawędziach i określonej szerokości, a obliczenie MTF z obrazu pojedynczej szczeliny jest proste. Istotne jest też użycie kolimatora. Jest to układ optyczny, który powoduje, że obraz szczeliny jest widziany przez testowany obiektyw, jakby ta była nieskończenie daleko. To jest ważna część o tyle, że większość obiektywów fotograficznych jest projektowana do robienia zdjęć obiektów położonych daleko. A chcemy przetestować obiektyw w warunkach zbliżonych do tych, do jakich jest przeznaczony, a nie zawsze w makrofotografii.

Druga różnica to odpowiedni detektor. Matryca lustrzanki cyfrowej, ani film NIE są odpowiednimi detektorami. Chcemy zmierzyć jakość obiektywu, więc musimy użyć detektora, który pozwoli uzyskać obraz obrazu tworzonego przez testowany obiektyw z rozdzielczością dużo większą niż rozdzielczość samego testowanego obiektywu. Chyba najczęściej używanym dziś sposobem jest znaczne powiększenie obrazu szczeliny (tworzonego przez testowany obiektyw) dodatkowym obiektywem mikroskopowym i sfotografowanie go kamerką cyfrową.

Co powinniśmy dostać
W wyniku takiego jednego pomiaru dostaniemy wykresik pokazujący, jak będzie spadał kontrast obrazu w zależności od rozmiaru szczegółów. Ale to jeszcze mało mówi, ponieważ taki wykresik będzie ważny tylko w tym miejscu w kadrze, w którym w trakcie pomiaru znalazł się obraz szczeliny. Tymczasem dla fotografów bardzo ważna jest informacja o tym, jak ostrość zmienia się w obrębie całego kadru. Czyli lepiej mieć informację o wartości MTF tylko dla kilku wybranych częstości (czyli liczby par linii/mm), ale za to podaną w każdym punkcie kadru. Z tym, że jeżeli obiektyw jest prawidłowo zmontowany (czyli soczewki są scentrowane - co raczej jest prawdą zawsze, przynajmniej dopóki do obiektywu nie dobierze się pan Józio Złota Rączka), to jakość obrazu będzie zależała tylko od odległości od środka kadru, bez względu na to w którą stronę się będziemy poruszać. I dlatego wykresy MTF najczęściej mają na osi poziomej "odległość od osi optycznej" (czyli, upraszczając, właśnie od środka kadru).


Pragnę zwrócić uwagę na to, że dla każdej badanej częstości są narysowane DWIE krzywe, a nie jedna. Otóż to, jak ostre będą linie, zależy nie tylko od tego, w którym miejscu kadru powstanie ich obraz, ale też od tego, w którą stronę będą zorientowane. Dlatego podaje się krzywe MTF dla dwóch skrajnych przypadków: dla kierunku "sagitalnego" (kiedyś, gdy nie używano anglicyzmów, nazywano ten kierunek "siecznym", a oznacza się go literką S), czyli gdy szczelina lub linie są ustawione w kierunku wskazującym środek kadru, i dla "tangencjalnego", gdy linie są ustawione prostopadle do poprzednich (bardziej po polsku nazywanego kierunkiem "stycznym", oznaczanym T, a czasem M od "meridional"). Różnice w ostrości pomiędzy tymi dwoma kierunkami mogą wynikać z astygmatyzmu (co opisałem w 5. odcinku), albo z poprzecznej aberracji chromatycznej. Bo jeżeli obraz będzie miał różne powiększenie w różnych kolorach, to krawędzie położone w kierunku T zostaną rozmyte, natomiast na ostrość krawędzi położonych w kierunku S to już nie wpłynie. No i krzywe MTF dla kierunków S i T będą się rozjeżdżać - im dalej od środka kadru, tym bardziej. Oczywiście te dwa kierunki to jakby dwie skrajności, gdy jakaś krawędź (czy szczegół, który ma być ostry) ułoży się w innym kierunku, to ostrość będzie gdzieś pomiędzy jedną linią a drugą. I (równie oczywiście) na środku kadru kierunki S i T przestają być rozróżnialne, więc krzywa przerywana i ciągła muszą się w zerze zejść (jeżeli nie, to może to oznaczać tylko źle zmierzone krzywe albo źle scentrowany obiektyw, czyli pana Józia Złotą Rączkę).

