Megapixels são necessários!
A corrida de megapixels certamente não é "desnecessária". Consistentemente ao longo da última década, foram feitos progressos na parte frontal dos megapixels, aumentando constantemente a qualidade da imagem. Os ditos anedóticos levariam você a pensar que isso era impossível, mas existem algumas melhorias tecnológicas e de fabricação que reduziram o ruído, aumentaram a relação sinal-ruído e aumentaram o alcance dinâmico, apesar da redução das áreas de pixels.
Eu acho que o advento do sensor Sony Exmor de 36,3mp usado atualmente na Nikon D800 é um exemplo requintado do que as melhorias tecnológicas de baixo nível podem fazer para diminuir o ruído e aumentar a dinâmica, ao mesmo tempo em que permitem aumentos significativos na resolução da imagem. Como tal, acho que a D800 é um excelente exemplo de por que a corrida de megapixels definitivamente não acabou de forma alguma.
Quanto a saber se é apenas direito de se gabar? Eu duvido. Ferramentas melhores sempre podem ser usadas efetivamente nas mãos de um artesão qualificado. Resolução mais alta e faixa dinâmica com mais baixo ISO têm alguns casos de uso específicos de alto valor. Ou seja, fotografia de paisagem e algumas formas de fotografia de estúdio. A D800 está em um local muito exclusivo, oferecendo qualidade de imagem em formato quase médio em um pacote com aproximadamente 1/10 do custo. Para alguns estúdios, não há substituto para o melhor, e eles usarão câmeras digitais de médio formato, no valor de US $ 40.000, para fornecer a percepção correta aos seus clientes. No entanto, para muitos outros estúdios e para muitos fotógrafos de paisagem, a D800 é um sonho tornado realidade: cargas de megapixels E alta faixa dinâmica.
Não, a corrida de megapixels definitivamente não acabou e certamente não é desnecessária. A concorrência em todas as frentes produz progresso em todas as frentes, e isso é apenas uma coisa boa para o consumidor.
Potencial de melhoria
Para ir um pouco mais fundo do que minhas conclusões acima, há mais na história do que simplesmente que a competição em todas as frentes é boa. Tecnologicamente, fisicamente e praticamente, existem limitações que de fato restringem os ganhos potenciais à medida que continuamos a aumentar a contagem de pixels do sensor. Uma vez atingidos esses limites, será necessário obter ganhos úteis a um custo razoável em outro lugar. Duas áreas em que isso pode ocorrer seriam óptica e software.
Limitações tecnológicas
Tecnologicamente, existem limites distintos para o quanto você pode melhorar o QI. A principal fonte de degradação da imagem nos sensores é o ruído, e há uma variedade de formas de ruído introduzidas eletronicamente que podem ser controladas. Eu acho que a Sony, com seus sensores Exmor, está muito perto de atingir limites tecnológicos, se ainda não o fizeram. Eles utilizaram uma variedade de patentes para reduzir as fontes de produção de ruído no nível do hardware diretamente em seus sensores. Principais fontes de ruído controlável são ruído corrente escura , leia barulho , ruído de padrão , o ruído não uniformidade , de conversão (ou quantização) de ruído e ruído térmico .
Tanto a Sony quanto a Canon usam CDS , ou amostragem dupla correlacionada , para reduzir o ruído da corrente escura. A abordagem da Sony é um pouco mais eficiente, mas ambas usam essencialmente a mesma abordagem. O ruído de leitura é um subproduto da amplificação devido a flutuações na corrente através do circuito. Existem várias abordagens experimentais e patenteadas para detectar variação de tensão em um circuito e corrigi-lo durante a amplificação, para produzir um resultado de leitura "mais puro e preciso". A Sony usa uma abordagem própria patenteada nos sensores Exmor, incluindo o de 36.3mp usado no D800. Os outros dois tipos de ruído eletrônico de pré-conversão são o ruído de padrão e o ruído de não uniformidade. Estes são o resultado de descontinuidades na resposta e eficiência do circuito.
