Beyond Megapixels: Vad som verkligen bestämmer kameralinsupplösning

Det finns en specifikation som visas på nästan alla moderna kameradatablad:

Megapixlar.

5 MP. 8 MP. 12 MP. 24 MP.

Siffran är lätt att förstå, lätt att jämföra och mycket lätt att marknadsföra.

Men om du har spenderat tillräckligt med tid på att utveckla kamerasystem stöter du så småningom på en obekväm fråga:

Kan linsen faktisktlösa vad sensorn kan fånga?

Det är här saker och ting blir mer intressanta.

En 8MP-sensor ger dig inte automatiskt en bild med 8MP-kvalitet. Sensorn ger samplingsförmågan, men objektivet måste leverera tillräckligt med optisk detalj för att dessa pixlar ska vara användbara.

En kamera är med andra ord inte en konkurrens mellan sensormegapixlar.

Det är ett system.

Och linsen är en av de viktigaste delarna i det systemet.

Sensorupplösning vs. optisk upplösning

Låt oss börja med en enkel distinktion.

Sensorupplösningbeskriver hur många pixlar sensorn har.

Optisk upplösningbeskriver hur mycket rumslig detalj linsen faktiskt kan återge.

Dessa två specifikationer är relaterade, men de är inte samma sak.

Föreställ dig att fotografera en avlägsen registreringsskylt.

En 8MP-sensor kan ha många pixlar tillgängliga för att spela in plattan. Men om objektivet ger en suddig bild med låg kontrast, kan inte dessa pixlar på magiskt sätt rekonstruera karaktärerna.

Du kan sluta med fler pixlar som beskriver oskärpan.

Det är inte samma sak som mer detaljer.

Det är därför som att helt enkelt placera en högupplöst sensor bakom ett gammalt eller dåligt matchat objektiv kan ge nedslående resultat.

Sensorn kan vara ny.

Bilden kanske inte är det.

Pixelstorlek ändrar den optiska utmaningen

En annan faktor som ingenjörer alltmer måste överväga är pixelstorlek.

När sensortekniken går framåt kan tillverkare passa in fler pixlar i samma fysiska område.

Det låter som en uppenbar förbättring.

Men det finns en avvägning.

Mindre pixlar betyder att det optiska systemet kan behöva återskapa finare detaljer för att dra full nytta av sensorn.

Till exempel kan en kamera som använder en relativt stor pixeldelning vara mindre krävande för objektivet än en sensor med extremt små pixlar och en mycket högre pixeltäthet.

Detta skapar en viktig fråga under kamerautveckling:

Är objektivets upplösning tillräckligt hög för sensorns pixelpitch?

Ett objektiv som fungerade perfekt med en äldre sensor kanske inte automatiskt ger samma praktiska prestanda när det paras ihop med en nyare, tätare sensor.

Detta är en anledning till att objektivval bör ske tillsammans med sensorval snarare än att behandla objektivet som en eftertanke.

Varför MTF betyder mer än en megapixeletikett

Om du vill förstå verklig optisk upplösning måste du så småningom prata omMTF — Modulation Transfer Function.

Terminologin låter skrämmande.

Grundidén är det inte.

MTF beskriver hur väl ett optiskt system bevarar kontrast på olika detaljnivåer.

Tänk på att fotografera en serie av allt finare svart-vita linjer.

Vid stora mönster som är lätta att se kan nästan alla anständiga linser återge dem.

När linjerna blir finare tappar linsen gradvis kontrasten.

Ett starkt optiskt system bibehåller användbar kontrast längre in i det fina detaljområdet.

Det är vad MTF hjälper ingenjörer att utvärdera.

Det är därför en seriös objektivspecifikation inte bör stanna vid:

“Stöder 8MP.”

En bättre utvärdering frågar:

Vad är MTF-prestanda?

Vid vilka spatiala frekvenser?

Hur fungerar det i centrum?

Vad händer mot kanten?

Förblir prestandan stabil vid den avsedda bländaren?

Dessa frågor berättar mycket mer om det faktiska optiska systemet.

Centerupplösning är inte hela historien

Ett av de enklaste sätten att få ett objektiv att se imponerande ut är att visa en mycket skarp mittbild.

Problemet är att kameror inte bara fotograferar mitten.

Vidvinkelövervakningskameror, bilkameror, drönarkameror och robotsystem är ofta mycket beroende av perifer bildinformation.

Ett objektiv kan ge utmärkt centrumskärpa men märkbart svagare prestanda nära kanterna.

Detta kan påverka:

Objektdetektering

Ansiktsigenkänning

Fordonsigenkänning

Scenförståelse

Maskinsynsinspektion

Till exempel kan en säkerhetskamera som tittar på en parkeringsplats ha ett fordon som kommer in nära bildens kant.

Om mitten ser fantastisk ut men kanterna är mjuka berättar kamerans imponerande upplösningsspecifikation inte hela historien.

För ingenjörer är den mer användbara frågan:

Hur jämnt presterar linsen över bilden?

