Digitale fotografie, enkele stellingen ontzenuwd. ©Hans van Esdonk versie 2009-02-16#1 methodes om een onscherpe opname te maken..... ● verkeerd scherpstellen ● bewegen tijdens de opname ● vieze lens ● verkeerde film of sensor ● te klein diafragma ● slechte kwaliteit lens ● infraroodgevoeligheid ● ..........
Inleiding. In de digitale fotografie heersen aardig wat misverstanden, verwarringen, onbegrip en onjuiste beweringen vanuit de commercie. Aanleiding om een en ander eens nader te bekijken. Daarvoor is het noodzakelijk om de diverse factoren die tot een opname leiden van elkaar te onderscheiden. Dit om te voorkomen in een “beter-slechter” discussie terecht te komen en ervoor te zorgen dat de resultaten beoordeeld worden op een verantwoorde manier. Dit verhaal hoopt een bijdrage te leveren aan het inzicht in het hoe en wat van digitale fotografie. Daartoe wordt het opname apparaat, de camera, opgesplitst in twee stukken: de lens en de “gevoelige plaat”.
De camera. Zowel in de analoge (met negatieffilm) als in de digitale fotografie wordt er gebruik gemaakt van lenzen om het beeld te vormen op de “gevoelige plaat”. In de analoge fotografie is dat de negatieffilm, in de digitale fotografie de beeldsensor. Als de sensor even groot is als het negatief en hetzelfde aantal lijnen per millimeter kan weergeven als de negatieffilm is er weinig verschil, afgezien van het nabewerken dan. Helaas is het zo dat sensoren van het kleinbeeldformaat erg prijzig zijn, zeker als ze ook nog de kwaliteit van negatieffilm moeten evenaren.
De sensor. Een negatieffilm kan 100-200 lijnen per mm afbeelden. Dit hangt ondermeer samen met de gevoeligheid (ASA, DIN). Een beetje lens is al snel beter en haalt gemakkelijk 400-800 lijnen per millimeter. In het algemeen is de lens dus niet de bepalende factor. Gaan we uit van kleinbeeldformaat (24 mm x 36 mm) en vergroten we dit 10 maal dan krijg je dus een afdruk van 24 cm x 36 cm. De detail weergave is dan 50-100 μm (=micrometer, micron, duizendste millimeter). Een haar is ca 100 μm dik, oftewel 0,1 mm ter vergelijking. Voor een vergelijkbaar resultaat met een sensor van 24 mm x 36 mm moeten de pixels dus liggen op een afstand van 10 μm voor 100 lijnen per mm en 5 μm voor 200 lijnen per mm. Voor 100 lijnen per mm zijn dus 24 x 100 x 36 x 100 = 8,64 miljoen pixels (8,64 Megapixels) nodig. Voor 200 lijnen per mm dus 24 x 200 x 36 x 200 = 34,56 Megapixels. In het volgende hoofdstuk gaat het over megapixels en sensorgrootte.
