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.
О принципиальном различии этих методов говорит и то, что при диафрагмировании объектива (уменьшения светового отверстия апертурной диафрагмы) наблюдается снижение разрешающей силы, но одновременно возрастает резкость оптического изображения.
Частотно-контрастная характеристика, по которой можно более полно оценить различные аспекты качества изображения, достаточно трудоемка, сложна в применении и ее использование для целей сравнения бывает затруднено.
|
|
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 еще более уменьшают величину разрешающей силы.
Разрешающая сила, определенная по фотографическому изображению миры, называется фотографической.
Фотографическая разрешающая сила для съемочных объективов является основной, ее измерение производится по стандартным методикам и именно она указывается в характеристиках объективов отечественного производства 2).
Фотоизображение миры (штриховой или радиальной) получают на черно-белой кинопленке типа КН-1. При использовании другого фотоматериала для измерений, этот факт указывается особо.
Стандартно разрешающая сила определяется при полностью открытой диафрагме объектива и в технических данных на объектив приводится для двух точек -- центра и "края", иногда именуемого "полем", т.е. точки, удаленной от центра кадра на 19 мм для малого формата 24x36 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 съемочных 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 растет. 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) -- Штрихи всегда разделены промежутками контрастного фона толщиной, равной толщине штриха, т.е. ни о каких иногда встречающихся "парах линий", считая за "линию" и промежуток между штрихами, речи быть не может.
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;. 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, определенной на основе фотографической разрешающей способности с учетом 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, N -- фотографическая разрешающая способность в данной точке изображения
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 освещенность (или оптическая плотность) в месте перехода от черного 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 черному в направлении, перпендикулярном линии раздела. По результатам измерения строят график пограничной кривой. Зона перехода назывется зоной нерезкости и по ее продолжительности, а так же по крутизне перехода судят о резкости или "острости" фотоизображения.
|
|
К понятию резкости:
A -- тест-объект;
B -- исходная кривая освещенности;
C -- получаемая кривая;
D -- изображение тест-объекта
|
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 нее 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 аэрофотосъемки и некоторых специальных видов съемки.
Для большинства съемочных 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 решетки на передачу контраста применяют или набор решеток или специальную решетку с изменяющейся частотой ее штрихов.
Лучшей решеткой для определения ЧКХ и последущего анализа является синусоидальная, где яркость изменяется по синусоидальному распределению, однако, такую решетку изготовить очень трудно, поэтому чаще применяется прямоугольная решетка 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), освещенности, светочувствительного материала, режимов проявки и самой методики тестирования, -- все будет сказываться на полученных результатах, причем 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 съемки зависит от множества других факторов:
Во-первых, при съемке 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 съемки рассчитываются для применения исключительно со светофильтрами, отсекающими мешающие длины волн.
Во-вторых, качество изображения резко снижается при неточной наводке, из-за колебаний фотоаппарата при съемке 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 определенные недостатки при использовании.
Разрешающая способность зависит и от точности и ошибок автофокусировки, если она имеется, от ее типа, чувствительности и быстродействия (для повышения быстродействия разработчики сознательно идут на существенное ухудшение точности работы системы). При съемке малоконтрастных объектов с применением пассивной системы автофокуса вероятность появления нерезких снимков сильно возрастает.
Микросдвиг изображения, особенно проявляющийся при съемках 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 "шевеленке") -- техническому браку фотографии.
В некоторых источниках оценивается максимально достижимая разрешающая возможность объективов при съемки с рук. Отмечается, что при любых условиях реальных съемок, 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.
Аналогичная ситуация возникает и при съемке движущихся объектов.
Загрязнение оптики также снижает ее разрешающую силу, несколько отпечатков пальцев на передней линзе объектива может привести к 20-ти процентному ее снижению. То же самое относится и к чистоте фильтров 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 он становится заметным. Обычная ориентировочная рекомендация для малоформатных фотокамер такова: выдержка при съемки 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. М., "Машиностроение", 1976
Д.С. Волосов -- Фотографическая оптика. М., "Искусство", 1971 г.
Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов: "Теория оптических систем" -- М., "Машиностроение", 1973 г.
Ссылки по теме:
ГОСТ 25502-82 Объективы. Фотографическая разрешающая способность.
Вопросы и ответы: Объективы. Классификация.
Вопросы и ответы: Информационная емкость.
Вопросы и ответы: Фокусировочный экран.
Оптические технологии КМЗ
Загадочные дефекты -- о бликозащищенности фототехники
Robert Monaghan: Some Thoughts on Qualities of Lenses...
|