Графики MTF

Научный подход не привлекает: начав разбираться и дойдя до «кружков нерезкости», «дисков Эйри», «теоремы Найквиста-Шеннона (она же – теорема Котельникова)», «критерия Райли» и прочего, я в очередной раз убедился в своей ограниченности и капитулировал. Попробуем упростить до удобоваримого для фотографа-любителя уровня: резкость определяется двумя тесно связанными, но таки отличающимися друг от друга показателями. Это «контурная резкость» (acutance) и «разрешение» (resolution). Разобравшись с ними и связанными понятиями (такими как «микроконтраст»), можно приступать и к разбору одного из основных фотографических терминов: MTF (modulation transfer function) – функции передачи модуляции или по-русски: частотно-контрастным характеристикам объектива.

Акутанция и резолюция.

Резкость применительно к фотографии, как уже сказано, состоит из двух компонентов – контрастности переходов (контрастной резкости) и разрешения. Причем - с точки зрения разработчика объективов – контрастность и разрешение находятся в конфликте: увеличив один показатель, он автоматически уменьшает другой и наоборот. Поэтому, любой объектив – компромисс между двумя указанными характеристиками. Ни подтвердить, ни опровергнуть не могу, но считается, например, что оптика Zeiss отдает предпочтение разрешению, а объективы Leica стремятся к максимальному контрасту – так их проектируют.

Начнем с контрастности. Рисунок 1-1 показывает отличную контрастность переходов – границы черных и белых полосок четки, переход черный/белый и наоборот мгновенен, черные линии – совершенно черные, белые - белые  (как и должно быть у хорошего объектива). На рисунке 1-2 контрастность переходов хуже, а 1-3 – еще хуже (1-3 соответствует не очень хорошему объективу). Сразу применим постобработку: рисунок 1-4 – это 1-2 с небольшим уровнем повышения резкости в Фотошопе, а 1-5 – это 1-3 с высоким уровнем повышения резкости. Повышая резкость – или в фотоаппарате или в графическом редакторе - мы повышаем именно контрастность переходов – один из двух компонентов, которые отвечают за воспринимаемую резкость.  Однако, и здесь не все так просто: исправить снижение контраста можно лишь до определенной степени – контрастность и четкость переходов увеличивается, но белый и черный так и останутся оттенками серого.

Если делать линии, изображенные на рисунке 1, тоньше и сдвигать их ближе друг к другу, то в один момент объектив уже не сможет видеть, что это чередование белых и черных линий – будет виден только серый фон. Этот показатель можно измерить в «линиях на миллиметр» для конкретного объектива (предполагая, что матрица фотоаппарата обладает достаточным разрешением и не выступает ограничивающим фактором). Для интересующихся: термины «пара линий» и «линия» в данном случае взаимозаменяемы – просто потому что для оптики «линия» уже предполагает наличие фона – иначе ее не видно. Показатель разрешающей способности, соответственно, это измерение мельчайших деталей, которые способен различить объектив в линиях на миллиметр. Именно разрешение – вкупе с контрастностью – и дает нам ощущение резкости. Часто разрешение (способность объектива четко различать  мелкие объекты) называют «микроконтрастом».

Рисунок 2 аналогичен рисунку 1, только линии на нем тоньше и расстояние между ними меньше. Обратите внимание, что рисунок 2-3 – наш символ «не особо кузявого объектива» - уже находится практически на грани разрешающей способности: то, что серый прямоугольник состоит из черных и белых линий скорее угадывается, чем отчетливо видится. Рисунки 2-4 и 2-5 – лучшее, чего я смог добиться постобработкой из рисунков 2-2 и 2-3.  В отличие от случая с контрастностью, обработка в графическом редакторе разрешающей способности не добавляет. Рисунок 2-4 лучше рисунка 2-2, но все равно явно хуже рисунка 2-1. Рисунок 2-5 показывает некоторое улучшение рисунка 2-3, но незначительно, да и артефакты постобработки появились. В отличие от контрастности, разрешение (оно же - микроконтраст) улучшено при обработке в графическом редакторе быть не может. Уж коль нет его в изображении, то и взять неоткуда, каким бы фотошопным гуру вы не были. (Разрешение чрезвычайно важно при печати фотографий больших размеров, но не для jpeg для интернета. Для последних главное – контрастность).

