I megapixel sono necessari!
La gara dei megapixel non è certamente "superflua". Coerentemente nell'ultimo decennio, sono stati fatti progressi sul fronte dei megapixel aumentando costantemente la qualità dell'immagine. Gli adagio aneddotici ti farebbero pensare che fosse impossibile, ma ci sono alcuni miglioramenti tecnologici e di fabbricazione che hanno reso più basso il rumore, un maggiore rapporto segnale-rumore e un aumento della gamma dinamica, nonostante la riduzione delle aree di pixel.
Penso che l'avvento del sensore Sony Exmor 36.3mp attualmente utilizzato nella Nikon D800 sia un esempio squisito di ciò che i miglioramenti tecnologici di basso livello possono fare per ridurre il rumore e aumentare la dinamica, pur consentendo significativi aumenti della risoluzione dell'immagine. In quanto tale, penso che la D800 sia un superbo esempio del motivo per cui la corsa dei megapixel non è assolutamente finita in alcun modo.
Per quanto riguarda se si tratta solo di vantarsi? Ne dubito. Strumenti migliori possono sempre essere usati efficacemente nelle mani di un abile artigiano. Una risoluzione più elevata e una gamma dinamica più bassa ISO presentano alcuni casi d'uso specifici di alto valore. Vale a dire, la fotografia di paesaggio e alcune forme di fotografia in studio. La D800 si trova in una posizione davvero unica, offrendo una qualità d'immagine di formato quasi medio in un pacchetto di circa 1/10 del costo. Per alcuni studi, non c'è sostituto per il meglio e utilizzeranno fotocamere digitali di medio formato da $ 40.000 per fornire la giusta percezione ai loro clienti. Per molti altri studi, tuttavia, e per molti fotografi di paesaggi, la D800 è un sogno diventato realtà: un sacco di megapixel e una gamma dinamica elevata.
No, la corsa dei megapixel sicuramente non è finita e non è certamente superflua. La concorrenza su tutti i fronti produce progressi su tutti i fronti, e questo è sempre e solo una cosa positiva per il consumatore.
Potenziale di miglioramento
Per andare un po 'più in profondità delle mie conclusioni sopra, c'è di più nella storia che semplicemente che la competizione su tutti i fronti è buona. Tecnologicamente, fisicamente e praticamente, ci sono limitazioni che limiteranno effettivamente i potenziali guadagni mentre continuiamo ad aumentare il numero di pixel del sensore. Una volta raggiunti tali limiti, altri utili utili a costi ragionevoli dovranno essere realizzati altrove. Due aree in cui ciò può accadere sono l'ottica e il software.
Limitazioni tecnologiche
Tecnologicamente, ci sono limiti distinti a quanto puoi migliorare il QI. La principale fonte di degradazione dell'immagine nei sensori è il rumore e ci sono una varietà di forme di rumore introdotte elettronicamente che possono essere controllate. Penso che la Sony, con i suoi sensori Exmor, sia molto vicina al raggiungimento dei limiti tecnologici, se non lo ha già fatto. Hanno utilizzato una varietà di brevetti per ridurre le fonti di produzione di rumore a livello hardware direttamente nei loro sensori. Principali fonti di rumore sono controllabili rumore corrente di buio , rumore di lettura , rumore di fondo , il rumore non uniformità , conversione (o quantizzazione) rumore e rumore termico .
Sia Sony che Canon utilizzano CDS , o doppio campionamento correlato , per ridurre il rumore di corrente scura. L'approccio di Sony è un tocco più efficiente, ma entrambi utilizzano essenzialmente lo stesso approccio. Il rumore di lettura è un sottoprodotto dell'amplificazione dovuto alle fluttuazioni della corrente attraverso il circuito. Esistono una varietà di approcci brevettati e sperimentali per rilevare la variazione di tensione in un circuito e correggerla durante l'amplificazione, per produrre un risultato di lettura "più puro, accurato". Sony utilizza un proprio approccio brevettato nei sensori Exmor, incluso quello 36.3mp utilizzato nel D800. Gli altri due tipi di rumore elettronico pre-conversione sono il rumore a trama e il rumore di non uniformità. Questi sono il risultato di discontinuità nella risposta e nell'efficienza del circuito.
