Qualità dell'Obiettivo: MTF, Risoluzione e Contrasto Spiegati

La qualità dell'obiettivo è più importante che mai, a causa del numero sempre crescente di megapixel nelle fotocamere digitali odierne. Spesso, la risoluzione delle tue foto digitali è effettivamente limitata dall'obiettivo della fotocamera — e non dalla risoluzione della fotocamera stessa. Tuttavia, decifrare i grafici MTF e confrontare la risoluzione di diversi obiettivi può essere una scienza a sé stante. Questo tutorial dà una panoramica dei concetti e termini fondamentali usati per valutare la qualità dell'obiettivo. Al minimo, speriamo ti faccia riflettere due volte su cosa è importante quando acquisti la tua prossima fotocamera digitale o obiettivo.

RISOLUZIONE E CONTRASTO

Tutti probabilmente conoscono il concetto di risoluzione d'immagine, ma sfortunatamente si pone spesso troppa enfasi su questa singola metrica. La risoluzione descrive solo quanti dettagli un obiettivo è capace di catturare — e non necessariamente la qualità del dettaglio che viene catturato. Altri fattori contribuiscono spesso molto di più alla nostra percezione della qualità e nitidezza di un'immagine digitale.

Per capire questo, vediamo cosa succede a un'immagine quando passa attraverso un obiettivo e viene registrata sul sensore. Per semplificare, useremo immagini composte da linee alternate nere e bianche ("paia di linee"). Oltre la risoluzione del tuo obiettivo, queste linee non sono più distinguibili:

	→		→
Paia di Linee ad Alta Risoluzione		Obiettivo		Paia di Linee Non Risolte

Esempio di paia di linee più piccole della risoluzione di un obiettivo.

Tuttavia, qualcosa che è probabilmente meno compreso è cosa succede ad altre linee più spesse. Anche se sono ancora risolte, queste peggiorano progressivamente sia in contrasto che in nitidezza dei bordi (vedi nitidezza: risoluzione e acutanza) man mano che diventano più fini:

	→		→
Linee Progressivamente Più Fini		Obiettivo		Progressivamente Meno Contrasto e Definizione Bordi

Per due obiettivi con la stessa risoluzione, la qualità apparente dell'immagine sarà quindi determinata principalmente da quanto bene ciascun obiettivo preserva il contrasto mentre queste linee diventano progressivamente più strette. Tuttavia, per fare un confronto equo tra obiettivi dobbiamo stabilire un modo per quantificare questa perdita di qualità d'immagine...

MTF: FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DI MODULAZIONE

Una Funzione di Trasferimento di Modulazione (MTF) quantifica quanto bene le variazioni di luminosità regionali di un soggetto vengono preservate quando passano attraverso un obiettivo. L'esempio sotto illustra una curva MTF per un obiettivo perfetto*:

Aumento Frequenza Paia di Linee →
Estrema destra = Risoluzione Massima / Limite di Diffrazione.

Nota: La spaziatura tra linee nere e bianche è stata esagerata per migliorare la visibilità.
Curva MTF assume apertura circolare; altre forme di apertura produrranno risultati leggermente diversi.

*Un obiettivo perfetto è uno il cui dettaglio è limitato solo dalla diffrazione.
Vedi tutorial sulla diffrazione in fotografia per approfondire.

Un MTF di 1.0 rappresenta preservazione perfetta del contrasto, mentre valori inferiori significano che sempre più contrasto viene perso — fino a un MTF di 0, dove i paia di linee non possono più essere distinti. Questo limite di risoluzione è una barriera inevitabile con qualsiasi obiettivo; dipende solo dall'apertura dell'obiettivo ed è indipendente dal numero di megapixel. La figura sotto confronta un obiettivo perfetto con due esempi reali:

Aumento Frequenza Paia di Linee →

Obiettivo Fotocamera Altissima Qualità (vicino al limite di diffrazione)

Obiettivo Fotocamera Bassa Qualità (lontano dal limite di diffrazione)

Confronto tra un obiettivo ideale limitato dalla diffrazione (linea blu) e obiettivi reali.
L'illustrazione dei paia di linee sotto il grafico non si applica all'obiettivo perfetto.
Passa il mouse su ciascuna etichetta per vedere come obiettivi di alta e bassa qualità spesso differiscono.