O ruído do padrão é um aspecto fixo de cada um dos transistores usados para construir um único pixel do sensor e as portas eletrônicas usadas para iniciar a leitura e a descarga do sinal. Em um nível quântico, é quase impossível tornar cada transistor exatamente idêntico um ao outro, e isso produz um padrão fixo de linhas horizontais e verticais no ruído do sensor. De um modo geral, o ruído do padrão contribui pouco para o ruído geral e é realmente apenas um problema em regiões SNR muito baixas ou durante exposições muito longas. O ruído do padrão pode ser relativamente fácil de remover, desde que você resolva o problema corretamente. Um "quadro escuro" pode ser construído pela média de várias amostras juntas para criar um modelo de ruído de padrão que pode ser diferenciado com um quadro de cor para remover o ruído do padrão. É basicamente assim que funciona a remoção de ruídos de longa exposição, e é também como se pode remover manualmente o ruído de padrão fixo de exposições longas. No nível do hardware, o ruído de padrão fixo pode ser atenuado pela gravação em um modelo que reverte os efeitos do FPN, de modo que as diferenças possam ser adicionadas / subtraídas no tempo de leitura, semelhante ao CDS, melhorando assim a "pureza" das leituras de pixels. Existe hoje uma variedade de abordagens experimentais para gravação em modelos FPN, bem como abordagens mais abstratas.
O ruído de não uniformidade, geralmente chamado de PRNU ou Não Uniformidade de Resposta de Pixel, é o resultado de pequenas variações na eficiência quântica (QE) de cada pixel. QE refere-se à capacidade de pixels para capturar fótons e geralmente é classificado como porcentagem. A Canon 5D III, por exemplo, possui um QE de 47%, o que indica que é eficiente o suficiente para capturar regularmente 47% dos fótons que atingem cada pixel. O QE real por pixel pode variar em +/- um par por cento, o que produz outra fonte de ruído, pois cada pixel pode não capturar o mesmo número de fótons que seus vizinhos, apesar de receber a mesma quantidade de luz incidente. O PRNU também muda com a sensibilidade, e essa forma de ruído pode se agravar à medida que o ISO aumenta. O PRNU pode ser mitigado normalizando a eficiência quântica de cada pixel, minimizando a variação entre vizinhos e em toda a área do sensor. É possível obter melhorias no QE reduzindo o espaço entre os fotodiodos em cada pixel, a introdução de uma ou mais camadas de microlentes acima de cada pixel para refratar a luz incidente que não é de fotodíodo no fotodiodo e o uso da tecnologia de sensor retroiluminado (que se move muito ou toda a fiação de leitura e transistores por trás do fotodiodo, eliminando a chance de obstruir os fótons incidentes e refleti-los ou convertê-los em energia térmica.)
O ruído térmico é o ruído introduzido pelo calor. O calor é essencialmente apenas outra forma de energia e pode excitar a geração de elétrons em um fotodiodo, da mesma forma que uma lata de fótons. O ruído térmico é causado diretamente pela aplicação de calor, geralmente através de componentes eletrônicos quentes, como um processador de imagem ou ADC. Pode ser mitigado isolando termicamente esses componentes do sensor ou esfriando ativamente o sensor.
Finalmente, há ruído de conversão ou ruído de quantização. Esse tipo de ruído é gerado devido a imprecisões inerentes durante o ADC ou conversão de analógico para digital. Um ganho não integral (um ganho decimal com parte inteira e fracionária) é geralmente aplicado ao sinal de imagem analógica lido pelo sensor ao digitalizar uma imagem. Como um sinal analógico e ganho são números reais, o resultado digital (integral) da conversão geralmente é inconsistente. Um ganho de 1 produziria um ADU para cada elétron capturado por um pixel, porém um ganho mais realista pode ser 1,46; nesse caso, você pode obter 1 ADU por elétron em alguns casos e 2 ADU por elétron em outros casos. Essa inconsistência pode introduzir ruído de conversão / quantização na saída digital pós-ADC. Essa contribuição ao ruído é bem baixa, e produz um desvio bastante fino de ruído de pixel para pixel. Geralmente, é bastante fácil de remover com a redução de ruído do software.