Il rumore del pattern è un aspetto fisso di ciascuno dei transistor utilizzati per costruire un singolo pixel del sensore e le porte elettroniche utilizzate per avviare la lettura e il segnale flush. A livello quantico è quasi impossibile rendere ogni singolo transistor esattamente identico tra loro, e questo produce uno schema fisso di linee orizzontali e verticali nel rumore del sensore. In generale, il rumore del pattern contribuisce in misura minore al rumore generale ed è realmente un problema solo nelle regioni SNR molto basse o durante esposizioni molto lunghe. Il rumore del pattern può essere relativamente facile da rimuovere dato che si affronta correttamente il problema. Una "cornice scura" può essere costruita calcolando la media di più campioni insieme per creare un modello di disturbo del motivo che può essere differenziato con una cornice di colore per rimuovere il rumore del motivo. Questo è essenzialmente il modo in cui funziona la rimozione del rumore a lunga esposizione, ed è anche il modo in cui è possibile rimuovere manualmente il rumore di pattern fisso da lunghe esposizioni. A livello hardware, il rumore del pattern fisso può essere mitigato dalla masterizzazione in un template che inverte gli effetti di FPN in modo tale che le differenze possano essere aggiunte / sottratte al momento della lettura, in modo simile al CDS, migliorando così la "purezza" delle letture dei pixel. Oggi esistono diversi approcci sperimentali alla masterizzazione nei modelli FPN, così come approcci più astratti.
Il rumore di non uniformità, spesso chiamato PRNU o Pixel Response Non Uniformity, è il risultato di lievi variazioni nell'efficienza quantica (QE) di ciascun pixel. QE si riferisce alla capacità di pixel di catturare fotoni ed è generalmente valutato in percentuale. La Canon 5D III, ad esempio, ha un QE del 47%, il che indica che è abbastanza efficiente da catturare regolarmente il 47% dei fotoni che raggiungono ciascun pixel. Il QE effettivo per pixel può variare di +/- un paio per cento, il che produce un'altra fonte di rumore, poiché ogni pixel potrebbe non catturare lo stesso numero di fotoni dei suoi vicini nonostante riceva la stessa quantità di luce incidente. Anche la PRNU cambia con la sensibilità e questa forma di rumore può aggravarsi con l'aumentare dell'ISO. PRNU può essere mitigato normalizzando l'efficienza quantistica di ciascun pixel, minimizzare la variazione tra vicini e attraverso l'intera area del sensore. È possibile ottenere miglioramenti del QE riducendo il divario tra i fotodiodi in ciascun pixel, l'introduzione di uno o più strati di microlenti sopra ogni pixel per rifrangere la luce incidente non fotodiodo sul fotodiodo e l'uso della tecnologia dei sensori retroilluminata (che si muove molto o tutti i cavi di lettura e i transistor dietro il fotodiodo, eliminando la possibilità che possano ostruire i fotoni incidenti e rifletterli o convertirli in energia termica.)
Il rumore termico è il rumore introdotto dal calore. Il calore è essenzialmente solo un'altra forma di energia e può eccitare la generazione di elettroni in un fotodiodo proprio come un fotone può. Il rumore termico è causato direttamente dall'applicazione del calore, spesso attraverso componenti elettronici caldi come un processore di immagini o ADC. Può essere mitigato isolando termicamente tali componenti dal sensore o raffreddando attivamente il sensore.
Infine c'è rumore di conversione o rumore di quantizzazione. Questo tipo di rumore viene generato a causa di imprecisioni intrinseche durante ADC o conversione da analogico a digitale. Un guadagno non integrale (un guadagno decimale con parte intera e frazionaria) viene solitamente applicato al segnale di immagine analogica letto dal sensore durante la digitalizzazione di un'immagine. Poiché un segnale e un guadagno analogici sono numeri reali, il risultato digitale (integrale) della conversione è spesso incoerente. Un guadagno di 1 produrrebbe una ADU per ogni elettrone catturato da un pixel, tuttavia un guadagno più realistico potrebbe essere 1,46, nel qual caso potresti ottenere 1 ADU per elettrone in alcuni casi e 2 ADU per elettrone in altri casi. Questa incoerenza può introdurre rumore di conversione / quantizzazione nell'uscita digitale post-ADC. Questo contributo al rumore è piuttosto basso, e produce una discreta deviazione del rumore da pixel a pixel. Spesso è abbastanza facile da rimuovere con la riduzione del rumore del software.