La linea blu sopra rappresenta la curva MTF per un obiettivo "limitato dalla diffrazione" perfetto. Nessun obiettivo reale è limitato solo dalla diffrazione, sebbene obiettivi di fascia alta possano avvicinarsi molto a questo limite più di quelli di bassa qualità.

I paia di linee sono spesso descritti in termini di frequenza: il numero di linee che entrano in una data unità di lunghezza. Questa frequenza è solitamente espressa in "LP/mm" — il numero di paia di linee (LP) concentrate in un millimetro (mm). Alternativamente, a volte questa frequenza è espressa in larghezze di linea (LW), dove due LW equivalgono a un LP.

La più alta frequenza di linea che un obiettivo può riprodurre senza perdere più del 50% dell'MTF ("MTF-50") è un numero importante, perché correla bene con la nostra percezione di nitidezza. Un obiettivo di fascia alta con MTF-50 di 50 LP/mm apparirà molto più nitido di uno di bassa qualità con MTF-50 di 20 LP/mm, per esempio (presumendo che siano usati sulla stessa fotocamera e alla stessa apertura; ne parliamo dopo).

Tuttavia, il grafico MTF vs frequenza sopra non è normalmente come si confrontano gli obiettivi. Sapere solo la (i) risoluzione massima e (ii) MTF a forse due diverse frequenze di linea è solitamente più che sufficiente. Cosa conta spesso di più è sapere come l'MTF cambia a seconda della distanza dal centro dell'immagine.

L'MTF è solitamente misurato lungo una linea che parte dal centro dell'immagine verso un angolo lontano, per una frequenza di linea fissa (solitamente 10-30 LP/mm). Queste linee possono essere parallele alla direzione che si allontana dal centro (sagittali) o perpendicolari a questa direzione (meridionali). L'esempio sotto mostra come queste linee potrebbero essere misurate e mostrate su un grafico MTF per una fotocamera full frame 35mm:

Paia di Linee Meridionali (Circolari)

Paia di Linee Sagittali (Radiali)

→

Distanza dal Centro [mm]

Il dettaglio al centro di un'immagine avrà virtualmente sempre l'MTF più alto, e posizioni più lontane dal centro avranno spesso valori MTF progressivamente più bassi. È per questo che gli angoli degli obiettivi sono virtualmente sempre la parte più morbida e di qualità inferiore delle tue foto. Discuteremo dopo perché le linee sagittali e meridionali divergono.

COME LEGGERE UN GRAFICO MTF

Ora possiamo finalmente mettere in pratica tutti i concetti sopra confrontando le proprietà di uno zoom con un obiettivo a focale fissa:

Canon 16-35mm f/2.8L II
(zoom impostato a 35mm)

Canon 35mm f/1.4L Obiettivo Prime

Sull'asse verticale, abbiamo il valore MTF da prima, con 1.0 che rappresenta riproduzione perfetta dei paia di linee, e 0 che rappresenta paia di linee non più distinguibili. Sull'asse orizzontale, abbiamo la distanza dal centro dell'immagine, con 21.6 mm che è l'angolo lontano su una fotocamera 35mm. Per un sensore con crop 1.6X, puoi ignorare tutto oltre 13.5 mm. Inoltre, anything beyond about 18 mm con sensore full frame sarà visibile solo negli angoli estremi della foto:

Nota: Per sensore 1.5X, l'angolo lontano è a 14.2 mm, e il bordo lontano a 11.9 mm.
Vedi tutorial sulle dimensioni sensori fotocamere digitali per come queste influenzano la qualità d'immagine.

Tutte le diverse linee nei grafici MTF sopra possono inizialmente essere travolgenti; la chiave è guardarle individualmente. Ogni linea rappresenta un MTF separato sotto condizioni diverse. Per esempio, una linea potrebbe rappresentare valori MTF quando l'obiettivo è a f/4.0, un'altra a f/8.0. Un grande ostacolo nel capire come leggere un grafico MTF è imparare a cosa si riferisce ogni linea.

