Характеристики качества изображения
|
Для оценки качества изображения фотографической системы используются несколько методик, основными из которых являются: измерение разрешающей силы, определение пограничной нерезкости и частотно-контрастной характеристики объектива.
Каждая из перечисленных методик имеет свои сильные и слабые стороны. Например, оценка объектива по пограничной кривой, т.е. по резкости даваемого объективом изображения, не может полностью характеризовать эксплутационные возможности объектива. Такой же недостаток присущ и оценке объективов по фотографической или визуальной разрешающей силе, по которой невозможно судить о резкости даваемого объективом изображения. Оба этих метода оценки объективов основаны на двух различных способах подхода к восприятию дифракционного изображения точки, точнее — к характеру распределения световой энергии в пределах дифракционного пятна.
Максимальная разрешающая способность получается при малых размерах центральной зоны дифракционного пятна и, естественно, при интенсивных кружках рассеяния. Наивысшая резкость, наоборот, получается при больших размерах центральной зоны пятна и почти полном отсутствии кружков рассеяния.
Частотно-контрастная характеристика, по которой можно более полно оценить различные аспекты качества изображения, достаточно трудоёмка, сложна в применении и её использование для целей сравнения бывает затруднено.
Кроме перечисленных характеристик, для оценки качества изображения может применяться такой интегральный показатель, как информационная ёмкость фотографической системы.
|
|
Сечение дифракционного пятна
|
Разрешающая сила
«After all, photography is not a resolution competition,
it's to make other people see, what you see or better feel.»
Rob Keppens (aka ragnarosk), Zenit Camera group.
Разрешающая сила (или разрешающая способность) служит для оценки способности объективов давать раздельные изображения очень мелких близко расположенных деталей изображаемых предметов.
Количественно равна максимальному числу штрихов (линий), приходящихся на 1 мм оптического изображения специальной испытательной таблицы (миры), получающихся в этом изображении раздельно 1).
Если разрешающую способность определяют в оптическом изображении, которое образует объектив, рассматривая это изображение, то такая разрешающая сила называется собственной или визуальной.
Величина визуальной разрешающей силы зависит от ряда факторов, главными из которых являются:
1) дифракция света на круглых отверстиях оправ, в которые вмонтированы линзы и другие компоненты объектива;
2) остаточные аберрационные погрешности оптической системы объектива;
3) светорассеяние в объективе;
4) яркостной контраст между промежутками и самими штрихами в мире — контраст миры.
Если оценивать разрешающую способность объектива по фотографическому изображению миры, то к вышеперечисленным факторам добавляются: разрешающая способность фотослоя, эффекты проявления и другие факторы, которые ещё более уменьшают величину разрешающей силы.
Разрешающая сила, определённая по фотографическому изображению миры, называется фотографической.
Фотографическая разрешающая сила для съёмочных объективов является основной, её измерение производится по стандартным методикам и именно она указывалась в характеристиках объективов отечественного производства 2).
Фотоизображение миры (штриховой или радиальной) получали на чёрно-белой киноплёнке типа КН-1. При использовании другого фотоматериала для измерений, этот факт обычно указывался особо.
Стандартно разрешающая сила определялась при полностью открытой диафрагме объектива и в технических данных на объектив приводилась для двух точек — центра и «края», иногда именуемого «полем», т.е. точки, удалённой от центра кадра на 19 мм для малого формата 24×36 мм.
Визуальная разрешающая сила Rv, разрешающая способность фотослоя Rf и фотографическая разрешающая сила R соотносятся друг с другом приблизительно в следующей пропорции: 1 ⁄ R = 1 ⁄ Rv + 1 ⁄ Rf;, называемой формулой Катца 3).
Для съёмочных объективов характерно, что Rv > Rf > R
Приблизительное соотношение фотографической и визуальной разрешающей силы объектива
|
При различных значениях диафрагмы разрешающая сила объектива различна. Как правило, она минимальна при полностью открытом отверстии диафрагмы. Именно это, худшее значение, приводится в технических характеристиках отечественных объективов. С закрытием диафрагмы уменьшаются остаточные аберрации оптической системы и разрешающая сила растёт. При малых световых отверстиях, обычно начиная со значения диафрагмы 11, разрешающая сила понижается вследствие влияния дифракции света.
|
|
Примерная зависимость фотографической разрешающей силы объектива от значения диафрагмы
|
1) — В отечественной теории и фотографической практике штрихи всегда считаются разделёными промежутками контрастного фона толщиной, равной толщине штриха. В стандартизированном для видео- и цифровой фототехники международном (см, например, ISO 12231, ISO 12233) термине «пара линий», за «линию» считается также и промежуток между штрихами, что физически неверно, т.к. в таком случае пространственная частота получается обратна полупериоду миры.
