Waarom je een landschapsfoto beter niet met f16 neemt.

diffractie, kleiner wordende pixels en het digitaal uitvergroten (1:1 kijken)

Onlangs werd ik attent gemaakt op een interessant technisch aspect dat specifiek invloed heeft op de digitale fotografie. Het is een idee dat naar de toekomst toe meer en meer invloed zal hebben op resolutie en hoe we omgaan met het concept scherpte.

– In de algemene pixelrace klinken de kritische stemmen steeds luider en luider. –

De invloed van al die kleiner wordende pixels op de beeldkwaliteit hebben velen vaak in relatie gebracht met de ruisverhouding van een camera. Hoe meer pixels, hoe groter het risico op een hogere ruisverhouding en een achteruitgang in beeldscherpte.

Hoewel de scherpte een link heeft met ruis (noise), is het niet de zaligmakende factor. Vele cameraproducenten hebben door handige trucs dit probleem op een indrukwekkende manier weten aanpakken. De waardes voor (film)gevoeligheid grenzen aan het ongelofelijke. Waar je vroeger enkel rolletjes van maximaal ISO 800 kon kopen, kan je nu per foto waarden ingeven tot ISO 25.400 (en misschien al meer).

Als je de scherpte van een foto wil meten in termen van resolutie, dan zal je in de toekomst ook rekening moeten houden met de grootte van elke pixel op de sensor in je camera. Door het onvermijdelijke optische effect dat een diafragma heeft op een lichtstraal (en meer specifiek kleine diafragma openingen), kan er een verlies van resolutie optreden.

Een invallende lichtstraal binnen het zichtbare spectrum dreigt groter te worden dan de kleine pixels van tegenwoordig. Hierdoor treedt een evident resolutieverlies op en zijn grote prints moeilijker.

– Een landschapsfoto genomen met f16, afgedrukt op een 30 x 45 cm, zal met een digitale spiegelreflex camera (APS-C) en 10 MPixels niet meer de volledige resolutie bevatten… –

De verwachting is dat door de pixelrace en het bijgevolg kleiner worden van de pixels we meer en meer rekening moeten houden met grotere diafragmaopeningen als we absoluut grote prints van onze foto’s willen maken. Dat onze scherpte-diepte (essentieel voor landschapsfoto’s) al lang niet meer zo groot kan zijn, lijkt dan wel duidelijk. De technische termen die we gebruiken zijn Airy-schijven, Circle of Confusion en diffractie. We gaan er wel even van uit dat je weet wat een pixel is.

Diffractie effect en Airy-schijven uitgelegd.

Als lichtstralen zonder obstakel kunnen bewegen, zullen ze voornamelijk in rechte lijn bewegen. Elke lichtstraal zal een mooi afgerond punt projecteren. Een beetje zoals het punt op het einde van deze zin. Als die parallelle lichtstralen doorheen een klein diafragma (opening) bewegen, beïnvloeden ze elkaar. Naarmate het diafragma kleiner wordt (in relatie met de golflengte van het gebruikte licht), zal dit effect groter worden.

Die beïnvloeding resulteert in een verschil van afstand van de lichtstralen tot de projectie. Daardoor geraken sommige lichtstralen uit fase of heffen ze elkaar op. De projectie geraakt gebroken, in stukken gespreid. Centraal waar de lichtstralen elkaar versterken is het lichtpunt krachtig (de Airy-schijf is een term die dit omschrijft), naar de rand toe wordt de intensiteit lager en het waargenomen licht dus zwakker. Hoe kleiner het diafragma, hoe duidelijker deze diffractie.

 

cr: Luminous Landscape diffractie-effect (links) en de invloed daarvan op een projectie en de resulterende Airy-schijf (rechts)

 

Circle of Confusion.

Een geprojecteerd lichtpunt zoals hierboven, kunnen we in werkelijkheid niet zien. Het menselijk oog heeft een beperkt oplossend vermogen. We kunnen in ideale omstandigheden een muntstuk onderscheiden op ongeveer 60 meter afstand (bron). Bij gebrek aan een Nederlands woord heet dit de minimum ‘Circle of Confusion’: in dit geval het punt waarop het menselijk oog de limiet van zijn onderscheidend vermogen heeft bereikt. De CoC heeft dus een bepaalde oppervlakte en die is afhankelijk van de afstand van waar wij als mensen de projectie bekijken. Als we de puntjes in een afgedrukte afbeelding klein genoeg zijn en ze niet meer kunnen onderscheiden, was de CoC van de afbeelding klein genoeg om deze als scherp waar te nemen. Houden we diezelfde afbeelding tegen onze neus, kan het zijn dat we wel die puntjes kunnen zien. De afbeelding zien we nu als onscherp. CoC te groot dus.

In het digitale tijperk wordt de toegelaten Circle of Confusion kleiner.

De CoC is dus een relatief gegeven als we dit vertalen naar een afdruk. In het digitale tijdperk krijgen we te maken met een implicatie van een andere orde. Digitale foto’s bekijken we meer en meer op pixelniveau op de computer. De pixel wordt simpelweg de maximaal toegelaten Cicle of Confusion.