MTF

MTF (modulation transfer function) - это способ измерения максимальных контрастности и разрешения, на которые способен объектив. Формула подсчета проста: максимум-минимум/максимум+минимум. Для примера предположим, что белый = 1, а черный = 0. Для каждой пары линий на рисунке 1-1 и рисунке 2-1 максимум равен единице (белая линий в каждой паре полностью белая), а минимум равен 0 (черная линия полностью черная). Отсюда, MTF пары линий в хорошем разрешении равен 1 (1-0/1+0). Но в реальности, объектив не может передать всю информацию, и контрастность теряется. Измерим рисунок 2-2: максимальное значение самого светлого участка составляет 0,67 и минимальное значение самого темного участка - 0,33 (объектив не способен четко разделять белые и черные линии - они в оттенках серого). И MTF поэтому будет равна 0,34 (0.67-0.33/0.67+0.33). Рисунок 2-3 имеет MTF 0,08. Для получения данных фотографируются специальные мишени.

Отсюда: MTF информирует о способности объектива различать белые и черные линии: значение, равное 1, говорит о том, что линии делятся на полностью белые и полностью черные. Значения ниже единицы говорят, что белый – уже не чисто белый, а черный – не чисто черный, и, например, значение MTF в 0,5 говорит, что темная часть отличается от светлой в два раза, но  сами линии еще различимы.

Если тестировать объективы на двух разных по размеру наборах линий, один набор 10 линий/мм, другой – 30 линий/мм (не забывайте, что термины «линия» и «пара линий» оба обозначают одну черную и одну белую линию), получатся два показателя. Способность объектива четко передавать крупные линии говорит о хорошей контрастности объектива. Способность же к разрешению мелких линий (30 линий/мм) показывает хорошую разрешающую способность (или микроконтраст).

Графики MTF

Предположим, что мы получили данные MTF объектива: результат в 0,95 для 10 линий/мм и 0,7 для 30 линий/мм. Это дает возможность сравнивать качество этого объектива с другими объективами. Но полученные данные соответствуют изображению, получаемому центральной частью объектива, а нам известно, что по центру объективы дают наилучший результат, а вот углы и края изображения могут серьезно проигрывать. Поэтому объективы тестируют не только по центру, но и на всем протяжении до края линзы. Данные отражают на графике, показывающем насколько хороша MTF этого объектива от центра и до самого края – и на 10 линиях/мм и на 30. Толстые линии на графике соответствуют данным, полученным на 10 линиях/мм, тонкие  - на 30 линиях/мм. Пример приведен на рисунке 3. По вертикальной оси показываются данные контраста (от 0 до единицы: единица соответствует 100% передаче контраста, 0,9 – 90 процентной, 0,8 – 80% и так далее). Некоторые производители идут дальше: тестируют объектив на полностью открытой диафрагме и на значении диафрагмы, обеспечивающем наилучшие результаты, скажем, на f8. Графики, содержащие такую информацию, разноцветные: цвет линий соответствующий разным значениям диафрагмы будет разным. На приведенном рисунке черная линия относится к данным, полученным на f8, синяя – к данным, полученным на полностью открытой диафрагме.

Что же говорит об объективе приведенный график? Результаты на 10 линиях/мм превосходят результаты, полученные на 30 линиях/мм – это очевидно. На диафрагме f8 (черные линии на графике) объектив дает резкую картинку от центра и до 3/4 расстояния до края.  На расстоянии 15 мм от центра показатели – особенно на 30 линий/мм (разрешение) – падают. В обзоре это отразят так: «Мыльноват/мягок по краям даже на прикрытых диафрагмах».  Синие линии мвидетельствуют, что объектив по центру дает неплохие результаты, но резкость падает к краю кадра. Как это применить к реальной ситуации? Пейзажный фотограф, преимущественно снимающий на прикрытых диафрагмах, скажет, что его экземпляр объектива резкий.  Такой же ответ, скорее всего, последует и от портретного фотографа, который в большинстве случаев размещает основной объект по центру изображения даже на открытых диафрагмах. Свадебный же фотограф, который часто использует диафрагму 2.8 заявит, что объектив «мыльный до невозможности им пользоваться», потому что все объекты по краям кадра будут нерезкими. И все они будут правы.