La rimozione di forme elettroniche di rumore ha il potenziale di migliorare il punto nero e la purezza del nero di un'immagine. Più forme di rumore elettronico è possibile eliminare o mitigare, migliore sarà il rapporto segnale-rumore, anche per livelli di segnale molto bassi. Questo è il principale fronte sul quale Sony ha fatto progressi significativi con i suoi sensori Exmor, che ha aperto la possibilità di una vera gamma dinamica a 14 stop con un recupero dell'ombra davvero sorprendente. Questa è anche l'area principale in cui molte tecnologie di fabbricazione di sensori concorrenti sono in ritardo, in particolare i sensori Canon e di medio formato. I sensori Canon, in particolare, hanno livelli di rumore di lettura molto elevati, livelli più bassi di normalizzazione del QE, un QE complessivo più basso e usano solo CDS per mitigare il rumore di corrente scura nei loro sensori. Ciò si traduce in una gamma dinamica complessiva molto più bassa,
Una volta che tutte le forme di rumore elettronico sono mitigate a livelli in cui non contano più, ci saranno pochi produttori che possono fare per migliorare i sensori stessi. Una volta raggiunto questo punto, l'unica cosa che conta davvero dal punto di vista dell'efficienza quantica per pixel è l'area dei pixel ... e con caratteristiche elettroniche quasi perfette, potremmo probabilmente sopportare dimensioni dei pixel considerevolmente inferiori rispetto ai sensori DSLR a densità più elevata oggi (che sarebbe la Nikon D800 con i suoi pixel da 4,6 micron, la Canon 7D con i suoi pixel da 4,3 micron, e infine la Nikon D3200 con pixel da 3,8 micron.) I sensori per telefoni cellulari utilizzano pixel intorno alla dimensione di 1 micron e hanno dimostrato che tale i pixel sono vitali e possono produrre un QI abbastanza decente. La stessa tecnologia in una DSLR potrebbe andare ancora più lontano con la massima riduzione del rumore,
Limitazioni fisiche
Oltre i limiti tecnologici alla perfezione della qualità dell'immagine, ci sono alcuni limiti fisici. Le due limitazioni principali sono il rumore dei fotoni e la risoluzione spaziale . Questi sono aspetti della realtà fisica e sono cose su cui non abbiamo molto controllo. Non possono essere mitigati con miglioramenti tecnologici e sono (e sono stati) presenti indipendentemente dalla qualità delle nostre apparecchiature.
Disturbo del fotone o colpo di fotonerumore, è una forma di rumore a causa della natura intrinsecamente imprevedibile della luce. A livello quantico non possiamo prevedere esattamente quale pixel potrebbe colpire un fotone o quanto frequentemente i fotoni potrebbero colpire un pixel e non un altro. Possiamo adattare grossolanamente i colpi di fotone a una curva di probabilità, ma non possiamo mai rendere perfetta la misura, quindi i fotoni da una fonte di luce uniforme non si distribuiranno mai perfettamente e uniformemente sull'area di un sensore. Questo aspetto fisico della realtà produce la maggior parte del rumore che incontriamo nelle nostre fotografie e l'amplificazione di questa forma di rumore da parte degli amplificatori del sensore è il motivo principale per cui le foto diventano più rumorose con impostazioni ISO più elevate. Rapporti segnale-rumore inferiori significano che c'è un intervallo di segnale totale inferiore entro il quale catturare e amplificare i fotoni, quindi un SNR più elevato può aiutare a mitigare gli effetti del rumore del fotone e aiutarci a raggiungere impostazioni ISO più elevate ... tuttavia il rumore del fotone stesso non può essere eliminato e sarà sempre un limite al QI della fotocamera digitale. Il software può svolgere un ruolo nel ridurre al minimo il rumore dei fotoni, e poiché esiste una certa prevedibilità alla luce, algoritmi matematici avanzati possono eliminare la stragrande maggioranza di questa forma di rumore dopo che una foto è stata scattata e importata in un formato RAW. L'unica vera limitazione qui sarebbe la qualità, l'accuratezza e la precisione del software di riduzione del rumore. algoritmi matematici avanzati possono eliminare la stragrande maggioranza di questa forma di rumore dopo che una foto è stata scattata e importata in un formato RAW. L'unica vera limitazione qui sarebbe la qualità, l'accuratezza e la precisione del software di riduzione del rumore. algoritmi matematici avanzati possono eliminare la stragrande maggioranza di questa forma di rumore dopo che una foto è stata scattata e importata in un formato RAW. L'unica vera limitazione qui sarebbe la qualità, l'accuratezza e la precisione del software di riduzione del rumore.