A remoção de formas eletrônicas de ruído tem o potencial de melhorar o ponto preto e a pureza da imagem. Quanto mais formas de ruído eletrônico você puder eliminar ou mitigar, melhor será a sua relação sinal / ruído, mesmo para níveis de sinal muito baixos. Esta é a principal frente sobre a qual a Sony fez um progresso significativo com seus sensores Exmor, que abriram a possibilidade de alcance dinâmico de 14 pontos com recuperação de sombra verdadeiramente impressionante. Essa também é a área principal em que muitas tecnologias concorrentes de fabricação de sensores estão atrasadas, principalmente Canon e sensores de médio formato. Os sensores da Canon, em particular, têm níveis de ruído de leitura muito altos, níveis mais baixos de normalização do QE, QE geral mais baixo e usam o CDS apenas para mitigar o ruído da corrente escura em seus sensores. Isso resulta em uma faixa dinâmica geral muito menor,
Uma vez que todas as formas de ruído eletrônico sejam mitigadas a níveis em que não importam mais, haverá pouco fabricante para melhorar os próprios sensores. Quando esse ponto é alcançado, a única coisa que realmente importa do ponto de vista da eficiência quântica por pixel é a área de pixels ... e com características eletrônicas quase perfeitas, provavelmente poderíamos suportar tamanhos de pixels consideravelmente menores que os sensores DSLR de maior densidade hoje (que seria a Nikon D800 com seus 4,6 micra de pixels, a Canon 7D com seus 4,3 micra de pixels e, eventualmente, a Nikon D3200 com 3,8 micra de pixels.) pixels são viáveis e podem produzir um QI bastante decente. A mesma tecnologia em uma DSLR poderia ir ainda mais longe com a redução máxima de ruído,
Limitações físicas
Além das limitações tecnológicas para a perfeição da qualidade da imagem, existem algumas limitações físicas. As duas principais limitações são o ruído do fóton e a resolução espacial . Esses são aspectos da realidade física e são coisas sobre as quais realmente não temos muito controle. Eles não podem ser mitigados com aprimoramentos tecnológicos e estão (e estiveram) presentes independentemente da qualidade de nossos equipamentos.
Ruído de fóton ou tiro de fótonruído, é uma forma de ruído devido à natureza inerentemente imprevisível da luz. Em um nível quântico, não podemos prever exatamente qual pixel um fóton pode atingir, ou com que freqüência os fótons podem atingir um pixel e não outro. Podemos ajustar grosseiramente os ataques de fótons a uma curva de probabilidade, mas nunca podemos fazer o ajuste perfeito, para que os fótons de uma fonte de luz uniforme nunca se distribuam perfeita e uniformemente na área de um sensor. Esse aspecto físico da realidade produz a maior parte do ruído que encontramos em nossas fotografias, e a amplificação dessa forma de ruído pelos amplificadores do sensor é a principal razão pela qual as fotos ficam mais barulhentas em configurações ISO mais altas. A menor relação sinal / ruído significa que há menos alcance total de sinal dentro do qual capturar e amplificar fótons, portanto, um SNR mais alto pode ajudar a mitigar os efeitos do ruído do fóton e nos ajudar a obter configurações ISO mais altas ... no entanto, o ruído do fóton em si não pode ser eliminado e sempre será uma limitação no QI da câmera digital. O software pode desempenhar um papel na minimização do ruído da tomada de fótons e, como existe alguma previsibilidade à luz, algoritmos matemáticos avançados podem eliminar a grande maioria dessa forma de ruído depois que uma foto é tirada e importada em um formato RAW. A única limitação real aqui seria a qualidade, exatidão e precisão do software de redução de ruído. algoritmos matemáticos avançados podem eliminar a grande maioria dessa forma de ruído depois que uma foto é tirada e importada em um formato RAW. A única limitação real aqui seria a qualidade, exatidão e precisão do software de redução de ruído. algoritmos matemáticos avançados podem eliminar a grande maioria dessa forma de ruído depois que uma foto é tirada e importada em um formato RAW. A única limitação real aqui seria a qualidade, exatidão e precisão do software de redução de ruído.
