Dodatek HWzory · takPoziom · głębiejEXT OF · R.15, R.21
Dodatek H / Głębiej

MTF: co naprawdę mierzy wykres ostrości

Funkcja przenoszenia kontrastu, splot z funkcją rozmycia punktu, czytanie wykresów producentów i różnica między rozdzielczością a kontrastem.

Co tu jest
Definicja · kontrast w funkcji drobności

Co dokładnie mierzy MTF

Weź wzór z naprzemiennych czarnych i białych pasków o zadanym kontraście i sfotografuj go. Obraz będzie miał kontrast niższy niż wzór, bo obiektyw rozmywa każdy punkt. MTF jest po prostu stosunkiem jednego do drugiego, mierzonym dla pasków o różnej gęstości.

MTF(ν) = Kobrazu / Kwzorca ν — częstotliwość przestrzenna w parach linii na milimetr. Kontrast liczony jako (max − min)/(max + min). MTF przy zerowej częstotliwości wynosi z definicji 1 i maleje wraz z zagęszczaniem pasków.

Z tej definicji wynika najważniejsze rozróżnienie, i to ono odpowiada na pytanie z Rozdziału 21. Rozdzielczość to częstotliwość, przy której MTF spada do zera — czyli miejsce, gdzie paski przestają być rozróżnialne w ogóle. Mikrokontrast to wartość MTF przy częstotliwościach pośrednich — czyli z jaką siłą paski są odwzorowane, zanim znikną.

Dwa obiektywy mogą mieć identyczną rozdzielczość i zupełnie różny mikrokontrast: jeden trzyma MTF wysoko i spada gwałtownie, drugi opada łagodnie od samego początku. Pierwszy czyta się jako „ostry i kontrastowy”, drugi jako „miękki, ale szczegółowy”. Jedna liczba nie opisuje obiektywu — opisuje go krzywa, i to jest cały powód istnienia wykresów MTF.

Warto też wiedzieć, skąd MTF się bierze formalnie, bo to porządkuje resztę. Obraz punktu nie jest punktem, tylko plamką — funkcją rozmycia punktu. Obraz dowolnej sceny jest splotem sceny z tą plamką. A splot w dziedzinie przestrzennej odpowiada mnożeniu w dziedzinie częstotliwości — i tym mnożnikiem jest właśnie MTF. Stąd wszystkie własności, które wypisujemy niżej.

Wykres producenta · co znaczą te krzywe

Jak to czytać

Wykresy publikowane przez producentów nie pokazują MTF w funkcji częstotliwości. Pokazują ją w funkcji odległości od środka kadru, dla dwóch albo trzech ustalonych częstotliwości — bo interesuje nas, jak obiektyw wypada w rogach, a nie tylko na osi.

Typowy wykres MTFoś pozioma to odległość od środka
0510 1521,6 mm odległość od środka kadru 1,00,50 10 40 rozejście = astygmatyzm sagitalna tangencjalna cyjan · 10 par/mm — makrokontrast fiolet · 40 — detal
Cztery krzywe, dwie informacje: wysokość mówi o kontraście, rozejście linii ciągłej i przerywanej o astygmatyzmie.

Częstotliwości niskie — zwykle 10 par linii na milimetr — opisują makrokontrast, czyli ogólną „siłę” obrazu. Wysokie, 30 albo 40, opisują drobny detal. Obiektyw z wysoką krzywą przy 10 i niską przy 40 wygląda kontrastowo i miękko naraz; odwrotny wygląda szczegółowo, ale płasko.

Krzywa sagitalna dotyczy struktur ułożonych promieniście względem środka kadru, tangencjalna — ułożonych w poprzek. Jeśli obie biegną razem, obiektyw jest wolny od astygmatyzmu z Rozdziału 12. Jeśli się rozchodzą, odległość między nimi jest wprost miarą tej wady — i to jest jedyna rzecz, którą z wykresu MTF da się odczytać jako konkretną aberrację.

Trzy zastrzeżenia, bez których wykres łatwo przecenić. Po pierwsze, bywa liczony, a nie mierzony — z projektu, a nie z egzemplarza. Po drugie, podaje się go zwykle przy pełnym otworze i przy ostrości na nieskończoność, czyli w jednym punkcie z wielu. Po trzecie, milczy o wszystkim, co nie jest kontrastem: o bokeh, o flarze, o kolorze i o przejściu do nieostrości. Mierzy jedną z czterech osi z Rozdziału 21, i to nie tę, która najczęściej decyduje o wyborze.