La risoluzione spaziale è un altro aspetto fisico delle immagini bidimensionali con cui dobbiamo lavorare. Le frequenze spaziali, o forme d'onda bidimensionali di diversa luminosità, sono un modo di concettualizzare l'immagine proiettata da una lente e registrata da un sensore. La risoluzione spaziale descrive la scala di queste frequenze ed è un attributo fisso di un sistema ottico. Quando si tratta di sensori, la risoluzione spaziale è una conseguenza diretta delle dimensioni del sensore e della densità dei pixel.
La risoluzione spaziale viene spesso misurata in coppie di linee per millimetro (lp / mm) o cicli per millimetro. Il D800 con i suoi pixel da 4,3 micron, o 4912 file di pixel con un'altezza del sensore di 24 mm, è in grado di raggiungere 102,33 lp / mm. Curiosamente, la Canon 7D, con le sue 3456 righe di pixel a 14,9 mm di altezza del sensore, è in grado di 115,97 lp / mm ... una risoluzione superiore rispetto alla D800. Allo stesso modo, la Nikon D3200 con 4000 righe di pixel in 15,4 mm di altezza del sensore sarà in grado di 129,87 lp / mm. Sia la 7D che la D3200 sono sensori APS-C o frame ritagliati ... di dimensioni fisiche inferiori rispetto al sensore full frame del D800. Se dovessimo continuare ad aumentare il numero di megapixel in un sensore a pieno formato fino a quando non avessero le stesse dimensioni in pixel del D3200 (3,8 micron), potremmo produrre un sensore da 9351x6234 pixel, o 58.3mp. Potremmo portare questo pensiero all'estremo, e supponiamo che sia possibile produrre un sensore DSLR full-frame con le stesse dimensioni dei pixel del sensore nell'iPhone 4 (che è noto per scattare alcune ottime foto con IQ che, sebbene non buono come da una DSLR, è più che accettabile), ovvero 1,75 micron. Ciò si tradurrebbe in un sensore da 20571x13714 pixel, o 282.1mp! Un sensore di questo tipo sarebbe in grado di raggiungere una risoluzione spaziale di 285,7 lp / mm, un numero che, come vedremo tra poco, ha un'applicabilità limitata.
La vera domanda è se tale risoluzione in un fattore di forma DSLR sarebbe utile. La risposta è potenzialmente. La risoluzione spaziale di un sensore rappresenta un limite massimo di ciò che l'intera telecamera potrebbe essere possibile, supponendo che tu avessi un obiettivo corrispondente in grado di produrre una risoluzione sufficiente per massimizzare il potenziale del sensore. Le lenti hanno i loro limiti fisici intrinseci sulla risoluzione spaziale delle immagini che proiettano e quelle limitazioni non sono costanti ... variano a seconda dell'apertura, della qualità del vetro e della correzione dell'aberrazione. La diffrazione è un altro attributo fisico della luce che riduce la massima risoluzione potenziale quando passa attraverso un'apertura sempre più stretta (nel caso di una lente, quell'apertura è l'apertura). Aberrazioni ottiche o imperfezioni nella rifrazione della luce da parte di una lente, sono un altro aspetto fisico che riduce la massima risoluzione potenziale. A differenza della diffrazione, le aberrazioni ottiche aumentano all'aumentare dell'apertura. La maggior parte degli obiettivi ha un "punto debole" a quel punto gli effetti delle aberrazioni ottiche e della diffrazione sono approssimativamente equivalenti e l'obiettivo raggiunge il suo massimo potenziale. Una lente "perfetta" è una lente che non ha aberrazioni ottiche di alcun tipo ed è quindidiffrazione limitata . Le lenti spesso diventano diffrattive limitate all'incirca f / 4.