A resolução espacial é outro aspecto físico das imagens bidimensionais com as quais temos que trabalhar. Frequências espaciais, ou formas de onda bidimensionais de luminosidade variável, são uma maneira de conceituar a imagem projetada por uma lente e registrada por um sensor. A resolução espacial descreve a escala dessas frequências e é um atributo fixo de um sistema óptico. Quando se trata de sensores, a resolução espacial é uma conseqüência direta do tamanho do sensor e da densidade de pixels.
A resolução espacial é frequentemente medida em pares de linhas por milímetro (lp / mm) ou ciclos por milímetro. O D800, com seus pixels de 4,3 mícron, ou 4912 linhas de pixels em 24 mm de altura do sensor, é capaz de 102,33 lp / mm. Curiosamente, a Canon 7D, com suas 3456 linhas de pixels em 14,9 mm de altura, é capaz de 115,97 lp / mm ... uma resolução maior que a D800. Da mesma forma, a Nikon D3200 com 4000 linhas de pixels em 15,4 mm de altura do sensor será capaz de 129,87 lp / mm. Tanto o 7D quanto o D3200 são sensores APS-C ou de quadro cortado ... menores em dimensões físicas do que o sensor de quadro completo do D800. Se continuássemos aumentando o número de megapixels em um sensor de quadro completo até que tivessem o mesmo tamanho de pixel que o D3200 (3,8 mícrons), poderíamos produzir um sensor de 9351x6234 pixels, ou 58,3mp. Poderíamos levar esse pensamento ao extremo, e suponha que seja possível produzir um sensor DSLR de quadro completo com o mesmo tamanho de pixel do sensor no iPhone 4 (que é conhecido por tirar algumas fotos muito boas com QI que, embora não sejam tão boas quanto as de uma DSLR, é mais do que aceitável), que é de 1,75 mícrons. Isso se traduziria em um sensor de pixel de 20571x13714 ou 282,1mp! Esse sensor seria capaz de resolução espacial de 285,7 lp / mm, um número que, como você verá em breve, tem aplicabilidade limitada.
A verdadeira questão é se essa resolução em um fator de forma DSLR seria benéfica. A resposta para isso é potencialmente. A resolução espacial de um sensor representa um limite superior do que toda a câmera poderia ser possível, supondo que você tivesse uma lente correspondente capaz de produzir resolução suficiente para maximizar o potencial do sensor. As lentes têm suas próprias limitações físicas inerentes à resolução espacial das imagens que projetam, e essas limitações não são constantes ... elas variam com a abertura, a qualidade do vidro e a correção de aberrações. A difração é outro atributo físico da luz que reduz a resolução potencial máxima à medida que passa por uma abertura cada vez mais estreita (no caso de uma lente, essa abertura é a abertura.) Aberrações ópticas ou imperfeições na refração da luz por uma lente, outro aspecto físico que reduz a resolução potencial máxima. Ao contrário da difração, as aberrações ópticas aumentam à medida que a abertura é ampliada. A maioria das lentes possui um "ponto ideal", no qual os efeitos das aberrações e difrações ópticas são aproximadamente equivalentes, e a lente atinge seu potencial máximo. Uma lente "perfeita" é uma lente que não possui aberrações ópticas de nenhum tipo e é, portanto,difração limitada . As lentes geralmente se tornam limitadas por difração em torno de f / 4.
