Oltre i megapixel: cosa determina realmente la risoluzione dell'obiettivo della fotocamera
Esiste una specifica che appare su quasi tutte le schede tecniche delle fotocamere moderne:
Megapixel.
5MP. 8MP. 12MP. 24MP.
Il numero è facile da capire, facile da confrontare e molto facile da commercializzare.
Ma se hai dedicato abbastanza tempo allo sviluppo di sistemi di telecamere, alla fine ti imbatti in una domanda scomoda:
L'obiettivo può essere realerisolvere cosa il sensore è in grado di catturare?
È qui che le cose si fanno più interessanti.
Un sensore da 8 MP non fornisce automaticamente un'immagine di qualità 8 MP. Il sensore fornisce la capacità di campionamento, ma l'obiettivo deve fornire dettagli ottici sufficienti affinché i pixel siano utili.
In altre parole, una fotocamera non è una competizione tra i megapixel del sensore.
È un sistema.
E l'obiettivo è una delle parti più importanti di quel sistema.
Risoluzione del sensore e risoluzione ottica
Partiamo da una semplice distinzione.
Risoluzione del sensoredescrive quanti pixel ha il sensore.
Risoluzione otticadescrive quanti dettagli spaziali l'obiettivo può effettivamente riprodurre.
Queste due specifiche sono correlate, ma non sono la stessa cosa.
Immagina di fotografare una targa lontana.
Un sensore da 8 MP può avere molti pixel disponibili per registrare la targa. Ma se l’obiettivo produce un’immagine sfocata e a basso contrasto, quei pixel non possono ricostruire magicamente i personaggi.
Potresti ritrovarti con più pixel che descrivono la sfocatura.
Questo non equivale a maggiori dettagli.
Questo è il motivo per cui semplicemente mettendo un sensore ad alta risoluzione dietro un obiettivo vecchio o scarsamente abbinato può produrre risultati deludenti.
Il sensore potrebbe essere nuovo.
L'immagine potrebbe non esserlo.
La dimensione dei pixel cambia la sfida ottica
Un altro fattore che gli ingegneri devono sempre più considerare è la dimensione dei pixel.
Con l’avanzare della tecnologia dei sensori, i produttori possono inserire più pixel nella stessa area fisica.
Sembra un miglioramento evidente.
Ma c’è un compromesso.
Pixel più piccoli indicano che il sistema ottico potrebbe dover riprodurre dettagli più fini per sfruttare appieno il sensore.
Ad esempio, una fotocamera che utilizza un pixel pitch relativamente grande può essere meno impegnativa per l'obiettivo rispetto a un sensore con pixel estremamente piccoli e una densità di pixel molto più elevata.
Ciò crea una domanda importante durante lo sviluppo della fotocamera:
La risoluzione dell'obiettivo è sufficientemente elevata per il pixel pitch del sensore?
Un obiettivo che ha funzionato perfettamente con un sensore più vecchio potrebbe non fornire automaticamente le stesse prestazioni pratiche se abbinato a un sensore più nuovo e più denso.
Questo è uno dei motivi per cui la selezione dell'obiettivo dovrebbe avvenire insieme alla selezione del sensore anziché considerare l'obiettivo come un ripensamento.
Perché MTF è più importante di un'etichetta Megapixel
Se vuoi capire la reale risoluzione ottica, alla fine devi parlarneMTF — Funzione di trasferimento della modulazione.
La terminologia sembra intimidatoria.
L'idea di base non lo è.
MTF descrive quanto bene un sistema ottico preserva il contrasto a diversi livelli di dettaglio.
Pensa a fotografare una serie di linee in bianco e nero sempre più sottili.
In generale, i modelli facili da vedere, quasi tutti gli obiettivi decenti possono riprodurli.
Man mano che le linee diventano più sottili, l'obiettivo perde gradualmente contrasto.
Un potente sistema ottico mantiene un contrasto utile anche nella gamma dei dettagli più fini.
Questo è ciò che MTF aiuta gli ingegneri a valutare.
Questo è il motivo per cui una seria specifica sugli obiettivi non dovrebbe fermarsi a:
“Supporta 8 MP.”
Una migliore valutazione chiede:
Qual è la performance del sistema multilaterale di negoziazione?
A quali frequenze spaziali?
Come si comporta al centro?
Cosa succede verso il bordo?
Le prestazioni rimangono stabili all'apertura prevista?
Queste domande ti dicono molto di più sul sistema ottico attuale.
La risoluzione centrale non è tutta la storia
Uno dei modi più semplici per far sì che un obiettivo abbia un aspetto impressionante è mostrare un'immagine centrale molto nitida.
Il problema è che le fotocamere non fotografano solo il centro.
Le telecamere di sicurezza grandangolari, le telecamere per autoveicoli, le telecamere per droni e i sistemi robotici spesso dipendono fortemente dalle informazioni delle immagini periferiche.
Un obiettivo può fornire un'eccellente nitidezza al centro ma prestazioni notevolmente inferiori vicino ai bordi.
Ciò può influenzare:
Rilevamento di oggetti
Riconoscimento facciale
Riconoscimento del veicolo
Comprensione della scena
Ispezione con visione artificiale
Ad esempio, una telecamera di sicurezza che sorveglia un parcheggio potrebbe rilevare un veicolo che entra vicino al bordo dell'immagine.
Se il centro sembra fantastico ma i bordi sono morbidi, l'impressionante specifica di risoluzione della fotocamera non racconta tutta la storia.
Per gli ingegneri, la domanda più utile è:
Quanto uniformemente si comporta l'obiettivo sull'immagine?