Co jeszcze jest ważne dla fotografa, to same odległości od środka kadru. Dla obiektywów małoobrazkowych krzywe są pokazywane od środka do odległości ok. 21,6 mm, czyli do rogu kadru. Ale, jak widać na rysunku, wszystko w odległości większej niż 18mm znajdzie się właściwie w samym rogu kadru, więc tak naprawdę dobra korekcja powyżej tej wartości jest dla nas ważna nieco mniej. I, szczerze mówiąc, ten fakt doskonale widać po tym, że po przekroczeniu tych magicznych 18mm krzywe MTF (nawet obiektywów najbardziej renomowanych firm) najczęściej lecą na zbitą twarz. Druga rzecz do uświadomienia sobie jest taka, że jeżeli używamy obiektywu małoobrazkowego do aparatu APS-C, to w kadrze mieszczą się już tylko odległości poniżej ok. 14mm (czy 13,3 mm, dla innej wersji APS-C) więc wszystko, co dalej, już nas nie obchodzi. W ogóle.

Jakość obrazu zależy oczywiście od tego, do jakiej wartości przysłona była przymknięta podczas pomiaru. I tylko dla tej przysłony obowiązuje konkretna mapka. Dokładnie to samo dotyczy odległości przedmiotowej. Dlatego czytając krzywe MTF należy zwracać uwagę na te dwie informacje: dla jakiej przysłony i dla jakiej odległości przedmiotowej (albo skali odwzorowania) zostały zmierzone. Jak tej informacji nie zamieszczą, to taki pomiar jest nic nie warty.

Co można spartolić
W latach ostatnich (już cyfrowych) upowszechniła się, jeżeli chodzi o testowanie obiektywów, droga na skróty. Otóż zamiast budować odpowiedni układ optyczny (albo kupić specjalny automat) można sfotografować tablicę testową jakimś dostępnym aparatem (z zamontowanym obiektywem, który chcemy przetestować) i przepuścić wynik przez programik, który wypluje MTF. Niestety takie testy mają poważne wady.

Po pierwsze, w takim układzie de facto testujemy obiektyw w makrofotografii. Problem w tym, że występowanie aberracji zmienia się wraz z odległością przedmiotową i ten czynnik jest istotny. Wcale nie jest tak, że dwa obiektywy równie dobre na dużych odległościach będą też równie dobre przy fotografowaniu z minimalnych odległości. W efekcie różnice pomiędzy dobrym i lepszym obiektywem mogą wyjść sporo większe, niż w sytuacjach, do jakich zostały zaprojektowane. Ba, może być zupełnie odwrotnie. Na przykład chcemy jakiś teleobiektyw do fotografowania samolotów. W takim teście model A, który ma system "floating element" (czyli system, który podczas nastawiania ostrości koryguje układ optyczny tak, aby osłabić pojawianie aberracji dla małych odległości przedmiotowych) może wyjść lepiej, niż model B, który tego systemu nie ma, ale za to jest lepszy dla dużych odległości. I wniosek z testu będzie kompletnie fałszywy. Taki test powinien mieć przynajmniej zamieszczoną informację o odległości do tablicy testowej, co się raczej nie zdarza. A jeżeli ma, to należy wiedzieć, że wnioski są ważne tylko dla TEJ odległości i już nie dla innych.

Po drugie, jak napisałem wyżej, orientacja linii też jest ważna, co jakoś umyka wielu redakcjom. Podają JAKIŚ wynik, nie piszą, jak kreseczki były ustawione w stosunku do kierunków T i S. Dzięki temu czytający traci sporą część ważnych informacji a nawet wcale nie ma pewności, że we wszystkich testach ta orientacja była taka sama.

