Risoluzione: obiettivi e sensori

Nikkor_35-18_D7000Nikkor_35-18_D7000_risol-orizzPer valutare la qualità di un obiettivo tradizionalmente il parametro più importante considerato dai fotografi è sempre stata la risoluzione. Questaquantità normalmente si misura esprimendola con un valore che indica le coppie di linee (bianca e nera) che l’obiettivo riesce a distingure per millimetro. Più è alto più un obiettivo è buono pensano molti. In realtà non è così perche il valore di risoluzione in linee/millimetro dice solo una parte delle caratteristiche di un obiettivo. Per una valutazione completa è necessario considerare anche come queste linee sono risolte, cioè la differenz adi contrasto fra le linee bianche e quelle nere. Più è alta migliore è l’obiettivo. E’ evidente infatti che si ha una maggiore impressione di nitidezza vedendo due linee una bianca e una nera piuttosto che una grigio chiaro e una grigio scuro. La misura di questa caratteristica si fa rilevando la funzione di trasmissine della modulazione (M.T.F) in forma di grafico partendo dal centro per arrivare ai bordi delle lenti.
Le cose si complicano ancora di più quando si considerano le macchine digitali e le interazioni fra obiettivi e sensori.
Con la pellicola la maggiore parte delle macchine usava quella 35 mm con un fotogramma di dimensioni 36×24 mm (quello che oggi si chiama “fullframe”). C’erano si le medio e grande formato, ma erano una minoranza. Quindi l’indicazione della risoluzione di un obiettivo, o meglio la sua funzione MTF, davano un’idea precisa della qualità che si poteva ottenere da questo usando una pellicola di qualità e a bassa sensibilità.
Oggi invece con il digitale si ha una proliferazione di formati dei sensori con dimensioni molto diverse tra loro. Si va dai piccoli 1/2,3″ (6,17×4,55 mm) fino ai fullframe (36×24 mm) passando per tante dimensioni intermedie. Inoltre anche a parità di dimensione ci sono delle differenze nel numero di pixel. Al limite ci sono dei sensori da 1/2,3″ con 18 Mpx e dei sensori fullframe con solo 16 Mpx.
Inoltre molte fotocamere come le compatte e le bridge sono dotate di obiettivi fissi, quindi strettamente accoppiati al relativo sensore.
Non basta più quindi misurare la risoluzione di un obiettivo (o la sua MTF) per conoscerne la qualità e in molti casi non lo si può nemmeno fare, ma è necessario rilevare la risoluzione dell’insieme sensore più obiettivo per definire la qualità globale che una macchina può produrre, a livello di risoluzione cioè di discriminazione dei dettagli, accoppiata ad un determinato obiettivo o con il suo obiettivo fisso.

Per questo motivo ho deciso di riportare nei miei test non solo i grafici delle rilevazioni della risoluzione in linee/millimetro per l’insieme macchina-obiettivo, ma anche la capacità di risoluzione dell’insieme rapportata alle dimensioni del sensore.
Questa misura esprime il numero di coppie di linee verticali che l’insieme sensore-obiettivo è capace di distinguere sul lato più lungo orizzontale del sensore. Siccome la risoluzione degli obiettivi non è uniforme, ma varia fra il centro e i bordi (con una risoluzione più alta al centro) i valori riportati saranno due, uno per la risoluzione al centro e un altro per quella ai bordi.

Per chiarire meglio i concetti riporto un esempio considerando tre fotocamere con lo stesso numero di pixel 16 mpx, ma con sensori di dimensioni diverse e ovviamente con obiettivi diversi.
Sono la Fujifilm HS30EXR con sensore da 1/2″ (6,4×4,8 mm) e il suo obiettivo fisso Fujinon 4,2-126 mm equivalente ad un 24-720 mm nel formato fullframe, la Olympus OM-D E-M5 con sensore 4/3″ (17,3×13 mm) e obiettivo Olympus 12-50 equivalente ad un 24-100 mm e la Nikon D7000 con sensore DX (23,7×15,7 mm) e obiettivo Nikkor 35/1,8 equivalente ad un 52 mm. Per la HS30EXR e la E-M5 le rilevazioni sono state effettuate con gli obiettivi alla minima focale equivalente in entrambi i casi a 24 mm.