A resolução espacial de uma lente é limitada por difração e aberrações e, à medida que a difração aumenta à medida que a abertura é interrompida, a resolução espacial diminui com o tamanho da pupila de entrada. Em f / 4, a resolução espacial máxima de uma lente perfeita é de 173 lp / mm. Em f / 8, uma lente limitada por difração é capaz de 83 lp / mm, que é quase a mesma da maioria das DSLRs de quadro completo (excluindo a D800), que variam de cerca de 70-85 lp / mm. Em f / 16, uma lente limitada por difração é capaz de meros 43 lp / mm, metade da resolução da maioria das câmeras full-frame e menos da metade da resolução da maioria das câmeras APS-C. Mais ampla que f / 4, para uma lente que ainda é afetada por aberrações ópticas, a resolução pode cair rapidamente para 60 lp / mm ou menos e tão baixa quanto 25-30 lp / mm para ângulos largos ultra-rápidos f / 1.8 ou mais rápidos . Voltando à nossa teoria 1. Sensor FF de 282mp e pixel de 75 mícrons ... seria capaz de resolução espacial de 285 lp / mm. Você precisaria de uma lente f / 2.4 perfeita e com limitação de difração para obter tanta resolução espacial. Tal lente exigiria correção extrema de aberração, aumentando consideravelmente o custo. Existem algumas lentes que podem atingir características quase perfeitas em aberturas ainda mais amplas (uma lente especializada da Zeiss vem à mente que é supostamente capaz de cerca de 400 lp / mm, o que exigiria uma abertura de cerca de f / 1,6-f / 1,5), no entanto, eles são raros, altamente especializados e extremamente caros. É muito mais fácil alcançar a perfeição em torno de f / 4 (se as últimas décadas de produção de lentes são alguma dica), o que indica que a resolução máxima viável e econômica para uma lente é de cerca de 173 lp / mm ou um toque menos. seria capaz de resolução espacial de 285 lp / mm. Você precisaria de uma lente f / 2.4 perfeita e com limitação de difração para obter tanta resolução espacial. Tal lente exigiria correção extrema de aberração, aumentando consideravelmente o custo. Existem algumas lentes que podem atingir características quase perfeitas em aberturas ainda mais amplas (uma lente especializada da Zeiss vem à mente que é supostamente capaz de cerca de 400 lp / mm, o que exigiria uma abertura de cerca de f / 1,6-f / 1,5), no entanto, eles são raros, altamente especializados e extremamente caros. É muito mais fácil alcançar a perfeição em torno de f / 4 (se as últimas décadas de produção de lentes são alguma dica), o que indica que a resolução máxima viável e econômica para uma lente é de cerca de 173 lp / mm ou um toque menos. seria capaz de resolução espacial de 285 lp / mm. Você precisaria de uma lente f / 2.4 perfeita e com limitação de difração para obter tanta resolução espacial. Tal lente exigiria correção extrema de aberração, aumentando consideravelmente o custo. Existem algumas lentes que podem atingir características quase perfeitas em aberturas ainda mais amplas (uma lente especializada da Zeiss vem à mente que é supostamente capaz de cerca de 400 lp / mm, o que exigiria uma abertura de cerca de f / 1,6-f / 1,5), no entanto, eles são raros, altamente especializados e extremamente caros. É muito mais fácil alcançar a perfeição em torno de f / 4 (se as últimas décadas de produção de lentes são alguma dica), o que indica que a resolução máxima viável e econômica para uma lente é de cerca de 173 lp / mm ou um toque menos. 4 lentes para atingir tanta resolução espacial. Tal lente exigiria correção extrema de aberração, aumentando consideravelmente o custo. Existem algumas lentes que podem atingir características quase perfeitas em aberturas ainda mais amplas (uma lente especializada da Zeiss vem à mente que é supostamente capaz de cerca de 400 lp / mm, o que exigiria uma abertura de cerca de f / 1,6-f / 1,5), no entanto, eles são raros, altamente especializados e extremamente caros. É muito mais fácil alcançar a perfeição em torno de f / 4 (se as últimas décadas de produção de lentes são alguma dica), o que indica que a resolução máxima viável e econômica para uma lente é de cerca de 173 lp / mm ou um toque menos. 