Соотношение разрешающей способности, выраженной в парах линий на миллиметр (lp/mm), выраженной в линиях на миллиметр (lines/mm) — по ISO, и выраженной в линиях на миллиметр (лин/мм) по отечественным стандартам при тех же критериях определения таково: 1 lp/mm = 2 lines/mm = 1 лин/мм (= 1 мм−1).
2) — В характеристиках, если не указано иное, указываются данные из технических условий, т.е. наихудшие допустимые значения параметров.
3) — Формула Катца является частным случаем предложенной Л. Морозом зависимости для случая безаберрационного (идеального) объектива. Кроме приведенной формулы, существуют и иные, например: 1 ⁄ R2 = 1 ⁄ Rv2 + 1 ⁄ Rf2; R = Rf×Rv ⁄ (Rf+Rv) и др. Разрешающая сила системы с реальными объективами отличается от значений, определяемых по приближенным формулам, причем, иногда очень существенно.
Изобразительная способность
Более правильной могла бы быть оценка качества объектива в виде особой угловой разрешающей способности, определённой на основе фотографической разрешающей способности с учётом величины масштабирования изображения (т.е. фокусного расстояния объектива). Такую характеристику, показывающую насколько мелкие детали объекта могут быть изображены объективом, называют «изобразительной способностью» объектива:
Где: ψ — изобразительная способность (в сантиградах), ω — половина угла поля зрения, f — фокусное расстояние объектива, R — фотографическая разрешающая способность в данной точке изображения.
К изобразительной способности близка т.н. «добротность» фотографической системы:
Где: Θ — добротность, f — фокусное расстояние объектива, R — фотографическая разрешающая способность.
Выделяющая способность
Выделяющая способность — величина, обратная диаметру круга, равновеликого по площади геометрическому изображению объекта, предельно опознаваемого по форме:
Где: N — выделяющая способность, d — указанный диаметр.
Выделяющую способность вводят для описания способности фотографической системы к воспроизведению двумерных объектов, у которых отношение длины к ширине не превышает пяти. Экспериментально установлено, что между выделяющей и разрешающей способностями существует относительно устойчивая взаимосвязь:
N = α × R
Откуда следует, что размер (d) геометрического изображения объекта, опознаваемого по форме, в 1 ⁄ α раз больше периода предельно разрешаемого поля миры.
Для опознавания формы простых геометрических фигур (круга, квадрата и т.д.) с вероятностью 0,80 коэффицент α = 0,30...0,40.
Пограничная нерезкость
|
Пограничная нерезкость, представляемая обычно с помощью пограничной кривой, является мерой визуальной оценки резкости в оптическом или фотографическом изображении, даваемом объективом. Пограничная кривая показывает, как изменяется освещённость (или оптическая плотность) в месте перехода от чёрного к белому и наоборот. Поэтому пограничную кривую называют кривой перехода или кривой резкости.
Для нахождения пограничной кривой в фотоизображении с помощью микрофотометра измеряют оптическую плотность почернения в месте перехода от белого к чёрному в направлении, перпендикулярном линии раздела. По результатам измерения строят график пограничной кривой. Зона перехода называется зоной нерезкости и по её продолжительности, а так же по крутизне перехода судят о резкости или «острости» фотоизображения.
|
|
К понятию резкости:
A — тест-объект;
B — исходная кривая освещённости;
C — получаемая кривая;
D — изображение тест-объекта
|
Фактор резкости
У большинства объективов плоскость изображения с наивысшим разрешением не совпадает с плоскостью изображения, визуально воспринимаемого наиболее резким. В связи с этим оценку качества объективов можно производить также и по величине т.н. фактора резкости, который вычисляется по формуле:
Где Φ — фактор резкости, f — фокусное расстояние объектива в миллиметрах, Δ — расстояние в миллиметрах между плоскостями изображений, соответствующими наибольшей разрешающей силе и наивысшей резкости.
При факторе большем 80% объектив считается хорошего, а в диапазоне от 70 до 80 процентов — удовлетворительного качества.