Pixels, Megapixels en sensorgrootte. Hoeveel pixels zijn er nodig? Als je de commercie mag geloven is meer pixels veel beter, maar uit het vorige hoofdstuk kun je al opmaken dat er meer aan de hand is. Meer pixels kan betekenen een grotere sensor of kleinere pixels op een kleine(re) sensor. Als de sensor kleiner is dan kleinbeeld en je gebruikt nog steeds dezelfde lenzen dan zal het resultaat hetzelfde zijn als wanneer je een stuk van je negatief afknipt!!!! Met andere woorden, je raakt een deel van het beeld kwijt. De commercie beweert echter dat je nu plotseling een telelens hebt!!! Dat is natuurlijk absoluut onjuist, je hebt nog steeds je gewone lens met zijn eigenschappen zoals dieptescherpte en dergelijke. Ook termen als “het equivalent van...” zijn dus misleidend en onjuist!!! Het gaat dan over de kijkhoek en niet over de lens. De afmetingen van diverse sensoren zijn terug te vinden op internet: http://www.dpreview.com/learn/?/Glossary/Camera_System/sensor_sizes_01.htm
Wat is dus de oplossing met kleine sensoren? Lenzen met een kortere brandpuntsafstand. Je ziet dan vaak een brandpuntsafstand van 7 mm, terwijl je klassieke kleinbeeldcameralens een brandpuntsafstand heeft van 50 mm. Je kunt er dan vanuit gaan dat de sensor ca 5 mm breed is: een factor 7 t.o.v. kleinbeeldformaat om toch dezelfde hoek te realiseren waarmee je fotografeert als bij kleinbeeld. De meeste digitale camera's zijn voorzien van een optische zoomlens, bijvoorbeeld van 728 mm brandpuntsafstand. Dit wordt al te gemakkelijk “vertaald” als het equivalent van een 50-200 mm lens. Bedoeld wordt hier dus de openingshoek of de kijkhoek waarmee je fotografeert en niet de brandpuntsafstand. De brandpuntsafstand is en blijft 7-28 mm uiteraard. Het beste bewijs hiervoor is dat met die korte brandpuntsafstanden de dieptescherpte enorm toeneemt. Het wordt moeilijk om een portret te maken van iemand met zowel de voorgrond als de achtergrond onscherp. Trap er dus niet in als de onwetende verkoper beweert dat je nu een telelens hebt. Een Olympus C8080-wide zoom heeft 8 Megapixels en een sensor van 8.8 mm x 6.6 mm. Het beeldformaat is 3264 x 2448 pixels. De pixels staan hier dus op een steek van 8800/3264=2,7 μm. De lens moet dit dus aan kunnen. Deze camera heeft een zoomlens van 7,1 tot 35,6 mm brandpuntsafstand. In het volgende hoofdstuk meer over lenzen. Hasselblad heeft een sensor van 48 mm x 36 mm en 50 Megapixels. Hier is de pixelafstand ca 6 μm, ruim 2 maal zo groot als van genoemde Olympus. De lichtgevoeligheid is daarmee ruim een factor 4 groter dan die van de Olympus, immers het oppervlak is ruim 4 maal zo groot.
Lenzen. Lenzen maken een afbeelding van iets op een “gevoelige plaat”. Daarbij treden lensfouten op. De meest bekende zijn sferische en chromatische abberatie. Daarom zijn cameraobjectieven samengesteld uit diverse componenten om deze afbeeldingsfouten op te heffen. Deze lensfouten ontstaan vanwege wetmatigheden in de natuur en als er geen slijp- en polijstfouten zijn blijf je er dus toch mee zitten. Chromatische abberatie (kleurafwijking) wordt bijvoorbeeld veroorzaakt door het feit dat de brekingsindex van glas niet voor alle golflengtes (kleuren) hetzelfde is (denk aan een prisma). Daarom worden er combinaties gemaakt met andere glassoorten en vormen waarmee je als het ware een extra fout, maar tegengesteld, aanbrengt zodat het geheel weer goed uitkomt. Er zijn veel soorten lensfouten, maar we gaan er even vanuit dat die goed gecompenseerd zijn. Al deze fouten zijn gekoppeld aan de zgn. geometrische optica. Dit betekent niets anders dan het gedrag van lichtstralen beschrijven.