Risoluzione in ll/mm

HS30EXR-4-2

Olympus_12-50_12mm

Nikkor_35-18_D7000

a giudicare da questi grafici sembrerebbe che l’obiettivo della HS30EXR sia molto migliore di quelli della Olympus e della Nikon. In realtà questo obiettivo può avere una risoluzione così elevata perchè il suo cerchio di copertura necessario per coprire il sensore da 1/2″ della HS30EXR ha un diametro di soli 8 mm molto più piccolo di quello dell’Olympus, 21,7 mm e di quello del Nikkor, 28,5 mm. L’obiettivo della Fuji poi deve avere un’elevata risoluzione e deve lavorare ad elevate frequenze spaziali in quanto la densità di pixel sul sensore della macchina è molto più elevata che nelle altre due. Infatti abbiamo 677 pixel per mm nella HS30EXR, 266 pixel per mm nella E-M5 e 208 pixel per mm nella D7000.

Risoluzione orizzontale sensore-obiettivo

Rapportando la risoluzione alle dimensioni del sensore la situazione è molto diversa.
Per fare questo è necessario però considerare un’altra variabile cioè il rapporto dimensionale dei sensori che è diverso a secondo del tipo di macchine. Nelle bridge, come anche nelle compatte è di 4:3, nelle Micro 4/3 è sempre di 4:3 mentre nelle reflex, e anche nelle mirrorless APS, è di 3:2. Quindi le immagini di bridge e Micro 4/3 sono più estese in verticale rispetto a quelle delle reflex.
Per ottenere una misurazione uniforme e confrontabile quindi si sceglie il lato orizzontale del fotogramma e si calcola il numero di coppie di linee verticali che l’insieme obiettivo-sensore sono in grado di distinguere al centro e ai bordi del fotogramma.

HS30EXR-4-2_risol-orizz

Olympus_12-50-12_E-M5-risol-orizz

Nikkor_35-18_D7000_risol-orizz

Come si vede in questo caso le cose cambiano molto e la OM-D e la D7000 sono in grado di risolvere globalmente più linee rispetto alla HS30EXR. Questo è dovuto alle maggiori dimensioni del sensore. Ciò corrisponde al fatto che anche a parità di pixel le immagini prodotte dalle fotocamere con sensore più grandi sono maggiormente nitide e dettagliate. Se poi si aggiunge il fatto che gli obiettivi alle frequenze spaziali più basse hanno una funzione MTF più elevata (ciò vuol dire che il contrasto fra le linee bianche e nere è maggiore) si capisce che più è grande il sensore migliore è la qualità d’immagine.
Dai grafici si deduce anche che i sensori sarebbero in grado di fornire una risoluzione maggiore di quella che si riesce ad ottenere dalla coppia sensore-obiettivo. Infatti in nessun caso si superano le 2000 coppie di linee verticali, corrispondenti a 4000 pixel mentre questi sensori da 16 Mpx hanno una dimensione orizzontale di 4608 pixel per quelli in formato 4:3 e di 4928 per quelli in formato 3:2.

Dal grafico della risoluzione relativo agli obiettivi si vede poi come la diffrazione agisca, man mano che si chiude il diaframma, facendo decadere drasticamente la risoluzione a quelli più chiusi oltre f/8 o f/11 e per la HS30EXR già dopo f/5,6.

Dai test di prossima pubblicazione quindi ai grafici che si esprimono le linee/millimetro di risoluzione degli obiettivi si affiancheranno anche quelli relativi alla risoluzione orizzontale obiettivo-sensore e aggiornerò anche i test pubblicati.