Частотно-контрастная характеристика
Любую систему, предназначенную для получения изображений, можно характеризовать так называемой передаточной функцией, включающей две характеристики: амплитудно-частотную (АЧХ) и фазово-частотную (ФЧХ).
АЧХ показывает, каким образом данная оптическая система влияет на интенстивность проходящей через неё световой энергии. Эта характеристика выражает взаимосвязь между соотношениями интенсивностей, т.е. контрастами, имеющими место как в самом объекте, так и в его изображении. При этом указанная взаимосвязь определяется в зависимости от пространственных частот, содержащихся в изображаемом объекте, т.е. косвенным образом — от размеров и формы последнего.
ФЧХ показывает, как данная система обеспечивает взаимное расположение точек в изображении (их координаты) в соответствии с расположением идентичных точек в изображаемом объекте. Возможный фазовый сдвиг в положении точек изображения является следствием остаточных аберраций, присущих данной системе, таких как дисторсия, астигматизм, кривизна поля и кома. При этом дисторсия приводит к некоторому постоянному по величине сдвигу, не зависящему от пространственной частоты, а остальные аберрации проявляются в виде ассиметричного распределения световой энергии в пятне рассеяния (дифракционном пятне).
Таким образом, если АЧХ показывает, какие амплитудные искажения вносит данная изображающая система, то ФЧХ характеризует эту систему в отношении вносимых ею фазовых искажений, причем оба вида искажений определяются в зависимости от пространственной частоты деталей в изображаемом объекте.
Следует отметить, что АЧХ проявляется по всему полю изображения, а ФЧХ — главным образом, по краям поля. Для большинства объективов определять ФЧХ не имеет большого смысла, за исключением объективов, имеющих или большие углы поля изображения (сверхширокоугольные объективы), или большие относительные отверстия (сверхсветосильные объективы), а также для объективов, используемых в точной фотографии, для аэрофотосъёмки и некоторых специальных видов съёмки.
Для большинства съёмочных объективов передаточная функция приравнивается АЧХ, которая получила название частотно-контрастной характеристики (ЧКХ). График ЧКХ показывает зависимость между коэффициентом передачи контраста в изображении объекта и пространственной частотой в изображаемом объекте. В общем случае под пространственной частотой понимают величину, обратную периоду решетки, содержащей периодические повторяющиеся штрихи и промежутки между ними.
С целью выявления влияния пространственной частоты решётки на передачу контраста применяют или набор решёток или специальную решётку с изменяющейся частотой её штрихов.
Лучшей решёткой для определения ЧКХ и последущего анализа является синусоидальная, где яркость изменяется по синусоидальному распределению, однако, такую решетку изготовить очень трудно, поэтому чаще применяется прямоугольная решётка с резким перепадом между яркостями промежутков и штрихов.
Сравнимость характеристик
Измеренные той или иной методикой значения разрешающей силы и построенные графики характеристик могут быть сравнимы для других объективов только при наличии данных, полученных по в точности той же методике.
Строго говоря, сравнивать возможно только данные, полученные при испытаниях, проведенных одновременно. Любые изменения при исследованиях, касается это тест-объектов (мир), освещённости, светочувствительного материала, режимов проявки и самой методики тестирования, — всё будет сказываться на полученных результатах, причём полученные значения могут существенно, в разы, отличаться друг от друга 4). Поэтому, например, абсолютно бессмысленно, без наличия дополнительных опорных данных, напрямую сравнивать значения разрешающей способности объективов, измеренных с использованием нормированной для отечественной промышленности методики с иностранными данными, зачастую — неизвестного способа получения.
4) — Именно это обстоятельство может служить объяснением случаев подозрительно большой разницы паспортной разрешающей силы старых отечественных объективов по сравнению с объективами более поздних лет разработки.
Разрешающая сила в реальных условиях съемки
Разрешающая сила объективов или их «качество» в реальных условиях съёмки зависит от множества других факторов:
Во-первых, при съёмке реальных объектов, отличных от, как правило, монохромных тест-объектов, применяемых при лабораторных исследованиях, начинает сказываться разнообразный спектральный состав элементов изображения. Именно поэтому, специальные высокоразрешающие объективы для монохромной съёмки рассчитываются для применения исключительно со светофильтрами, отсекающими мешающие длины волн.
Во-вторых, качество изображения резко снижается при неточной наводке, из-за колебаний фотоаппарата при съёмке и из-за других факторов.