Maar er is nog een ander optica, de fysische. Deze beschrijft het gedrag van licht als golfverschijnsel en is wat moeilijker te begrijpen. Om zich toch een voorstelling te maken kun je twee stenen in het water gooien. Rondom de plaats waar de stenen in het water komen vormen zich cirkelvormige golven die elkaar op een gegeven moment bereiken. Dan ontstaat er een patroon met ribbels. Komen beide golven gelijktijdig met hun top bij elkaar dan versterken ze elkaar. Komt er een met zijn top en de ander met zijn dal bij elkaar dan doven ze elkaar uit. Met licht gebeurt hetzelfde maar op een schaal die we met het blote oog niet kunnen waarnemen. Het verschijnsel doet zich bij alle lenzen voor en is niet te voorkomen! Hieraan gerelateerde verschijnselen zijn de kleuren van een zeepbel, kleuren van een CD, hologrammen. Het verschijnsel heet interferentie. Maar wat betekent dit? Simpel gezegd kun je geen kleinere details afbeelden dan welke door deze wetmatigheid wordt bepaald. Het voert hier te ver om precies te beschrijven wat er gebeurt, maar er is wel een vuistregel die goed bruikbaar is voor de fotograaf. Die luidt namelijk dat het kleinste detail in μm dat kan worden weergegeven ongeveer gelijk is aan 0,55 x F, waarbij F het diafragmagetal is. Het getal 0,55 is de golflengte van groen licht in μm, zo ongeveer in het midden van het spectrum wat we kunnen waarnemen. Dus bij F4 kun je 2,2 μm details weergeven, zelfs met de perfecte lens kan het niet beter!!! Het betekent ook dat bij kleiner diafragma (groter getal) de resolutie afneemt! Bij F8 in het voorbeeld dus 4,4 μm. Kijken we naar de pixelafstand in de sensor dan zien we dat een typische afstand 2,7 μm is, zoals bij genoemde Olympus sensor. Bij F8 wordt dus een punt over meerdere pixels verdeeld, dus het beeld wordt onscherp!!!! Bij de eerder besproken kleinbeeldfilm met 100-200 lijnen per mm kom je dan uit op F22-F11 om 10, resp 5 μm detailgrootte te bereiken. Je ziet dus bij de genoemde Olympus geen kleiner diafragma dan F8, waarschijnlijk vanwege de onscherpte die dan ontstaat en die duidelijk zichtbaar wordt bij sterk uitvergroten tot pixelniveau. Zie ook bijgaande foto's. Het centrale deel (onder de vlag) is uitvergroot en linksboven ingeplakt. De opnames zijn op een statief gemaakt met als enige verschil het diafragma. De beste resolutie heeft de opname die met F2.4 gemaakt is. Dit is duidelijk zichtbaar. Bij verder uitvergroten is te zien dat de onscherpte met F2.4 ongeveer gelijk is aan 1 pixel (2,7 μm), bij F8 ca 2 pixels. De foto's zijn van het RAW formaat, dus niet nabewerkt.
Hieronder een opname met een BenQ C51 compact cameraatje. Het aantal pixels is 5 miljoen. De brandpunstafstand 5,9 mm en een diafragma van F5.3 Breedte: 2592 pixels Hoogte: 1944 pixels. Afstand tussen de pixels 2.2 μm. Resolutie: 0,55 x 5,3 = 2.9 μm De afbeeldingsmaatstaf is echter een factor 7.4/5.9 =1,25 t.o.v. de opnames met de Olympus wat betreft de opname. Dit is de verhouding van de brandpuntsafstanden. De uitvergroting van het deel linksboven ook nog een factor 1.25 dus in totaal ca een factor 1,6. De BenQ levert JPG bestanden en zijn dus in de camera al enigszins nabewerkt.
Enige verdere uitleg is wel op zijn plaats. Geen enkele lens is perfect gecompenseerd voor alle mogelijke geometrische afwijkingen die kunnen optreden. Het zou de lens onbetaalbaar maken, zeker als die ook nog lichtsterk moet zijn. Meestal wordt er dus een compromis gesloten zodat bij bijvoorbeeld F5.6 de som van alle afwijkingen het minst is en je toch enige dieptescherpte hebt voor bijvoorbeeld portretfotografie. Maar dit geldt voor 50 mm lenzen. Het is een soort vuistregel geworden vanuit de analoge fotografie. Een kleiner diafragma levert meer dieptescherpte op, maar dat is niet hetzelfde als scherpte (resolutie). Ook daar ontstaat vaak verwarring over. Daarom is voor de resolutietest gekeken naar een object in het midden. Daar zijn alle geometrische lensfouten minimaal. Diafragmeren tot F8 maakt de geometrische lensfouten dus ook minder zichtbaar zoals de sferische abberatie, veroorzaakt doordat stralen door de rand van de lens afwijkingen veroorzaken.