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16 pensieri riguardo “Risoluzione: obiettivi e sensori”

    1. Maurizio,
      i voti restano sempre soggettivi e servono solo a creare inutili classifiche. Meglio le impressioni, i grafici ed un elenco di pregi e difetti, o cose che sono piaciute di più e di meno.
      Ciao, Francesco

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  1. Beh, se vogliamo trovare una pecca in questo bel test, possiamo dire che confrontare lo zoom 12-50 standard della OM-D con il Nikkor 35mm f/1.8 sulla D7000 non sembra molto significativo. Soprattutto sapendo che il 12-50 Olympus non è esattamente un fulmine di guerra…. Si doveva piuttosto mettere il 12mm f/2 sulla Olympus.

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    1. Jarno,
      questo prima di tutto non è un test, ma un articolo esplicativo della metodologia di misura che da ora in poi adotterò.
      Secondariamente contesto la tua affermazione sul 12-50 mm Olympus che è un ottimo obiettivo, mentre il 12 mm f/2 da quello che ho letto in rete non sembra gran che. Semmai avrei dovuto fare un confronto, ad esempio, con il Leica 25 f/1,4.
      Infine le prove si fanno col materiale messo a disposizione dai distributori delle varie marche e per Olympus mi è stato mandato il 12-50 mm. Il Nikon 35 mm è mio come la D7000, ma per i test non posso certo comprare tutte le macchine e gli obiettivi che provo.
      I due esempi riportati sono solo a titolo esplicativo della metodologia e si adattano molto bene a quanto volevo dire perchè dimostrano che un obiettivo con una risoluzione più alta su un sensore più piccolo produce alla fine risultati inferiori ad uno di risoluzione più bassa su un sensore più grande che è quello che l’articolo vuole dimostrare.
      Ciao, Francesco

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      1. Vero, non era un test. Sono stato frettoloso.
        Sui due obiettivi però le review online sono chiare e concordano, questi sono due esempi:
        sul 12-50:
        http://www.lenstip.com/334.11-Lens_review-Olympus_M.Zuiko_Digital_12-50_mm_f_3.5-6.3_ED_EZ_Summary.html
        sul 12mm f/2
        http://slrgear.com/reviews/showproduct.php/product/1444
        Personalmente ho il 12mm F/2 e l’unico difetto che ha, secondo me, è il prezzo elevato. Il 12-50 invece non credo che lo comprerò mai… mi tengo piuttosto il vecchio 14-42.
        grazie della risposta,
        j4rn0

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        1. Jarno,
          il 12-50 mm l’ho provato e misurato e ti assicuro che è molto buono, anche se come per tutti gli zoom è inferiore ai migliori focale fissa come ad esempio il Leica 25/1,4 che ho ugualmente provato. Riguardo ai difetti rilevati dalla review linkata la distorsione alla focale minima è presente con un valore del 6 %, ma nella pratica non si avverte in quanto corretta automaticamente dalla macchina o da Olympus Image Wiever per le foto raw. La vignettatura invece, presente alla focale minima ed a tutta apertura con un valore di 2/3 di stop e che scompare chiudendo di uno stop il diaframma è normale per la focale e non è da considerare assolutamente eccessiva. Anche questa è corretta dalla fotocamera o in conversione.
          Il 12 mm f/2,0 non l’ho provato, ma ho letto, sulla rivista Tutti Fotografi di ottobre 2012, il test MTF effettuato dal Centro Studi di Progresso Fotografico, il più affidabile ed autorevole laboratorio italiano ed europeo per la prova degli obiettivi. Loro lo hanno valutato globalmente solo “discreto” assegnandoli solo 2 stelle su un massimo di 6 corrispondenti ad eccellente. Ti riporto quanto scrivono:

          “La nitidezza non è molto elevata in quanto risente della limitata correzione dei bordi soprattutto alle maggiori aperture del diaframma. Molto elevata la distorsione (hanno misurato il 9 %): si tratta però di un difetto voluto in quanto la sua correzione è affidata alla fotocamera, che la riporta al di sotto dell’1 %. Ben corretta la vignettatura, indipendentemente da possibili correzioni della fotocamera, e molto preciso il diaframma.”