Ogni linea sopra ha tre stili diversi: spessore, colore e tipo. Ecco cosa rappresenta ciascuno:

Spessore Linea:	Grassetto → 10 LP/mm - contrasto su piccola scala Sottile → 30 LP/mm - risoluzione o dettaglio fine
Colore Linea:	Blu → Apertura a f/8.0 Nero → Apertura tutta aperta
Tipo Linea:	Tratteggiata → Paia di linee meridionali (concentriche) Continua → Paia di linee sagittali (radiali)

Poiché una data linea può avere qualsiasi combinazione di spessore, colore e tipo, il grafico MTF sopra ha un totale di otto diversi tipi di linee. Per esempio, una curva che è grassetto, blu e tratteggiata descriverebbe l'MTF di linee meridionali 10 LP/mm a apertura f/8.0.

Linee Nere. Sono più rilevanti quando usi il tuo obiettivo in scarsa luce, devi congelare movimenti rapidi, o hai bisogno di bassa profondità di campo. L'MTF delle linee nere sarà quasi sempre uno scenario peggiore (a meno che tu non usi aperture insolitamente piccole).

Nell'esempio sopra, le linee nere sfortunatamente non sono un confronto mele-mele equo, poiché un'apertura tutta aperta è diversa per ciascuno degli obiettivi sopra (f/2.8 sullo zoom vs f/1.4 sul prime). Questa è la ragione principale per cui le linee nere appaiono molto peggio per il prime. Tuttavia, dato che il prime ha tale handicap, se la cava egregiamente — specialmente a 10 LP/mm al centro, e a 30 LP/mm verso i bordi. È quindi altamente probabile che il prime supererà lo zoom quando entrambi sono a f/2.8, ma non possiamo dirlo con certezza basandoci solo sui grafici sopra.

Linee Blu. Sono più rilevanti per fotografia paesaggistica, o altre situazioni dove devi massimizzare profondità di campo e nitidezza. Sono anche più utili per confronti perché le linee blu sono sempre alla stessa apertura: f/8.0.

Nell'esempio sopra, il prime ha MTF migliore in tutte le posizioni, per dettagli sia ad alta che bassa frequenza (30 e 10 LP/mm). Il vantaggio del prime è ancora più pronunciato verso le regioni esterne dell'immagine.

Linee Grassetto vs Sottili. Le linee grassetto descrivono la quantità di "pop" o contrasto su piccola scala, mentre le linee sottili descrivono dettagli più fini o risoluzione. Le linee grassetto sono spesso una priorità poiché valori alti possono significare che le tue immagini avranno un aspetto più tridimensionale, simile a cosa succede con il miglioramento del contrasto locale.

Nell'esempio sopra, entrambi gli obiettivi hanno contrasto simile a f/8.0, anche se il prime è un po' migliore. Lo zoom perde appena contrasto quando usato tutto aperto rispetto a f/8.0. D'altro canto, il prime perde parecchio contrasto passando da f/8.0 a f/1.4, ma questo è probabilmente perché f/1.4-f/8.0 è un cambiamento molto più grande di f/2.8-f/8.0.

ASTIGMATISMO: LINEE SAGITTALI vs MERIDIONALI

Linee Tratteggiate vs Continue. A questo punto ti starai chiedendo: perché mostrare l'MTF per entrambi i paia di linee sagittali ("S") e meridionali ("M")? Non sarebbero uguali? Sì, al centro diretto dell'immagine sono sempre identici. Tuttavia, le cose diventano più interessanti progressivamente più lontano dal centro. Ogni volta che le linee tratteggiate e continue iniziano a divergere, questo significa che l'ammontare di sfocatura non è uguale in tutte le direzioni. Questo artefatto che riduce la qualità si chiama "astigmatismo," come illustrato sotto:

Seleziona Tipo Aberrazione:

Astigmatismo: MTF in S > M

Astigmatismo: MTF in M > S

Nessun Astigmatismo: MTF in M=S

Passa il mouse sulle etichette sull'immagine a destra per vedere l'effetto dell'astigmatismo.
S = linee sagittali, M = linee meridionali
Nota: Tecnicamente, la S sopra avrà MTF leggermente migliore perché è più vicina al centro dell'immagine; tuttavia, per questo esempio assumiamo che M e S siano in posizioni simili.