Het testen van camera's. Hieronder verstaan we in feite de combinatie lens + sensor. Heb je verwisselbare objectieven dan kun je meerdere experimenten uitvoeren zodat je ook een idee krijgt van eigenschappen van de sensor. De testen zijn een heel aardig middel om te kijken wat voor eigenschappen je camera heeft. Aan te raden is te fotograferen op diverse afstanden. Te denken valt aan bijvoorbeeld 10 x brandpuntsafstand maar ook 100 x en 1000 x. Zet in alle standen je diafragma open als het kan. Eventueel ook met kleinste diafragma en een gemiddeld diafragma een opname maken om het verschil te zien. De opnames zijn snel gemaakt natuurlijk. Als voorbeeld hier twee opnames. Het testpatroon is de monitor van je PC. Heb je een flat screen dan is de lineariteit perfect voor dit doel. Gebruik je een CRT dan heb je kans dat in de hoeken enige vertekening optreedt. Test dit met een lineaal eventueel. De opnames zijn van een rekenblad uit een spreadsheet. De lijnen van de cellen zijn iets aangezet, Tijdens de opname is het iets donkere vlakje in het midden gehouden en vervolgens is de camera zodanig gekanteld dat de lijnen symmetrisch lopen. Dan weet je zeker dat je camera loodrecht op het vlak van het beeldscherm staat. Op de foto's staan de brandpuntsafstanden en het gebruikte diafragma vermeld. De camera is een Olympus wide zoom C8080. Wat kun je hier zien? Nogal wat. Met name bij f=7.4 mm zie je het effect van lensfouten en kwadratisch afval van de helderheid naar de hoeken toe. Verder een zgn. Moiré-effect. Beide laatste effecten hebben niks met de lens te maken. Het kwadratische effect van de lichtafval komt omdat het van de lens naar de hoeken gemeten verder weg is dan naar het midden. Het Moiré-effect met het feit dat je pixels van het scherm afbeeldt op pixels van de sensor. Het betekent dus wel dat als je een fijne regelmatige structuur fotografeert je dit soort patronen kunt krijgen!! Dit verschijnsel treedt niet op bij de klassieke analoge film.
De lensfouten hier zijn de vertekening en de onscherpte naar de hoeken toe. Dat is ook wel te verwachten want de brandpuntsafstand en de sensorafmeting zijn hier ongeveer aan elkaar gelijk. Heel anders is de tweede opname. Hierbij is volledig ingezoomd. Hier zijn de effecten zoals in de eerste foto nagenoeg afwezig: geen vertekening, geen onscherpte en geen merkbare lichtafval naar de randen. Wel is ook hier een Moiréeffect te zien. Bedenk even dat het gefotografeerde Moiré-effect op zich weer een Moiré-effect kan veroorzaken op je scherm, afhankelijk van de vergroting waarmee je dit bestand bekijkt....probeer maar eens.
Verder geldt voor beide foto's dat de kleurweergave niet klopt. Daarvoor zijn talloze redenen denkbaar, bijvoorbeeld de instellingen van de camera zoals witpunt, verzadiging, hue, instelling beeldscherm enz. Bij deze foto's is daar niet op gelet. Maar het is natuurlijk een prima test: fotografeer een wit scherm met RGB waarden 255,255,255 vanuit een fotobewerkingsprogramma bijvoorbeeld en plaats de opname ernaast op je scherm. Niet schrikken!!!
De afbeeldingsmaatstaf. Dit is kort gezegd het aantal keren dat een beeld wordt verkleind op de “gevoelige plaat”. Voor opnames op meer dan 10-20 maal de brandpuntsafstand is dit simpelweg de verhouding tussen de brandpuntsafstand en de afstand van camera tot object. Dus een object op 5 meter afstand wordt met een lens met f=50 mm 100 maal verkleind afgebeeld. Met een 7 mm lens dus ca 700 maal. Wil je later een afdruk van de opnames maken tot dezelfde grootte dan moet je die met f=7 mm een factor 7 x verder vergroten. De resolutie van de sensor moet bij de korte brandpuntsafstand van f=7 mm veel beter zijn (ook een factor 7) dan bij f=50 mm. Dat resulteert dus in kleine pixelafstanden. Om 2500 pixels op een rij af te beelden elk ter dikte van een haar kom je uit op een afdruk van 250 mm. Als de sensor 5 mm is vergroot je dus 50
x, terwijl je bij kleinbeeld 7 x vergroot voor dezelfde afdruk. Dit soort vergrotingen van 50 x wordt bij analoge fotografie door de amateur zelden of nooit gebruikt en het is ook niet nodig als je kleinbeeldfilm hebt.