Например, даже небольшие ошибки в фокусировке могут снизить паспортную, лабораторно-измеренную разрешающую силу объектива до 80%. При полностью открытой диафрагме нормального объектива, ошибка в фокусировке на несколько миллиметров может снизить разрешающую силу в два раза.
Ошибки в фокусировке субъективно зависят от опытности фотографа, его внимательности и аккуратности, правильности диоптрической коррекции зрения, а технически — от точности юстировки фотоаппарата, принципиальной точности конструкции дальномерного устройства, типов применяемых при наводке фокусировочных элементов и точностей изготовления этих деталей — фокусировочных экранов и т.д.
Точность работы дальномерного устройства зависит от его конструкции и колеблется в пределах от ±0,025 мм до ±0,1 мм в плоскости изображений. Погрешность фокусировки по матовому стеклу при полном относительном отверстии объектива составляет ±0,05 мм, при диафрагмировании погрешность увеличивается до ±0,1 мм. Фокусировочные клинья (клинья Додена) обеспечивают наименьшую погрешность фокусировки ±0,025 мм, однако им присущи определённые недостатки при использовании.
Разрешающая способность зависит и от точности и ошибок автофокусировки, если она имеется, от её типа, чувствительности и быстродействия (для повышения быстродействия разработчики сознательно идут на существенное ухудшение точности работы системы). При съёмке малоконтрастных объектов с применением пассивной системы автофокуса вероятность появления нерезких снимков сильно возрастает.
Микросдвиг изображения, особенно проявляющийся при съёмках с рук на выдержках длиннее 1/125 с, а на выдержках длиннее 1/30 с — вообще неизбежный 5), если не использовать штатив или иное устройство или систему стабилизации, влечет за собой ухудшение разрешающей силы на половину и более, если ни приводит к полному смазу изображения (так называемой «шевелёнке») — техническому браку фотографии.
Аналогичная ситуация возникает и при съёмке движущихся объектов.
В некоторых источниках оценивается максимально достижимая разрешающая возможность объективов при съёмки с рук без стабилизации. Отмечается, что при любых условиях реальных съёмок, естественные и неустранимые колебания фотоаппарата, находящегося в руках фотографа и вызванные влиянием сердечного пульса, тремором и прочими непроизвольными движениями человеческого тела, в принципе не позволяют делать снимки с разрешающей возможностью более 50 линий на миллиметр.
Загрязнение оптики также снижает её разрешающую силу, несколько отпечатков пальцев на передней линзе объектива может привести к 20-ти процентному её снижению. То же самое относится и к чистоте светофильтров и к их качеству.
Существенно на качество получающихся снимков, с точки зрения разрешающей способности, могут повлиять и другие моменты, на первый взгляд не относящиеся к фокусировке, но которые так или иначе снижают контраст изображения — повышенное светорассеяние внутри камеры, паразитные засветки и прочее.
5) — Приведенные выдержки указаны для нормальных объективов. Линейная величина сдвига изображения зависит от угла поля зрения объектива — чем меньше угол, т.е. чем больше фокусное расстояние, тем «чувствительнее» объектив к микросдвигам, тем на меньшей выдержке сдвиг становится заметным. Обычная ориентировочная рекомендация для малоформатных фотокамер такова: выдержка при съёмки с рук не должна быть длиннее 1 ⁄ f секунды, где f — фокусное расстояние объектива в миллиметрах.
Примечания:
Основные источники:
С.В. Кулагин: «Проектирование фото- и киноприборов.» — «Машиностроение», М., издания 1971 и 1976 гг.
Д.С. Волосов: «Фотографическая оптика.» — «Искусство», М., 1971 г.
Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов: «Теория оптических систем.» — «Машиностроение», М., 1973 г.
А.Ф. Мельканович: «Фотографические средства и их эксплуатация.» — Издание МО СССР, М., 1984 г.
Отраслевая нормаль НО 5456-67. Стандарты: ГОСТ 25502-82, ISO 12231:2005, ISO 12233:2000.
Ссылки по теме:
ГОСТ 25502-82 Объективы. Фотографическая разрешающая способность.
Вопросы и ответы: Объективы. Классификация.
Вопросы и ответы: Информационная ёмкость.
Вопросы и ответы: Фокусировочный экран.
Загадочные дефекты — о бликозащищённости фототехники
Robert Monaghan: Some Thoughts on Qualities of Lenses...
|