Avvikelser tyst stjäl detalj

Optiska aberrationer är en annan anledning till att en högmegapixelkamera inte kan leverera den förväntade bildkvaliteten.

Vanliga problem inkluderar:

Sfärisk aberration

Kromatisk aberration

Koma

Astigmatism

Fältkrökning

Du behöver inte nödvändigtvis vara optisk designer för att förstå resultatet.

Den praktiska konsekvensen är enkel:

Detaljerna blir mindre exakta.

Kanter kan förlora kontrast. Fina strukturer kan verka färgade eller utsmetade. Hörn kan bli mjukare.

Modern optisk design innebär därför mycket mer än att välja brännvidd och bländare.

Det optiska systemet måste balansera flera faktorer samtidigt.

Distorsion är också ett problem med bildkvalitet

Distorsion behandlas ibland som ett rent visuellt problem.

Det är det inte alltid.

För ett avslappnat fotografi kan böjda raka linjer helt enkelt se oattraktiva ut.

För maskinseende eller AI-tillämpningar kan geometri ha betydelse.

En vidvinkellins med betydande förvrängning kan få föremål nära kanten att se väldigt olika ut från deras faktiska form och position.

Detta betyder inte att varje applikation behöver ultralåg distorsion.

En säkerhetskamera kan rimligen acceptera viss förvrängning i utbyte mot ett mycket bredare synfält.

Ett industriellt mätsystem kanske inte.

Återigen handlar optisk ingenjörskonst om avvägningar.

Det "bästa" objektivet beror på vad kameran ska göra.

Varför "8MP Lens" är en ofullständig beskrivning

Detta är kanske den viktigaste punkten.

Frasen "8 MP objektiv” är användbart för marknadsföring, men tekniskt ofullständigt.

Upplösningen påverkas av förhållandet mellan:

 Lins

Sensor

Pixelstorlek

Bländare

Bildcirkel

CRA

Bildbehandling

Ljusförhållanden

En lins existerar inte isolerat.

En viss lins kan fungera mycket bra med en sensor och mindre effektivt med en annan eftersom de optiska kraven har ändrats.

Det är därför erfarna kameraingenjörer brukar fråga efter sensormodellen och optiska krav innan de godkänner ett objektiv.

En leverantör som omedelbart säger "Ja, det här objektivet stöder 8MP" utan att fråga något annat kan svara på försäljningsfrågan snarare än teknikfrågan.

Så hur ska ingenjörer utvärdera ett högupplöst objektiv?

Istället för att börja med megapixlar rekommenderar jag att börja med applikationen.

Be:

1. Vilken sensorkommer att användas?

Sensorformat och pixelstorlek fastställer de optiska kraven.

2. Vilket synfält krävs?

En vidvinkeldesign introducerar olika utmaningar från ett smalvinkelobjektiv.

3. Vilken detaljnivå spelar egentligen roll?

En säkerhetskamera som identifierar en person på flera meters avstånd har andra krav än en maskinseendekamera som inspekterar en liten komponent.

4. Hur viktigt är kantprestanda?

För många vidvinkelsystem är detta avgörande.

5. Vad händer vid den avsedda bländaren?

En lins kan fungera annorlunda när den används vidöppen jämfört med när den är stoppad.

6. Vad visar MTF-datan?

Detta ger mycket mer användbar information än enbart en megapixeletikett.

Den verkliga innebörden av "Hög upplösning"

Ett högupplöst objektiv är inte bara ett objektiv med ett högt nummer tryckt bredvid.

Det är ett optiskt system som kan återge fina detaljer med tillräcklig kontrast, över det önskade bildfältet, under de avsedda driftsförhållandena.

Det är ett mycket svårare tekniskt problem.

Och ärligt talat, det är därför två objektiv med till synes lika specifikationer kan ha väldigt olika priser.

Du betalar inte bara för mer glas.

Du betalar för optisk design, toleranser, material, tillverkningsnoggrannhet, beläggning, montering och testning.

Hos Boshi Optics utvecklas optiska lösningar för applikationer som sträcker sig från säkerhetsövervakning och bilavbildning till medicinsk bildbehandling, smarta enheter och andra kamerasystem. Företagets produktportfölj inkluderar linser med olika sensorformat, upplösningar, synfält, bländare och optiska strukturer, vilket återspeglar verkligheten att det inte finns någon enskild "bästa" lins för varje kamera.

Slutlig tanke: Sluta räkna pixlar, börja titta på information

Megapixlar är användbara.

De berättar hur många pixlar en sensor kan ge.

Men de berättar inte hur mycket användbar information det optiska systemet kan leverera till dessa pixlar.

Det är därför erfarna ingenjörer ser bortom numret på kameralådan.

De tittar på MTF.

De tittar på pixelstorlek.

De tittar på prestanda från centrum till kant.

De tittar på aberrationer, distorsion, belysning och sensorkompatibilitet.

Det viktigaste är att de tittar på den faktiska bilden.

För i slutändan köper inte kunder 8 miljoner pixlar.

De köper detaljerna som dessa pixlar ska visa.