– Door de computer hebben we ons in het theoretische spectrum begeven, waar dit vroeger op film vaak gewoonweg niet van toepassing was. Het is alsof we op de computer steeds een loep voor onze afdruk houden van een ongelooflijke sterkte. –

Stel je voor: je bekijkt een metershoge affiche langs de kant van de weg met onze neus tegen het papier gedrukt… Helemaal hetzelfde. Het digitale ‘nu’ verplicht ons bijgevolg dit gegeven opnieuw te benaderen. Door dat we alles virtueel sterk gaan uitvergroten, stoten we uiteindelijk op een optische grens. Als we steeds meer resolutie willen, zullen we moeten accepteren dat we beperkt zijn door de wetten van de fysica, ongeacht de resolutie van onze camera.

Pixels en Circles of Confusion worden één.

Wanneer de Airy-schijf groter wordt door diffractie gezien de maximaal toegelaten CoC (of pixel), dan krijgt deze dus een zichtbare impact. De grens van de CoC/pixel wordt overschreden.

– Met andere woorden en kort door de bocht: de lichtpuntjes in onze foto worden groter dan een pixel en zijn bijgevolg zichtbaar. De foto is daardoor onscherp. –

Er is dus een grens aan de resolutie door de diffractiewerking en die is enkel afhankelijk van de grootte van het diafragma en de golflengte van het gebruikte licht. Kleine diafragma’s hebben zelfs invloed op contrastweergave nog voor er van diffractie sprake is door de geleidelijk uitdijende Airy-schijf.

De gemiddelde pixelgrootte op een digitale sensor wordt steeds kleiner.

De pixelrace zorgt ervoor dat er steeds meer van die dingen op een sensor worden geperst. Dit geldt voor zowel kleine compacte camera’s als voor relfex (APS of FF). De pixelgrootte moet dus kleiner worden. In het digitale tijdperk heeft dit rechtstreeks invloed op de grootte van de CoC, want bij een 1:1 uitvergroting is de CoC en de pixelomvang immers hetzelfde. Uiteindelijk komen we op het punt waar we voor zijn beginnen lezen: wat als we door de kleiner wordende pixelgroottes op de sensor van onze camera helemaal geen kleine diafragma’s kunnen kiezen als we de maximale resolutie willen behouden? Met andere woorden: welke resolutie zal mijn landschapsfoto, genomen met F16, op mijn 24 MPixel toestel nog overhouden? Door de kleiner wordende pixelgroottes mag de Airy-schijf niet meer zwaar te leiden hebben onder diffractie en zijn kleine diafragma’s een gevaar voor de maximale resolutie.

Praktijkvoorbeeld (je kan dit zelf even berekenen op deze site):
Een Canon G10 heeft 14 Mpixel op een kleine sensor. Een print (300dpi) die we bekijken vanaf 25cm met exact die resolutie (het theoretische maximum) heeft met F5,6 zichtbaar last van diffractie. De camera kan zijn theoretische maximum dus onmogelijk halen als je de lens volledig laat inzoomen. Hij haalt die wel als we eerder voor een groothoek – of portretstand opteren.
Computervoorbeeld (theoretisch):
Als we afbeeldingen van deze camera op computer bekijken is er geen enkele situatie waarin de volledige resolutie getoond kan worden. Een 14MPixel foto heeft een groter diafragma nodig als F2,8 om de resolutie van de sensor te halen. De lens op het toestel laat geen grotere opening toe, dus is dit toestel op de computer niet in staat elke pixel te onderscheiden. De diffractielimiet is al bereikt nog vóór de grootste diafragmaopening van de lens.

– Er mag dan wel 14 MPixels op de advertentie staan, je haalt het eigenlijk nooit. –

De G10 heeft een dan nog iets grotere sensor. De gevolgen van die overdaad aan pixels is niet iets wat maar recent is komen bovendrijven. Camerafabrikanten weten dit uiteraard en houden ook rekening met een aantal compenserende factoren. Zo komen we bij het laatste punt.

Verzachtende omstandigheden.

• Het menselijke oog is veel gevoeliger voor groen licht. Daardoor zijn er op een sensor twee maal zoveel groene receptoren in gebouwd. Als we spreken over resolutie verlies en een berekening willen maken hieromtrent, dan is de golflengte waarmee we daar rekening moeten houden uiteraard de groene. Rood licht heeft bijvoorbeeld een langere golflengte en zal sneller een diffractie-effect tonen in een foto.
• Een reactie die ik hoorde van een fabrikant is dat er rekening mee wordt gehouden door corrigerend glas te verwerken in de lenzen. Zoiets lijkt me niet van toepassing, gezien de theorie vertrekt van optisch perfecte lenzen. Je mag er van uit gaan dat in normale, betaalbare (zoom)lenzen je diafragmaopening zelf nog groter zal moeten zijn. Kijk maar naar dit bewijs (bij “what it looks like”).
• Optica is geen geheim, maar de software en beeldverwerking is dat wel. De complexiteit van hoe een camera uiteindelijk tot zijn beeld komt, is met die sensoren alleen iets wat de cameraproducenten weten. Omdat het diffractie-effect bij kleine diafragma’s al lang gekend is, en dus ook voorspelbaar, zullen de beeldverwerkingsprocessoren er ook rekening mee houden. Hoe en in welke mate is mij niet bekend.

WIM

Dit artikel is sterk gebaseerd op de volgende twee bronnen (Luminous Landscape en Cambridge in Colour). Ik heb naar best vermogen geprobeerd dit gegeven naar een beter begrijpbaar geheel te vertalen. Als er onduidelijkheden zijn, kan je die altijd even aanhalen in de comments. De afbeelding op de voorpagina komt van dit adres.

This post is tagged airy-schijf, CoC, diffractie, pixelrace, resolutie