          Il tutto è supportato da misure e grafici.
          Questa è la realtà, poi si può credere a una review piuttosto che ad un’altra a secondo delle preferenze o del fatto che siano scritte in inglese.
          Ciao, Francesco

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          1. Grazie per le informazioni.
            Il tester polacco di Lenstip scrive in inglese per modo di dire, ma di obiettivi se ne intende; può darsi che avendo provato il 12-50 sulla Epl-1 abbia visto difetti che invece vengono corretti automaticamente dal corpo OM-D? E’ possibile. Di recente ha quasi stroncato perfino il nuovo m.Zuiko 35 f/1.8 che pare invece dia ottimi risultati sulla OM-D (ma lui prova tutti gli m.Zuiko su corpo Epl-1). Non mi spiego invece il parere così negativo di Progresso Fotografico su un obiettivo come il 12mm che è stato universalmente giudicato eccellente.

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            1. Jarno,
              mi fa piacere che tu esprima questi dubbi e faccia queste domande, così potrò chiarire meglio le metodologie ed i limiti dei test degli obiettivi che si leggono in rete e magari ne farò un articolo.
              Tutti i test di obiettivi pubblicati in rete sono effettuati misurando l’obiettivo montato su un corpo macchina. Si scattano foto a determinate mire ottiche di misura e poi si ricavano da queste le valutazioni. In realtà così non si misura l’obiettivo, ma l’insieme obiettivo sensore. Alcuni siti come Photozone (www.photozone.de) avvertono infatti che non si possono estendere le valutazioni fatte per un obiettivo su un tipo di macchina ad un altro sistema (es. i risultati di un test di un Tamron per Canon non possono essere estesi allo stesso Tamron su Nikon). In più Photozone presenta i test suddivisi per tipo di macchina su cui è stato effettuato.
              Altri, come SLRGear (slrgear.com) non accennano a questo (almeno non in evidenza), ma se si consultano i loro test si vede l’indicazione della macchina con cui l’obiettivo è stato provato (per esempio l’Olympus 12/2,0 con la E-P1 12 Mpx). Anche DXOMark (www. dxomark.com) prova gli obiettivi montati sulle fotocamere, fornendo con un menu a tendina la scelta della fotocamere, fra quelle provate, per la quale si vogliono vedere le misure e le valutazioni dell’obiettivo.
              Anche io faccio così, è l’unico sistema possibile per chi non possiede un laboratorio ben attrezzato con strumenti di misura molto costosi.
              L’unico laboratorio che fa questo, unico in Italia (non so se ce ne sono altri nel mondo che pubblicano simili test), è il Centro Studi di Progresso Fotografico che pubblica i test sulle riviste Tutti Fotografi e Progresso Fotografico (pubblicata dal 1898). Questo laboratorio misura gli obiettivi indipendentemente dalle macchine, con un apposito banco prova e tenendo conto solo del formato del sensore per cui gli obiettivi possono essere usati. Oltre alle consuete misure di distorsione, vignettatura, precisione del diaframma, la misura più importante che fa è quella della funzione MTF (Modulation Transmission Function) che oltre a misurare la risoluzione di un obiettivo rende conto di come l’obiettivo distingue i dettagli (es. le linee per la misura della risoluzione) misurando le differenze di contrasto fra gli elementi risolti. Questo da una precisa indicazione della nitidezza e della qualità di un obiettivo. E’ evidente infatti che, a parità di risoluzione, un obiettivo che riproduca delle linee bianche e nere sia migliore di uno che le riproduca grigio scuro e grigio chiaro e dia una maggiore impressione di nitidezza. Questa misure sono poi tradotte in uno o più grafici in cui, in funzione del diaframma, viene indicato un indice di qualità proporzionale ai risultati delle misure.
              Con questo metodo è possibile confrontare la qualità degli obiettivi indipendentemente dalle macchine ed è possibile fare confronti fra obiettivi di diverse marche.

              Riferendomi in particolare ai test che mi hai indicato, se il polacco prova gli obiettivi su una Olympus E-PL1 da 12 Mpx otterrà risultati diversi ed inferiori da quelli ottenibili su una OM-D E-M5 da 16 Mpx. Magari non si accorgerà della differenze fra centro e bordi perchè la risoluzione del sensore della E-PL1 non arriva ad evidenziarle. Anche SRLGear ha provato l’Olympus 12 mm su una E-P1 da 12 Mpx quindi evidentemente anche loro non hanno potuto apprezzare la sua vera qualità, ma solo quella consentita dall’insieme macchina-obiettivo. Lo stesso ha fatto Photozone che però ha l’onestà di elencare gli obiettivi provati in due colonne diverse, quelli provati con 12 Mpx e quelli provati con 16.