Po trzecie, być może najważniejsze, to te nieszczęsne aparaty. Jak pokazałem w zeszłym odcinku, matryce systemowych aparatów mają małe rozdzielczości. Porównywalne z obiektywami a nie dużo większe. Poza tym, aparaty obrabiają sygnał - odszumiają i wyostrzają, i to często nawet w RAWach. W efekcie, jeżeli testujemy obiektyw podpięty do aparatu, dostajemy informację o rozdzielczości całego systemu: obiektyw+aparat. Jest to fajne i miłe, jeżeli używamy akurat tego samego aparatu, co redakcja, albo, jeżeli test dotyczy aparatu z niewymiennym obiektywem. W takiej sytuacji dostajemy bezpośrednią informację o rozdzielczości całego systemu, czyli coś, co przekłada się bezpośrednio na obraz wypluwany przez aparat. Ale jeżeli aparat mamy inny niż redakcyjny (a zwłaszcza taki z mniejszymi pikselami), to taki test możemy spokojnie zostawić i nie czytać. W takiej sytuacji interesuje nas bowiem informacja o jakości samego obiektywu. Poza tym należy pamiętać, że matryce aparatów najczęściej mają mozaikę Bayera. I znane są przypadki, w których obiektyw miał sporo słabszą rozdzielczość w kierunku T niż S z powodu aberracji chromatycznej, a test lustrzankowy zupełnie tego nie wykrył. Po prostu błędy spowodowane koniecznością interpolowania brakującej informacji o kolorze były większe niż wynikające z błędu obiektywu. A jeżeli kupimy sobie obiektyw na podstawie takiego testu, to może się okazać, że jest cudowny, ale tylko do czasu, gdy nie kupimy sobie lepszego, nowszego korpusu o wyższej rozdzielczości, który aberrację chromatyczną nagle "zobaczy". Nie wspomnę, ile warte jest porównanie wyników testów dwóch obiektywów z różnych lat, do których użyto aparatów odległych od siebie o np. trzy generacje.

Wreszcie jest kwestia tak prozaiczna, jak ustawienie ostrości. Przeciętny czujnik AF nie jest dostatecznie dokładny, aby zrobić to wystarczająco dobrze. Oglądając obraz pod mikroskopem, można to zrobić dużo lepiej. Są redakcje, które z tego powodu robią serię zdjęć i wybierają najostrzejsze, ale to jest tylko półśrodek, który nie daje żadnej gwarancji, że przy testowaniu dwóch różnych obiektywów te "najostrzejsze" będą tak samo daleko od prawidłowego ustawienia ostrości.

Niestety, jeszcze nie widziałem w Polsce redakcji, która robiłaby testy MTF naprawdę dobrze. Wynika to z prostego i bolesnego faktu, że dobra maszynka do testowania tak naprawdę ździebko kosztuje i wymaga odpowiednich warunków (na przykład jeden model - zgoda, że z kategorii "full-wypas" - jednej firmy na Z działa dobrze tylko w temperaturach pomiędzy 18, a 23°C i wymaga pomieszczenia o podwyższonej czystości z minimalnym przepływem powietrza). Dlatego jesteśmy skazani albo na dane producentów, które z kolei często wcale nie są danymi z pomiarów, tylko z symulacji komputerowych (co zazwyczaj oznacza wynik pozostający tylko w sferze pobożnych życzeń), albo na samodzielne oglądanie zdjęć testowych i szukanie takich, które mniej więcej odpowiadają warunkom, do jakich chcemy użyć obiektywu.

Tak oto kończymy odcinek na temat popularnej "normy ostrości" obiektywu. Jednak rzeczywista ostrość to nie wszystko. Można oszukiwać i w czasach cyfry robi się to powszechnie. Za tydzień napiszę jak się oszukuje.

Komentarze
Więcej w kategorii: Poradniki
Brak ci motywacji? Oto 29 porad od najbardziej wpływowych fotografów w branży
Brak ci motywacji? Oto 29 porad od najbardziej wpływowych fotografów w branży
Gdybyś miał najważniejszą radę odnośnie pracy fotografa, co by to było? Takie pytanie fotograf Taylor Jackson zadał jednym z najbardziej rozpoznawalnych współczesnych...
15
0
Wybierasz się na zasłużony urlop? Oto sprzętowe pomysły i praktyczne sztuczki, które warto rozważyć
Wybierasz się na zasłużony urlop? Oto sprzętowe pomysły i praktyczne sztuczki, które warto rozważyć
Letni sezon to czas podróży, odkrywania odległych miejsc i… fotografowania. Dlatego przygotowaliśmy kilka praktycznych porad oraz zestawienie przydatnych akcesoriów,...
3
0
Chcesz stać się lepszym fotografem? Unikaj tych 13 błędów [WIDEO]
Chcesz stać się lepszym fotografem? Unikaj tych 13 błędów [WIDEO]
Nigel Danson, uznany fotograf krajobrazu, powraca z kolejnym ciekawym poradnikiem. Tym razem naświetla 13 błędów, które trzeba wyeliminować, aby wskoczyć na wyższy...
23
0
Powiązane artykuły
Wczytaj więcej (16)