Сегодня фотолюбители часто произносят фразу “у меня мегапикселей больше”. Мегапиксели стали своего рода мерилом крутости. Но более продвинутые пользователи знают, что количество мегапикселей далеко не самый объективный параметр, по которому можно сравнивать фотокамеры. Разберёмся, в чём же дело и что такое “мегапиксели”.

Детектор цифрового фотоаппарата, матрица, состоит из фоточувствительных ячеек – пикселей (pixels, сокращённо px). Количество пикселей по ширине и высоте матрицы определяют размеры получаемого изображения, а их произведение – площадь. Мега – миллион, а т.к. технологии уже как 6 лет позволяют размещать в массовом порядке на матрицах миллионы ячеек, то и для краткости вместо миллиона пикселей используют термин “мегапиксель”. Итак, именно площадь матрицы измеряется в мегапикселях.

В этом не сложно убедиться:

640 x 480     =    300 000 px = 0.3 Мp (ныне используются в телефонных камерах)
1600 x 1200 = 1 920 000 px ~ 2 Mp
2272 x 1704 = 3 871 000 px ~ 4 Mp
3008 x 2008 = 6 040 000 px ~ 6 Mp
... и так далее

Из этого следует ряд важных выводов. Во-первых, раз мегапикселями меряют площадь, то и величина эта квадратичная (как произведение ширины на высоту). А значит добавление каждого дополнительного мегапикселя в матрицу вносит всё меньший выигрыш в увеличение сторон изображения. Это видно на следующем примере: относительная разница между 0.3 и 1.3 Мp такая же, что и между 1.3 и 4 Mp или же между 4 и 16 Mp. Т.е. если мы хотим увеличить геометрические размеры картинки в два раза, то площадь мы должны увеличить уже в 4 раза. На непонимании этого факта маркетологи сегодня прекрасно продают незнающим пользователям камеры по 8, 10 Мпикс. Нетрудно предположить, что в будущем и 11, и 12 Mp цифровые мыльницы будут преподноситься как некий прорыв для любителей. Хотя из вышесказанного очевидно, что разница между 4 и 5 Mp существенней, чем между 10 и 12 Mp.

Рис.1 Зависимость между площадью кадра и его
большей стороной

На Рис.1 показана графическая зависимость между площадью кадра и его большей стороной (для соотношения сторон кадра 3/4). Видно, что для того, чтобы получить по большей стороне 2500 px нам нужна матрица ~5 Мp, а чтобы получить 5000 px – уже 19 Mp. Если время 5 Mp камер уже уходит, то эра 19 Mp малоформатных камер и мыльниц ещё и не начиналось.

Теперь вопрос: 0.3 Mp (обычное разрешение камеры телефона) – это много или мало? Наверняка вы вспомните свой телефон и его ужасные замыленные фотографии. А теперь взгляните на Рис.2:

Рис.2 Сверху вниз:
6 в 0.3 - зеркальная камера
4 в 0.3 - цифровая мыльница
2 в 0.3 - цифровая мыльница
0.3 в 0.3 - мобильный телефон

Здесь показаны фотографии с четырёх разных камер: 6 Mp (зеркальная), 4 и 2 Mp (разные цифромыльницы) и 0.3 Mp (телефон). Фотографии делались приблизительно в одно время. Затем уменьшались до разрешения телефона, т.е. 0.3 Mp. Хорошо видно, что на более дорогих камерах картинка весьма детализирована даже в таком казалось бы маленьком разрешении. В чём причина? Кто-то скажет, что тест не объективен, ибо изображение получалось на матрицу с заведомо большим разрешением. Но это не так. В идеале получаемое изображение должно быть разрешено пиксель в пиксель. Т.е. если какая-то деталь сюжета имеет угловой размер в 1 пиксель, то она должна отобразиться. В реальности этого не происходит из-за погрешностей, вносимых на разных этапах получения изображения. Проследим, как получается изображение в камере:

1. Сначала свет проходит через объектив. Здесь на детализацию оказывает влияние качество оптики. В общем, под качеством оптики понимается целая совокупность параметров: просветление, диаметр и материал линз, их количество, плюс влияние размера относительного отверстия (диафрагмы). Очевидно, что стеклянный объектив зеркальной каперы и пластиковый “глазок” мобильного телефона имеют колоссальную разницу. Самыми распространёнными проблемами, возникающими на этом этапе являются мыло (непосредственный враг разрешающей способности) и хроматические аберрации (появление розовых и голубых ореолов). Влияние мыла прекрасно видно, на Рис.2 (нижнее телефонное фото).

Рис.3 Пример хроматических аберраций на ветках дерева (справа эффект проявляется сильнее)

2. Затем свет попадает на матрицу. Но до этого, он проходит через так называемый АА-фильтр (anti-aliasing filter). Он необходим против муара – паразитного эффекта, возникающего при наложении двух периодических решёток друг на друга. Т.к. матрица сама по себе периодическая структура (сеточка пикселей), то появление в кадре параллельных прямых или клеточек сразу приводит к появлению муара. В плёночных фотоаппаратах этой проблемы нет, т.к. зерно на плёнке имеет стохастическую (т.е. случайную) структуру. АА-фильтр приводит к небольшому замыливанию изображения.