              Per i miei test delle macchine nei quali ho iniziato a pubblicare i grafici della risoluzione degli obiettivi ho deciso infatti, d’ora in poi, di pubblicare solo quelli relativi alla risoluzione orizzontale dell’insieme obiettivo-fotocamera perchè gli altri sono fuorvianti.
              Spero di essere stato chiaro, comunque se hai altre domande o dubbi scrivimi pure di nuovo.
              Ciao, Francesco

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  2. Solo una considerazione: forse ormai gli obiettivi non vengono più progettati indipendentemente dalla correzione elettronica prevista nel corpo macchina di riferimento? Nel qual caso andare a cercare i difetti ottici “a prescindere” potrebbe lasciare il tempo che trova, perché i progettisti lasciano certi difetti sapendo che l’elettronica li correggerà…?
    Certametne c’è anche un aspetto di contenimento dei costi in tutto questo, fare obiettivi otticamente eccellenti costa molto, fare obiettivi che diventano eccellenti solo accoppiati alle correzioni elettroniche del “loro” corpo macchina costa molto meno…

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  3. Bravo, molto interessante. A questo punto, quando arriverà sul mercato la famosa Nikon D7100, sarà interessante vedere cos combinerà il suo sensore con il mio 18-200…..

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  4. se ho capito bene avere un sensore grande è inutile se non si ha un obiettivo in grado di “risolvere” quella risoluzione e ugualmente un sensore piccolo con obiettivo grande darebbe un risultato equivalente?

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    1. Michele,
      cosa intendi per sensore “grande”? Grande come dimensioni o grande come numero di pixel?
      In linea di principio gli obiettivi che possono funzionare su più formati, come quelli per le reflex fullframe che si possono montare anche sulle APS, rendono meglio sul formato pieno. Questo perchè sul formato fulframe viene loro richiesto di funzionare a frequenze spaziali inferiori a quelle richieste sul formato APS più piccolo. In pratica, per fare un esempio, un sensore da 24 Mpx fullframe (6000×4000 pixel) ha sul lato maggiore da 36 mm 167 pixel per mm e può risolvere quindi, teoricamente, al massimo 83 linee per mm; un sensore APS sempre da 24 Mpx ha sul lato maggiore da 23,6 mm 254 pixel per mm e può risolvere, sempre teoricamente, al massimo 127 linee per mm. Ammettendo che un obiettivo, usabile su entrambi i formati, possa arrivare alla risoluzione di 127 l/mm richiesta dal formato APS (cosa non scontata) la sua resa a questa risoluzione sarà certamente inferiore a quella a 83 l/mm richiesta dal formato fullframe. Questo perchè la funzione MTF, che misura il contrasto con cui vengono rese dall’obiettivo le differenze tra le linee bianche e nere di misura, è molto inferiore per una frequenza spaziale, cioè di linee per mm, più elevata. Quindi se a 83 l/mm le linee sono ben distinte, quelle nere molto scure e quelle bianche molto chiare, a 127 l/mm quelle nere saranno grigio medio e quelle bianche grigio chiaro, con una generale impressione di minore nitidezza e di distinzione dei dettagli.
      Ci sono ovviamente obiettivi progettati espressamente per i formati minori, ma per motivi di dimensioni, pesi e sopratutto costi, difficilmente hanno una resa uguale a quella ottenibile su un formato fullframe.
      In ogni caso anche a parità di luminosità dell’obiettivo, diaframma, tempo di scatto e sensibilità Iso usata le foto fatte con un sensore grande e con uno piccolo con una focale equivalente uguale, non sarebbero equivalenti per nitidezza, profondità di campo e rapporto segnale/rumore.
      Ciao, Francesco

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