La risoluzione spaziale di una lente è limitata dalla diffrazione e dalle aberrazioni, e all'aumentare della diffrazione man mano che il diaframma viene interrotto, la risoluzione spaziale si riduce con la dimensione della pupilla d'ingresso. A f / 4, la massima risoluzione spaziale di un obiettivo perfetto è di 173 lp / mm. A f / 8, un obiettivo a diffrazione limitata è in grado di 83 lp / mm, che è circa lo stesso della maggior parte delle reflex digitali full-frame (escluso il D800), che vanno da circa 70-85 lp / mm. A f / 16 un obiettivo a diffrazione limitata è in grado di raggiungere solo 43 lp / mm, metà della risoluzione della maggior parte delle fotocamere full frame e meno della metà della risoluzione della maggior parte delle fotocamere APS-C. Più ampio di f / 4, per un obiettivo che è ancora interessato da aberrazioni ottiche, la risoluzione può scendere rapidamente a 60 lp / mm o meno e fino a 25-30 lp / mm per grandangolo ultraveloce f / 1.8 o numeri primi più veloci . Tornando al nostro teorico 1. Sensore FF da 282mp pixel da 75 micron pixel ... sarebbe capace di una risoluzione spaziale di 285 lp / mm. Avresti bisogno di un obiettivo f / 2.4 perfetto, limitato dalla diffrazione per ottenere una risoluzione spaziale così ampia. Tale obiettivo richiederebbe un'estrema correzione dell'aberrazione, aumentando notevolmente i costi. Esistono alcuni obiettivi che possono raggiungere caratteristiche quasi perfette ad aperture ancora più ampie (mi viene in mente un obiettivo specializzato Zeiss che è presumibilmente capace di circa 400 lp / mm, il che richiederebbe un'apertura di circa f / 1.6-f / 1.5), tuttavia sono rari, altamente specializzati ed estremamente costosi. È molto più facile raggiungere la perfezione intorno a f / 4 (se gli ultimi decenni di produzione dell'obiettivo sono un suggerimento), il che indica che la massima risoluzione praticabile ed economica per un obiettivo è di circa 173 lp / mm o un tocco in meno. sarebbe capace di una risoluzione spaziale di 285 lp / mm. Avresti bisogno di un obiettivo f / 2.4 perfetto, limitato dalla diffrazione per ottenere una risoluzione spaziale così ampia. Tale obiettivo richiederebbe un'estrema correzione dell'aberrazione, aumentando notevolmente i costi. Esistono alcuni obiettivi che possono raggiungere caratteristiche quasi perfette ad aperture ancora più ampie (mi viene in mente un obiettivo specializzato Zeiss che è presumibilmente capace di circa 400 lp / mm, il che richiederebbe un'apertura di circa f / 1.6-f / 1.5), tuttavia sono rari, altamente specializzati ed estremamente costosi. È molto più facile raggiungere la perfezione intorno a f / 4 (se gli ultimi decenni di produzione dell'obiettivo sono un suggerimento), il che indica che la massima risoluzione praticabile ed economica per un obiettivo è di circa 173 lp / mm o un tocco in meno. sarebbe capace di una risoluzione spaziale di 285 lp / mm. Avresti bisogno di un obiettivo f / 2.4 perfetto, limitato dalla diffrazione per ottenere una risoluzione spaziale così ampia. Tale obiettivo richiederebbe un'estrema correzione dell'aberrazione, aumentando notevolmente i costi. Esistono alcuni obiettivi che possono raggiungere caratteristiche quasi perfette ad aperture ancora più ampie (mi viene in mente un obiettivo specializzato Zeiss che è presumibilmente capace di circa 400 lp / mm, il che richiederebbe un'apertura di circa f / 1.6-f / 1.5), tuttavia sono rari, altamente specializzati ed estremamente costosi. È molto più facile raggiungere la perfezione intorno a f / 4 (se gli ultimi decenni di produzione dell'obiettivo sono un suggerimento), il che indica che la massima risoluzione praticabile ed economica per un obiettivo è di circa 173 lp / mm o un tocco in meno. 4 lenti per raggiungere quella risoluzione spaziale. Tale obiettivo richiederebbe un'estrema correzione dell'aberrazione, aumentando notevolmente i costi. Esistono alcuni obiettivi che possono raggiungere caratteristiche quasi perfette ad aperture ancora più ampie (mi viene in mente un obiettivo specializzato Zeiss che è presumibilmente capace di circa 400 lp / mm, il che richiederebbe un'apertura di circa f / 1.6-f / 1.5), tuttavia sono rari, altamente specializzati ed estremamente costosi. 