Meer dan megapixels: wat de resolutie van de cameralens werkelijk bepaalt

Er is een specificatie die op vrijwel elk datablad van moderne camera's voorkomt:

Megapixels.

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

Het nummer is gemakkelijk te begrijpen, gemakkelijk te vergelijken en zeer gemakkelijk op de markt te brengen.

Maar als je genoeg tijd hebt besteed aan het ontwikkelen van camerasystemen, kom je uiteindelijk een ongemakkelijke vraag tegen:

Kan de lens daadwerkelijk zijnoplossen wat de sensor kan vastleggen?

Dit is waar dingen interessanter worden.

Een 8MP-sensor geeft je niet automatisch een beeld van 8MP-kwaliteit. De sensor zorgt voor de bemonsteringsmogelijkheden, maar de lens moet voldoende optische details leveren om die pixels bruikbaar te maken.

Met andere woorden: een camera is geen competitie tussen sensormegapixels.

Het is een systeem.

En de lens is een van de belangrijkste onderdelen van dat systeem.

Sensorresolutie versus optische resolutie

Laten we beginnen met een eenvoudig onderscheid.

Sensorresolutiebeschrijft hoeveel pixels de sensor heeft.

Optische resolutiebeschrijft hoeveel ruimtelijke details de lens daadwerkelijk kan reproduceren.

Deze twee specificaties zijn gerelateerd, maar ze zijn niet hetzelfde.

Stel je voor dat je een kentekenplaat op afstand fotografeert.

Een 8 MP-sensor heeft mogelijk voldoende pixels beschikbaar om de plaat vast te leggen. Maar als de lens een wazig beeld met laag contrast produceert, kunnen die pixels de karakters niet op magische wijze reconstrueren.

Mogelijk krijgt u meer pixels die de onscherpte beschrijven.

Dat is niet hetzelfde als meer details.

Dit is de reden waarom het simpelweg plaatsen van een sensor met hoge resolutie achter een oude of slecht passende lens teleurstellende resultaten kan opleveren.

De sensor kan nieuw zijn.

Het beeld is dat misschien niet.

Pixelgrootte verandert de optische uitdaging

Een andere factor waarmee ingenieurs steeds meer rekening moeten houden, is de pixelgrootte.

Naarmate de sensortechnologie vordert, kunnen fabrikanten meer pixels in hetzelfde fysieke gebied plaatsen.

Dat klinkt als een duidelijke verbetering.

Maar er is een wisselwerking.

Kleinere pixels betekenen dat het optische systeem mogelijk fijnere details moet reproduceren om de sensor volledig te kunnen benutten.

Een camera die een relatief grote pixelafstand gebruikt, kan bijvoorbeeld minder veeleisend zijn voor de lens dan een sensor met extreem kleine pixels en een veel hogere pixeldichtheid.

Dit roept een belangrijke vraag op tijdens de cameraontwikkeling:

Is de lensresolutie hoog genoeg voor de pixelpitch van de sensor?

Een lens die perfect presteerde met een oudere sensor levert mogelijk niet automatisch dezelfde praktische prestaties in combinatie met een nieuwere, dichtere sensor.

Dit is een van de redenen waarom de lensselectie samen met de sensorselectie zou moeten plaatsvinden, in plaats van de lens als een bijzaak te beschouwen.

Waarom MTF belangrijker is dan een megapixellabel

Als je de echte optische resolutie wilt begrijpen, moet je er uiteindelijk over pratenMTF — Modulatieoverdrachtsfunctie.

De terminologie klinkt intimiderend.

Het basisidee is dat niet.

MTF beschrijft hoe goed een optisch systeem het contrast op verschillende detailniveaus behoudt.

Denk eens aan het fotograferen van een reeks steeds fijnere zwart-witlijnen.

Bij grote, gemakkelijk zichtbare patronen kan vrijwel elke fatsoenlijke lens deze reproduceren.

Naarmate de lijnen fijner worden, verliest de lens geleidelijk aan contrast.

Een sterk optisch systeem handhaaft een bruikbaar contrast tot ver in het fijne detailbereik.

Dat is wat MTF ingenieurs helpt evalueren.

Dit is de reden waarom een ​​serieuze lensspecificatie niet moet stoppen bij:

“Ondersteunt 8MP.”

Een betere evaluatie vraagt:

Wat zijn de MTF-prestaties?

Op welke ruimtelijke frequenties?

Hoe presteert het in het centrum?

Wat gebeurt er richting de rand?

Blijven de prestaties stabiel bij het beoogde diafragma?

Deze vragen vertellen je veel meer over het eigenlijke optische systeem.

Centrumresolutie is niet het hele verhaal

Een van de gemakkelijkste manieren om een ​​lens er indrukwekkend uit te laten zien, is door een zeer scherp middenbeeld weer te geven.

Het probleem is dat camera's niet alleen het centrum fotograferen.

Groothoekbeveiligingscamera's, autocamera's, dronecamera's en robotsystemen zijn vaak sterk afhankelijk van perifere beeldinformatie.

Een lens kan een uitstekende scherpte in het midden leveren, maar merkbaar zwakkere prestaties nabij de randen.

Dit kan invloed hebben op:

Objectdetectie

Gezichtsherkenning

Voertuigherkenning

Begrip van scènes

Machine vision-inspectie

Een beveiligingscamera die een parkeerplaats in de gaten houdt, kan bijvoorbeeld een voertuig aan de rand van het beeld zien binnenkomen.

Als het centrum er fantastisch uitziet, maar de randen zacht zijn, vertelt de indrukwekkende resolutiespecificatie van de camera niet het hele verhaal.

Voor ingenieurs is de nuttigste vraag:

Hoe gelijkmatig presteert de lens over het beeld?