Lichtgevoeligheid. Als de pixels kleiner worden kan er minder licht op vallen. Omdat er vanwege de electronica enige (minimale) ruimte moet zitten tussen de pixels zal verdere verkleining tot een snelle daling van de lichtgevoeligheid leiden en de ruis zal toenemen. Ook dit pleit ervoor grotere sensors te kiezen met grotere pixels en dus lenzen met langere brandpuntsafstanden. Camera's hebben vaak de mogelijkheid om de gevoeligheid in te stellen. De pixels worden echter niet groter of gevoeliger hierdoor. Het enige wat gebeurt is dat bij een hogere gevoeligheid korter belicht wordt en het signaal daarna meer versterkt. Dit leidt tot ruis. Het volgende plaatje laat zien dat grotere pixels verhoudingsgewijs meer oppervlak gebruiken met dezelfde tussenruimte en dus meer licht opvangen.
Infraroodgevoeligheid. Het wordt wel eens vergeten, maar het materiaal waarvan de sensors zijn gemaakt, silicium, is infrarood gevoelig. De brandpuntsafstand van de lens is voor infrarood iets langer dan voor zichtbaar licht. Dat veroorzaakt onscherpte. Dit infrarood moet dus uitgefilterd worden. Bovendien geeft infrarood een signaal aan de detector, maar wat moet je er mee in je foto? Omzetten in een kleur? Nee dus. In de klassieke fotografie met zwart-wit film echter bestaan infraroodgevoelige films. Om een infrarood opname te maken moet het zichtbare licht dus tegengehouden worden. Op lenzen zie je vaak een correctie voor infrarood scherpstelling. Dit vanwege de andere brandpuntsafstand, veroorzaakt door een lagere brekingsindex. Bij digitale fotografie is het dus zaak om de kleurfilters ook infrarood tegen te laten houden of een extra filter plaatsen. Wil je met digitale fotografie infraroodopnames maken dan moet je dus alle kleurfilters verwijderen en vervangen door een infrarood doorlaatfilter.....best wel ingewikkeld en eigenlijk niet praktisch dus. Wil je toch digitale infrarood opnames maken dan kun je je toevlucht zoeken tot de wat goedkopere of oudere camera's. Misschien vind je er een zonder filter. Anders moet je op zoek naar speciale infraroodcamera's.
Conclusies. ●
Digitale fotografie is nog niet op het niveau van de analoge fotografie voor de betere amateur. Professionele digitale fotoapparatuur benadert inmiddels (2008) het niveau van de analoge fotografie zoals bijvoorbeeld het 36 mm x 48 mm negatiefformaat (Hasselblad e.d.) met 50 Megapixels.
●
Daarbij zie je dat de sensor groter wordt om gebruik te kunnen maken van gebruikelijke lenzen voor bijvoorbeeld portretfotografie. Omdat ook de pixels wat groter mogen zijn neemt ook de gevoeligheid toe.
●
Een zoomlens van 7-35 mm een telelens noemen is onterecht.
●
Het aantal pixels is belangrijk, maar alleen in combinatie met afmetingen en de juiste keuze van de lens.
●
De term “lichtgevoeligheid instellen” bij digitale fotografie is niet terecht.
●
Bij kleine sensoren wordt zo sterk verkleind dat afdrukken op een redelijk formaat (24 cm x 30 cm ) onvoldoende kwaliteit oplevert.
●
Sterk diafragmeren levert onscherpte op.
©Hans van Esdonk