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Esistono alcuni obiettivi che possono raggiungere caratteristiche quasi perfette ad aperture ancora più ampie (mi viene in mente un obiettivo specializzato Zeiss che è presumibilmente capace di circa 400 lp / mm, il che richiederebbe un'apertura di circa f / 1.6-f / 1.5), tuttavia sono rari, altamente specializzati ed estremamente costosi. È molto più facile raggiungere la perfezione intorno a f / 4 (se gli ultimi decenni di produzione dell'obiettivo sono un suggerimento), il che indica che la massima risoluzione praticabile ed economica per un obiettivo è di circa 173 lp / mm o un tocco in meno.
Quando consideriamo le limitazioni fisiche nell'equazione di quando la corsa dei megapixel sarà finita, scopriamo che (ipotizzando quasi la perfezione tecnologica) la massima risoluzione economica è di circa 173 lp / mm. Si tratta di un sensore APS-C full frame da 103mp o 40mp. Va notato che spingendo la risoluzione del sensore così in alto si vedranno solo i vantaggi di una banda di apertura sempre più stretta intorno a circa f / 4, in cui le prestazioni dell'obiettivo sono ottimali. Se la correzione delle aberrazioni ottiche diventa più semplice, potremmo essere in grado di ottenere risoluzioni più elevate, spingendo 200 lp / mm, ma ancora una volta, tali risoluzioni sarebbero possibili solo all'apertura massima o quasi, dove come in tutte le altre aperture la risoluzione complessiva del tuo la fotocamera sarà più bassa, potenzialmente molto più bassa di quella di cui è capace il sensore stesso.
Quindi quando termina la gara megapixel?
Rispondere a questa domanda non è proprio qualcosa a cui credo che qualcuno sia qualificato per rispondere. In definitiva, è una scelta personale e dipenderà da una varietà di fattori. Alcuni fotografi potrebbero sempre desiderare il potenziale che i sensori a risoluzione più elevata possono offrire all'apertura ideale, purché fotografino scene con dettagli sempre più precisi che richiedono tale risoluzione. Altri fotografi potrebbero preferire la migliore percezione della nitidezza che si ottiene migliorando le caratteristiche dei sensori a bassa risoluzione. Per molti fotografi, credo che la corsa dei megapixel sia già terminata, con circa 20mp in un pacchetto DSLR FF è più che sufficiente. Inoltre, molti fotografi vedono la qualità dell'immagine sotto una luce completamente diversa, preferire la frequenza dei fotogrammi e la capacità di catturare continuamente più fotogrammi a una risoluzione inferiore è fondamentale per il loro successo come fotografo. In questi casi, molti fan di Nikon hanno indicato che circa 12mp sono più che sufficienti, purché siano in grado di catturare 10 fotogrammi al secondo in modo nitido.
Tecnologicamente e fisicamente, c'è ancora un'enorme quantità di spazio per crescere e continuare a guadagnare in termini di megapixel e risoluzione. Dove la gara ci finisce. La varietà di opzioni sul tavolo non è mai stata così elevata come oggi e sei libero di scegliere la combinazione di risoluzione, dimensioni del sensore e funzionalità della fotocamera come AF, ISO e DR adatte alle tue esigenze.