Quando l'MTF in S è maggiore che in M, gli oggetti sono sfocati principalmente lungo linee che irradiano dal centro dell'immagine. Nell'esempio sopra, questo causa i punti bianchi a sembrare striature verso l'esterno dal centro, quasi come se avessero motion blur. Similmente, gli oggetti sono sfocati nella direzione opposta (circolare) quando l'MTF in M è maggiore che in S. Molti di voi che leggete questo tutorial potrebbero anche usare occhiali che correggono un astigmatismo...

Nota Tecnica: Con obiettivi grandangolari, le linee M hanno molta più probabilità di avere MTF inferiore delle linee S, in parte perché questi cercano di preservare una proiezione d'immagine rettilinea. Quindi, man mano che l'angolo di campo diventa più ampio, i soggetti vicino alla periferia diventano progressivamente più stirati/distorti in direzioni che si allontanano dal centro. Un grandangolo con significativa distorsione a barile può quindi ottenere MTF migliore poiché gli oggetti alla periferia sono stirati molto meno che altrimenti. Tuttavia, questo è solitamente un compromesso inaccettabile con la fotografia architettonica.

Nei grafici MTF per lo zoom vs prime Canon da prima, entrambi gli obiettivi iniziano a mostrare astigmatismo pronunciato ai bordi estremi dell'immagine. Tuttavia, col prime, succede qualcosa di interessante: il tipo di astigmatismo si inverte confrontando l'obiettivo a f/1.4 vs f/8.0. A f/8.0, l'obiettivo sfoca principalmente in direzione radiale, evento comune. Tuttavia, a f/1.4 il prime sfoca principalmente in direzione circolare, molto meno comune.

Cosa significa l'astigmatismo per le tue foto? Probabilmente la più grande implicazione, oltre all'aspetto unico, è che gli strumenti di nitidezza standard potrebbero non funzionare come previsto. Questi strumenti assumono che la sfocatura sia uguale in tutte le direzioni, quindi potresti finire per sovra-nitidificare alcuni bordi, lasciandone altri ancora sfocati. L'astigmatismo può anche essere problematico con foto contenenti stelle o altre sorgenti luminose puntiformi, poiché renderà la sfocatura asimmetrica più evidente.

MTF E APERTURA: TROVARE IL "PUNTO DOLCE" DI UN OBIETTIVO

L'MTF di un obiettivo tipicamente aumenta per aperture progressivamente più strette, poi raggiunge un massimo per aperture intermedie, e infine declina di nuovo per aperture molto strette. La figura sotto mostra l'MTF-50 per varie aperture su un obiettivo di alta qualità:

L'apertura corrispondente al massimo MTF è il cosiddetto "punto dolce" di un obiettivo, poiché le immagini avranno generalmente la migliore nitidezza e contrasto a questa impostazione. Su full frame o sensore con crop, questo punto dolce è solitamente tra f/8.0 e f/16, a seconda dell'obiettivo. La posizione di questo punto dolce è anche indipendente dal numero di megapixel della tua fotocamera.

Note Tecniche:

• Alle grandi aperture, risoluzione e contrasto sono tipicamente limitati da aberrazioni ottiche.
  Un'aberrazione è quando un design imperfetto causa una sorgente puntiforme nell'immagine a non convergere su un punto del sensore.
• Alle piccole aperture, risoluzione e contrasto sono tipicamente limitati dalla diffrazione.
  A differenza delle aberrazioni, la diffrazione è un limite fisico fondamentale causato dalla dispersione della luce, e non è necessariamente colpa del design dell'obiettivo.
• Obiettivi di alta e bassa qualità sono quindi molto simili quando usati a piccole aperture
  (come f/16-32 su full frame o crop).
• Le grandi aperture sono dove gli obiettivi di alta qualità brillano davvero, perché materiali e ingegneria contano di più. In effetti, un obiettivo perfetto non avrebbe nemmeno un "punto dolce"; l'apertura ottimale sarebbe solo tutta aperta.

Tuttavia, non si dovrebbe concludere che l'impostazione di apertura ottimale sia completamente indipendente da ciò che si fotografa. Il punto dolce al centro dell'immagine potrebbe non corrispondere a dove bordi e angoli appaiono al meglio; questo spesso richiede un'apertura ancora più stretta. Inoltre, tutto questo assume che il soggetto sia a fuoco perfetto; oggetti fuori dalla profondità di campo probabilmente miglioreranno in nitidezza anche quando il tuo f-stop è più grande del cosiddetto punto dolce.