Aberraties stelen stilletjes details

Optische aberraties zijn een andere reden waarom een ​​camera met een groot aantal megapixels mogelijk niet de verwachte beeldkwaliteit levert.

Veel voorkomende problemen zijn onder meer:

Sferische aberratie

Chromatische aberratie

Coma

Astigmatisme

Veldkromming

Je hoeft niet per se een optisch ontwerper te zijn om het resultaat te begrijpen.

Het praktische gevolg is eenvoudig:

Details worden minder nauwkeurig.

Randen kunnen contrast verliezen. Fijne structuren kunnen er gekleurd of vlekkerig uitzien. Hoeken kunnen zachter worden.

Modern optisch ontwerp houdt dus veel meer in dan het kiezen van een brandpuntsafstand en diafragma.

Het optische systeem moet meerdere factoren tegelijkertijd in evenwicht brengen.

Vervorming is ook een probleem met de beeldkwaliteit

Vervorming wordt soms behandeld als een puur visueel probleem.

Dat is niet altijd zo.

Voor een informele foto kunnen gebogen rechte lijnen er eenvoudigweg onaantrekkelijk uitzien.

Voor machine vision- of AI-toepassingen kan geometrie van belang zijn.

Een groothoeklens met aanzienlijke vervorming kan ervoor zorgen dat objecten nabij de rand er heel anders uitzien dan hun werkelijke vorm en positie.

Dit betekent niet dat elke toepassing een ultralage vervorming nodig heeft.

Een beveiligingscamera kan redelijkerwijs enige vervorming accepteren in ruil voor een veel breder gezichtsveld.

Een industrieel meetsysteem misschien niet.

Nogmaals, optische engineering gaat over afwegingen.

De “beste” lens hangt af van wat de camera moet doen.

Waarom "8MP-lens" een onvolledige beschrijving is

Dit is misschien wel het belangrijkste punt.

De zinsnede “8MP-lens'is handig voor marketing, maar technisch onvolledig.

De resolutie wordt beïnvloed door de relatie tussen:

Lens

Sensor

Pixelgrootte

Apertuur

Beeldcirkel

CRA

Beeldverwerking

Lichtomstandigheden

Een lens bestaat niet op zichzelf.

Een bepaalde lens kan met de ene sensor heel goed presteren en met een andere minder effectief, omdat de optische eisen zijn veranderd.

Dit is de reden waarom ervaren camera-ingenieurs meestal naar het sensormodel en de optische vereisten vragen voordat ze een lens goedkeuren.

Een leverancier die meteen zegt: “Ja, deze lens ondersteunt 8 MP” zonder iets anders te vragen, beantwoordt mogelijk eerder de verkoopvraag dan de technische vraag.

Dus hoe moeten ingenieurs een lens met hoge resolutie evalueren?

In plaats van te beginnen met megapixels, raad ik aan om te beginnen met de applicatie.

Vragen:

1. Welke sensorzal worden gebruikt?

Het sensorformaat en de pixelgrootte bepalen de optische vereisten.

2. Welk gezichtsveld is vereist?

Een groothoekontwerp brengt andere uitdagingen met zich mee dan een smalhoeklens.

3. Welk detailniveau doet er eigenlijk toe?

Een beveiligingscamera die een persoon op enkele meters afstand identificeert, stelt andere eisen dan een machine vision-camera die een klein onderdeel inspecteert.

4. Hoe belangrijk zijn edge-prestaties?

Voor veel groothoeksystemen is dit van cruciaal belang.

5. Wat gebeurt er bij het beoogde diafragma?

Een lens kan anders presteren wanneer hij wijd open wordt gebruikt, dan wanneer hij wordt gestopt.

6. Wat laten de MTF-gegevens zien?

Dit levert veel nuttigere informatie op dan alleen een megapixellabel.

De echte betekenis van “hoge resolutie”

Een lens met hoge resolutie is niet simpelweg een lens met een hoog nummer ernaast gedrukt.

Het is een optisch systeem dat fijne details met voldoende contrast kan reproduceren, over het vereiste beeldveld, onder de beoogde bedrijfsomstandigheden.

Dat is een veel moeilijker technisch probleem.

En eerlijk gezegd: daarom kunnen twee lenzen met ogenschijnlijk vergelijkbare specificaties heel verschillende prijzen hebben.

U betaalt niet zomaar voor meer glas.

U betaalt voor optisch ontwerp, toleranties, materialen, productienauwkeurigheid, coating, assemblage en testen.

Bij Boshi Optics worden optische oplossingen ontwikkeld voor toepassingen variërend van beveiligingstoezicht en beeldvorming in de automobielsector tot medische beeldvorming, slimme apparaten en andere camerasystemen. Het productportfolio van het bedrijf omvat lenzen met verschillende sensorformaten, resoluties, gezichtsvelden, diafragma's en optische structuren, die de realiteit weerspiegelen dat er niet één 'beste' lens voor elke camera bestaat.

Laatste gedachte: stop met het tellen van pixels, begin met het bekijken van informatie

Megapixels zijn handig.

Ze vertellen je hoeveel pixels een sensor kan leveren.

Maar ze vertellen je niet hoeveel nuttige informatie het optische systeem aan die pixels kan leveren.

Daarom kijken ervaren engineers verder dan het nummer op de cameradoos.

Ze kijken naar MTF.

Ze kijken naar de pixelgrootte.

Ze kijken naar de prestaties van centrum tot rand.

Ze kijken naar aberraties, vervorming, verlichting en sensorcompatibiliteit.

Het belangrijkste is dat ze naar het werkelijke beeld kijken.

Want uiteindelijk kopen klanten geen 8 miljoen pixels.

Ze kopen de details die deze pixels zouden moeten weergeven.