Настоящие графики МТФ чуть сложнее приведенного примера: есть еще одна деталь. Разрешение объективов отличается в зависимости от того, как направлены пары линий (штрихов) на мишени. Поэтому линии на мишени располагают по-разному. Если линии параллельны радиусу объектива (напомню, что радиусом будет любая прямая линия, проведенная от центра объектива к его краю) они называются сагиттально ориентированными (или иногда – радиальными); линии, расположенные перпендикулярно радиусу называются тангенциальными. На рисунке будет понятнее, чем на словах – рисунок 4 дает пример тех и других.

Обычно данные полученные с сагиттальных линий отображаются сплошной линией, а данные с тангенциальных – прерывистой или пунктирной. Пример графика, содержащего такую информацию приведен на рисунке 5.

Толстые линии показывают данные MTF на 10 лин./мм (насколько хорош контраст объектива). Тонкие – разрешающую способность. Практически для всех объективов применимы следующие оценки: MTF выше 0.8 – превосходно, 0.6-0.8 – хорошо, 0.4-0.6 – удовлетворительно, ниже 0.4 – мягко говоря «очень не очень». Толстые линии на примере (Рисунок 5) показывают превосходную контрастность на диафрагме f8 практически по всему полю (толстая черная линия); хорошую контрастностью по центру и на расстоянии до половины/трех четвертей от центра на открытой диафрагме (толстая синяя линия). Тонкие линии (указывающие на разрешающую способность объектива) говорят о хорошем, но не превосходном результате на f8 (тонкие черные линии) и очень среднем на f2.8 (тонкие синие линии).

Еще подсказка: если сплошные и прерывистые линии (отражающие данные, полученные с сагиттальных и тангенциальных участков на мишени) идут рядом, бок о бок, то зона нерезкости объектива будет мягкой и красивой (хорошее «боке»); если они находятся на расстоянии друг от друга, зона нерезкости будет c искажениями и некрасивая (плохое боке). Соответственно, чем ближе друг к другу сплошные и пунктирные линии, тем лучше.

Примеры сравнений MTF

Несколько замечаний:

• не стоит полагаться только на графики MTF – вряд ли они скажут что-либо об ошибках автофокуса, виньетировании, механических характеристиках объектива или качестве изготовления.
• Телеобъективы изначально качественнее широкоугольных объективов – не пытайтесь сравнивать их между собой.
• Аккуратнее пользуйтесь графиками MTF разных производителей. Данные представляются по-разному, используются разные методы тестирования. Иногда, как в случае с Canon, график строится компьютером на основе схемы объектива. Canon публикует подробные графики MTF своих объективов. Для зум-объективов – даже с данными на разных фокусных. Но на некоторые «особо удачные» модели графиков не найти. Nikon и Sigma – как правило – приводят графики MTF на открытых диафрагмах – без данных на f8. Tamron и Tokina вообще стараются не публиковать графики MTF своих объективов.

Но даже с учетом этих ограничений информация графиков MTF может быть весьма и весьма полезной.

Давайте попробуем "прочитать" сравнить графики MTF нескольких объективов.

Смотрим на график MTF объектива Canon EF 28-135/3.5-5.6 IS USM. Напоминаю, что толстые линии говорят  о контрастности, тонкие – о разрешении; черные – о работе на открытой диафрагме, голубые – на диафрагме f8.

На 28 мм на прикрытой диафрагме объектив отлично отрабатывает по контрасту, хотя есть некоторое падения разрешения к краю кадра. Разрешение к краям падает резче, но и здесь почти не опускается ниже 0,6 – «удовлетворительного» показателя. На полностью открытой диафрагме все неплохо по центру объектива и до 15 мм от центра – потом довольно резкое падение показателей. Соответственно, на коротком конце объектив очень неплох на открытой и хорошо отрабатывает на прикрытых диафрагмах на кропе, на полноформатной зеркалке края будут мыльноваты на открытой.

На 135 мм показатели лучше. Объектив можно использовать на открытой даже на полноформатной матрице, на закрытых диафрагмах ни по контрастности, ни по разрешению нареканий нет.

Сплошные линии графика находятся на большом расстоянии от прерывистых: это показатель не особо симпатичного боке. Так что ждать красивого размытия не стоит ни на открытой, ни на закрытой диафрагмах на любых фокусных.

График MTF только подтверждает мое субъективное мнение об Canon EF 28-135/3.5-5.6 IS USM: рабочая лошадь, удобный штатник, не хватающий звезд с неба, но отрабатывающий каждый потраченный рубль.

Для сравнения привожу график MTF Canon EF 24-105/4 L IS USM - объектива, который дороже в три раза.