Le aberrazioni rubano silenziosamente i dettagli
Le aberrazioni ottiche sono un altro motivo per cui una fotocamera con un elevato numero di megapixel potrebbe non riuscire a fornire la qualità dell'immagine prevista.
I problemi comuni includono:
Aberrazione sferica
Aberrazione cromatica
Coma
Astigmatismo
Curvatura del campo
Non è necessario essere un progettista ottico per comprendere il risultato.
La conseguenza pratica è semplice:
I dettagli diventano meno precisi.
I bordi potrebbero perdere contrasto. Le strutture fini possono apparire colorate o macchiate. Gli angoli potrebbero diventare più morbidi.
La moderna progettazione ottica implica quindi molto più che la semplice scelta della lunghezza focale e dell'apertura.
Il sistema ottico deve bilanciare più fattori contemporaneamente.
Anche la distorsione è un problema di qualità dell'immagine
La distorsione viene talvolta trattata come un problema puramente visivo.
Non è sempre così.
Per una fotografia casuale, le linee rette curve possono semplicemente sembrare poco attraenti.
Per la visione artificiale o le applicazioni di intelligenza artificiale, la geometria può essere importante.
Un obiettivo grandangolare con una distorsione significativa può far apparire gli oggetti vicini al bordo molto diversi dalla loro forma e posizione reali.
Ciò non significa che ogni applicazione necessiti di una distorsione ultra-bassa.
Una telecamera di sicurezza può ragionevolmente accettare una certa distorsione in cambio di un campo visivo molto più ampio.
Un sistema di misurazione industriale potrebbe non esserlo.
Ancora una volta, l’ingegneria ottica riguarda i compromessi.
L’obiettivo “migliore” dipende da cosa dovrebbe fare la fotocamera.
Perché "Obiettivo 8MP" è una descrizione incompleta
Questo è forse il punto più importante.
La frase “Obiettivo da 8 MP” è utile per il marketing, ma tecnicamente incompleto.
La risoluzione è influenzata dalla relazione tra:
Lente
Sensore
Dimensione pixel
Apertura
Cerchio immagine
CRA
Elaborazione delle immagini
Condizioni di illuminazione
Una lente non esiste isolatamente.
Un particolare obiettivo può funzionare molto bene con un sensore e meno efficacemente con un altro perché i requisiti ottici sono cambiati.
Questo è il motivo per cui gli esperti ingegneri fotografici di solito chiedono il modello del sensore e i requisiti ottici prima di approvare un obiettivo.
Un fornitore che dice immediatamente "Sì, questo obiettivo supporta 8MP" senza chiedere nient'altro potrebbe rispondere alla domanda di vendita piuttosto che a quella di progettazione.
Quindi come dovrebbero gli ingegneri valutare un obiettivo ad alta risoluzione?
Invece di iniziare con i megapixel, consiglio di iniziare con l'applicazione.
Chiedere:
1. Quale sensoreverrà utilizzato?
Il formato del sensore e la dimensione dei pixel stabiliscono i requisiti ottici.
2. Quale campo visivo è richiesto?
Un design grandangolare presenta sfide diverse rispetto a un obiettivo ad angolo stretto.
3. Quale livello di dettaglio è effettivamente importante?
Una telecamera di sicurezza che identifica una persona a diversi metri di distanza ha requisiti diversi rispetto a una telecamera con visione artificiale che ispeziona un piccolo componente.
4. Quanto sono importanti le prestazioni dei bordi?
Per molti sistemi grandangolari, questo è fondamentale.
5. Cosa succede all'apertura prevista?
Un obiettivo può funzionare in modo diverso se utilizzato a tutta apertura rispetto a quando viene chiuso.
6. Cosa mostrano i dati MTF?
Ciò fornisce informazioni molto più utili rispetto alla sola etichetta megapixel.
Il vero significato di “alta risoluzione”
Un obiettivo ad alta risoluzione non è semplicemente un obiettivo con un numero elevato stampato accanto.
Si tratta di un sistema ottico in grado di riprodurre dettagli fini con un contrasto sufficiente, attraverso il campo dell'immagine richiesto, nelle condizioni operative previste.
Questo è un problema ingegneristico molto più difficile.
E onestamente è per questo che due obiettivi con specifiche apparentemente simili possono avere prezzi molto diversi.
Non stai semplicemente pagando più vetro.
Stai pagando per la progettazione ottica, le tolleranze, i materiali, l'accuratezza della produzione, il rivestimento, l'assemblaggio e i test.
Presso Boshi Optics vengono sviluppate soluzioni ottiche per applicazioni che vanno dalla sorveglianza di sicurezza e all'imaging automobilistico all'imaging medico, ai dispositivi intelligenti e ad altri sistemi di telecamere. Il portafoglio di prodotti dell'azienda comprende obiettivi con diversi formati di sensore, risoluzioni, campi visivi, aperture e strutture ottiche, riflettendo la realtà che non esiste un unico obiettivo “migliore” per ogni fotocamera.
Considerazione finale: smetti di contare i pixel, inizia a guardare le informazioni
I megapixel sono utili.
Ti dicono quanti pixel può fornire un sensore.
Ma non dicono quante informazioni utili il sistema ottico può fornire a quei pixel.
Ecco perché gli ingegneri esperti guardano oltre il numero sulla scatola della fotocamera.
Guardano l'MTF.
Guardano la dimensione dei pixel.
Guardano alle prestazioni dal centro al bordo.
Esaminano le aberrazioni, la distorsione, l'illuminazione e la compatibilità dei sensori.
Soprattutto, guardano l'immagine reale.
Perché alla fine i clienti non acquistano 8 milioni di pixel.
Comprano i dettagli che quei pixel dovrebbero mostrare.