Рис.4 Эффект муара при наложении двух решёток.

3. Теперь непосредственно матрица. Тепловой и электронный шум матрицы вносят дополнительную погрешность в изображение. Матрица – это ПЗС (прибор с зарядовой связью) – полупроводниковый прибор, а полупроводники как известно очень чувствительны к температуре. Шум сильнее проявляется при длительных выдержках и является самым непосредственным врагом разрешения. Сильный шум способен полностью уничтожить мелкие детали изображения. Алгоритмы дешёвых камер устроены так, что в плохо освещённых условиях фотоаппарат повышает чувствительность матрицы. Это значит, что АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) обрабатывает предварительно усиленную информацию с матрицы. Поскольку усиливается не только полезная информация, но и шумы матрицы, то их влияние оказывается сильнее и уничтожается всё больше деталей. Особенно это заметно в телефонах, которые предназначены обычно для съёмки в слабо освещённых помещениях и чувствительность матрицы у них очень высока.

Рис.5 Пример зашумлённого изображения

Также надо сказать, что собственный шум матрицы сильно зависит от количества пикселей на самой подложке. Матрица – понятие не абстрактное, а физическое и соответственно имеет свои геометрические размеры. Несложно догадаться, что в цифровых мыльницах и зеркальных камерах стоят матрицы разных размеров. Как вы думаете, в какой матрице будет меньше шумов: в маленькой цифромыльничной 10 Мp или большой “зеркальной” 10 Mp? Чем больше физический размер пикселя – тем меньше собственный шум. Матрица – весьма дорогой элемент, а т.к. с увеличением матрицы необходимо увеличивать и объективы, то в мире цифрового фото по размерам матриц можно провести некоторую классификацию камер:

Видите, на маленькую матрицу можно впихнуть хоть 20 Мp, только реальной чёткости не будет.

Рис.6 Сравнение размеров матрицы.

4. И последний этап – обработка оцифрованного сигнала в программном обеспечении камеры. Т.к. среднестатическому пользователю мыльницы или телефона не хочется получать многомегабайтные файлы, то непременно происходит сжатие изображения в JPEG формат. На этом этапе происходит львиная доля потерь. Если у нас матрица 6 Mp и каждый пиксель кодируется 8-битами, то для хранения такого файла в идеале должно потребовать 6 Мбайт. В цифромыльничных камерах такой файл ужимается обычно раза в 4 (до 1.5 Мб). Впрочем, эта проблема решается легче всего. Если камера поддерживает RAW-формат, то мы можем получать с матрицы непосредственный слепок до обработки и сжатия, т.е. сырую информацию (raw по-английски – “сырой”). К сожалению, в цифровых мыльницах или телефонах RAW вряд ли поможет существенно поднять разрешение. Там он может быть использован только для коррекции баланса белого (да-да, баланс белого тоже устанавливается уже после оцифровки изображения в программном обеспечении камеры и эту процедуру можно перевалить с процессора камеры на свою умную голову при помощи RAW).

Итак, теперь вы можете по Рис.2 определить, где и на каком этапе потерялось больше деталей. Для фото 2->0.3 это чрезмерное сжатие в JPG. Для фото 0.3->0.3 (мобильный телефон) – это влияние матрицы и плохой объектив. Для двух верхних фото влияние всех факторов практически невелируются из-за того, что изображения получены путём интерполяции большего изображения в меньшее. В данном случае сам алгоритм интерполяции вносит больше искажений, чем все остальные факторы.

Выводы:

1) Мегапиксели – это площадь и чем больше мегапикселей будут размещать на матрицах одинакового физического размера, тем меньше будет прирост разрешающей способности.

2) Мегапиксели – не мера реальной разрешающей способности получаемого изображения. Это просто количество ячеек на матрицы, т.е. то количество точек, которое попадает на вход АЦП. Реальная разрешающая способность измеряется с помощью мир (Рис.7).

Рис.7 Мира по стандарту ISO 12233

Советы:

Нет, увеличение мегапикселей – не плохая тенденция. Маркетологи активно используют числовые параметры техники, чтобы успешно её продвигать: размеры LCD-экранов, зум, массо-габаритные показатели, те же мегапиксели. Главный вывод: для каждой цели – своя техника. Можно покупать любую понравившуюся технику, но лучше будет, если вы будете знать эту правду о мегапикселях. Возможно, это позволит вам сконцентрировать внимание на других параметрах цифровых камер и выбрать более оптимальный вариант. Но главное, конечно, это сама получаемая фотография. Если она вам нравится – то это “ваш” фотоаппарат. Я видел множество примеров, когда на отвратительные фотоаппараты делали шедевры. Никакие мегапиксели не должны вам помешать делать прекрасные снимки - правда лежит вне мегапикселей.

А знаете ли вы, что разрешение человеческого глаза равно 576 Mp

Полезные ссылки:

1. Про муар (на аглийском): http://en.wikipedia.org/wiki/Moire
2. Про фотопараметры человеческого зрения (на английском): http://www.clarkvision.com/imagedetail/eye-resolution.html
3. Про хроматические аберрации (на аглийском): http://en.wikipedia.org/wiki/Chromatic_aberration

http://aspmaster.livejournal.com