Sufit · gdzie kończy się to, co możliwe

Granica dyfrakcyjna i Nyquist matrycy

Żadna konstrukcja nie może przekroczyć granicy postawionej przez dyfrakcję z Rozdziału 10. Istnieje częstotliwość, przy której MTF spada do zera nawet dla obiektywu idealnego, i zależy ona wyłącznie od liczby przysłony:

νgr = 1 / (λ · N) νgr — graniczna częstotliwość przestrzenna w parach linii na milimetr, przy której nawet układ doskonały przestaje cokolwiek przenosić. λ w milimetrach: dla 550 nm to 0,00055 mm.
Sufit dyfrakcyjny kontra rozstaw pikseli

f/2 1 / (0,00055 · 2) = 909 par/mm

f/8 1 / (0,00055 · 8) = 227 par/mm

f/22 1 / (0,00055 · 22) = 83 pary/mm

matryca 6 µm Nyquist = 1 / (2 · 0,006) = 83 pary/mm

Ostatnie dwa wiersze są równe i nie jest to zbieg okoliczności wart przeoczenia. Przy f/22 obiektyw doskonały przestaje przenosić dokładnie tam, gdzie kończy się zdolność matrycy o rozstawie sześciu mikrometrów. Powyżej tej przysłony matryca nie ma już czego rejestrować — cokolwiek by kosztowała. Ten sam wniosek postawiła tabela w Dodatku D od strony krążka Airy'ego; tu wychodzi od strony częstotliwości i zgadza się co do liczby.

Obiektyw pracujący blisko tej granicy nazywa się ograniczonym dyfrakcyjnie. Jest to komplement, ale komplement warunkowy: przy f/2 granica leży tak wysoko, że nikt jej nie dotyka, więc określenie to ma sens praktyczny dopiero od średnich przysłon w górę. Każdy obiektyw jest ograniczony dyfrakcyjnie przy f/22 — i dlatego wszystkie są tam jednakowo miękkie, jak stwierdzono w Rozdziale 6.

Kaskada · dlaczego łańcuch jest gorszy od najsłabszego ogniwa

MTF się mnoży

Ponieważ każdy element toru obrazowego wykonuje splot, a splot to mnożenie w dziedzinie częstotliwości, MTF całego łańcucha jest iloczynem MTF jego części.

MTFcałość(ν) = MTFobiektyw · MTFmatryca · MTFfiltr · MTFwyświetlanie Każdy człon jest liczbą z przedziału od 0 do 1 dla danej częstotliwości. Iloczyn liczb mniejszych od jedności jest mniejszy od każdej z nich — i to jest cała treść tego wzoru.

Konsekwencja jest mniej intuicyjna, niż wygląda. Łańcuch nie jest tak dobry jak najsłabsze ogniwo — jest gorszy od niego. Obiektyw o MTF 0,8 na matrycy o MTF 0,8 daje 0,64, choć obie części osobno wyglądają przyzwoicie. Stąd bierze się rozczarowanie znane każdemu, kto dołożył bardzo dobry obiektyw do przeciętnej kamery: poprawa jest mniejsza, niż wynikałoby z różnicy między obiektywami.

Dla artysty CG ten sam wzór ma zastosowanie odwrotne i bardzo praktyczne. Render jest obrazem o MTF równym jedności na wszystkich częstotliwościach — idealnie ostrym, bo nie przeszedł przez żaden splot. Żeby usiadł w materiale, trzeba go przemnożyć przez to, przez co przeszedł plate: przez obiektyw, przez matrycę i przez filtr dolnoprzepustowy, jeśli był. To jest formalny opis tego, co w compie nazywa się „zmiękczeniem renderu do plate'u” — i wzór mówi wprost, że jest to operacja konieczna, a nie kosmetyczna.

Warto przy tym zmiękczać we właściwej kolejności i właściwym jądrem. Splot z jądrem odpowiadającym rzeczywistej funkcji rozmycia punktu daje poprawny wynik na wszystkich częstotliwościach naraz; rozmycie gaussowskie „na oko” obniża wysokie częstotliwości zbyt mocno, a średnie za słabo — i dlatego zmiękczony render bywa jednocześnie za miękki i wciąż odróżnialny od materiału.