CONFRONTARE DIVERSE FOTOCAMERE E MARCHE DI OBIETTIVI

Un grande problema con il concetto MTF è che non è standardizzato. Confrontare diversi grafici MTF può quindi essere abbastanza difficile, e in alcuni casi impossibile. Per esempio, i grafici MTF di Canon e Nikon non possono essere confrontati direttamente, perché Canon usa calcoli teorici mentre Nikon usa misurazioni.

Tuttavia, anche se si eseguissero propri test MTF, si incorrerebbe ancora in problemi. Un tipico grafico MTF auto-eseguito raffigura l'MTF totale netto del sistema ottico della tua fotocamera — e non l'MTF dell'obiettivo da solo. Questo MTF netto rappresenta il risultato combinato da obiettivo, sensore fotocamera e conversione RAW, oltre a qualsiasi nitidezza o post-processing. Le misurazioni MTF varieranno quindi a seconda di quale fotocamera è usata per la misurazione, o del tipo di software usato nella conversione RAW. È quindi pratico confrontare solo grafici MTF misurati con metodologie identiche.

Sensori con Crop vs Full Frame. Bisogna fare attenzione extra confrontando grafici MTF tra fotocamere con diverse dimensioni sensore. Per esempio, una curva MTF a 30 LP/mm su full frame non è equivalente a una diversa curva MTF a 30 LP/mm su sensore 1.6X con crop. Il sensore con crop dovrebbe invece mostrare una curva a 48 LP/mm per un confronto equo, perché il sensore con crop viene ingrandito di più quando stampato alla stessa dimensione.

La diversità delle dimensioni sensori è perché alcuni hanno iniziato a elencare la frequenza di linea in termini di altezza immagine (LP/PH o LP/IH), invece di usare un'unità assoluta come millimetro. Una frequenza di linea di 1000 LP/PH, per esempio, ha la stessa apparizione a una data dimensione di stampa — indipendentemente dalla dimensione del sensore. Si sospetta che parte del motivo per cui i produttori continuano a mostrare grafici MTF a 10 e 30 LP/mm per obiettivi DX, EF-S e altri sensori con crop è perché questo fa sembrare i loro grafici MTF migliori.

LIMITI DEI GRAFICI MTF

Mentre i grafici MTF sono uno strumento estremamente potente per descrivere la qualità di un obiettivo, hanno ancora molti limiti. In effetti, un grafico MTF non dice nulla su:

• Qualità del colore e aberrazioni cromatiche
• Distorsione d'immagine
• Vignettatura (caduta luce verso i bordi)
• Susceptibilità al flare dell'obiettivo

Inoltre, altri fattori come la condizione dell'attrezzatura e la tua tecnica fotografica possono spesso avere molto più impatto sulla qualità delle tue foto che piccole differenze nell'MTF. Alcuni di questi fattori che riducono la qualità potrebbero includere:

• Precisione della messa a fuoco
• Mosso da fotocamera
• Polvere sul sensore digitale (vedi tutorial pulizia sensore)
• Micro-abrasioni, umidità, impronte o altri rivestimenti sul tuo obiettivo

La cosa più importante, anche se i grafici MTF sono strumenti straordinariamente sofisticati e descrittivi — con molta buona scienza a supporto — alla fine nulla batte semplicemente l'ispezione visiva di un'immagine su schermo o in stampa. Dopotutto, le foto sono fatte per essere guardate, quindi questo è tutto ciò che conta davvero alla fine. Può essere abbastanza difficile discernere se un'immagine apparirà meglio su un altro obiettivo basandosi su un MTF, perché ci sono solitamente molti fattori in competizione: contrasto, risoluzione, astigmatismo, apertura, distorsione, ecc. Un obiettivo è raramente superiore in tutti questi aspetti contemporaneamente. Se non riesci a distinguere la differenza tra scatti con obiettivi diversi usati in situazioni simili, allora le discrepanze MTF probabilmente non contano.

Infine, anche se l'MTF di un obiettivo è davvero peggiore di un altro, nitidezza e miglioramento contrasto locale possono spesso rendere questo svantaggio impercettibile in stampa — finché la differenza di qualità originale non è troppo grande.