4 lentes para atingir tanta resolução espacial. Tal lente exigiria correção extrema de aberração, aumentando consideravelmente o custo. Existem algumas lentes que podem atingir características quase perfeitas em aberturas ainda mais amplas (uma lente especializada da Zeiss vem à mente que é supostamente capaz de cerca de 400 lp / mm, o que exigiria uma abertura de cerca de f / 1,6-f / 1,5), no entanto, eles são raros, altamente especializados e extremamente caros. É muito mais fácil alcançar a perfeição em torno de f / 4 (se as últimas décadas de produção de lentes são alguma dica), o que indica que a resolução máxima viável e econômica para uma lente é de cerca de 173 lp / mm ou um toque menos. Existem algumas lentes que podem atingir características quase perfeitas em aberturas ainda mais amplas (uma lente especializada da Zeiss vem à mente que é supostamente capaz de cerca de 400 lp / mm, o que exigiria uma abertura de cerca de f / 1,6-f / 1,5), no entanto, eles são raros, altamente especializados e extremamente caros. É muito mais fácil alcançar a perfeição em torno de f / 4 (se as últimas décadas de produção de lentes são alguma dica), o que indica que a resolução máxima viável e econômica para uma lente é de cerca de 173 lp / mm ou um toque menos. Existem algumas lentes que podem atingir características quase perfeitas em aberturas ainda mais amplas (uma lente especializada da Zeiss vem à mente que é supostamente capaz de cerca de 400 lp / mm, o que exigiria uma abertura de cerca de f / 1,6-f / 1,5), no entanto, eles são raros, altamente especializados e extremamente caros. É muito mais fácil alcançar a perfeição em torno de f / 4 (se as últimas décadas de produção de lentes são alguma dica), o que indica que a resolução máxima viável e econômica para uma lente é de cerca de 173 lp / mm ou um toque menos.
Quando consideramos as limitações físicas na equação de quando a corrida de megapixels terminará, descobrimos que (assumindo a perfeição tecnológica) a maior resolução econômica é de cerca de 173 lp / mm. Trata-se de um sensor full-frame de 103mp ou APS-C de 40mp. Deve-se notar que, ao elevar a resolução do sensor tão alto, apenas os benefícios serão obtidos em uma faixa de abertura cada vez mais estreita em torno de f / 4, onde o desempenho da lente é ideal. Se a correção das aberrações ópticas se tornar mais fácil, poderemos obter resoluções mais altas, pressionando 200 lp / mm, mas, novamente, essas resoluções só serão possíveis na abertura máxima ou quase na abertura máxima, onde, como em todas as outras aberturas, a resolução geral do seu a câmera será mais baixa, potencialmente muito mais baixa, do que a capacidade do próprio sensor.
Então, quando termina a corrida de megapixels?
Responder a essa pergunta não é realmente algo que eu acredito que alguém esteja qualificado para responder. Em última análise, é uma escolha pessoal e dependerá de uma variedade de fatores. Alguns fotógrafos podem sempre querer o potencial que os sensores de alta resolução podem oferecer na abertura ideal, desde que fotografem cenas com detalhes cada vez mais finos que exijam essa resolução. Outros fotógrafos podem preferir a percepção aprimorada de nitidez que é obtida melhorando as características dos sensores de resolução mais baixa. Para muitos fotógrafos, acredito que a corrida de megapixels já terminou, com cerca de 20mp em um pacote DSLR da FF é mais que suficiente. Além disso, muitos fotógrafos veem a qualidade da imagem sob uma luz totalmente diferente, preferindo a taxa de quadros e a capacidade de capturar mais quadros continuamente em uma resolução mais baixa, fundamental para o sucesso deles como fotógrafo. Nesses casos, foi indicado por muitos fãs da Nikon que cerca de 12mp é mais que suficiente, desde que eles possam capturar 10 quadros por segundo com nitidez nítida.
Tecnologicamente e fisicamente, ainda há uma quantidade enorme de espaço para crescer e continuar obtendo ganhos em termos de megapixels e resolução. Onde a corrida nos leva até você. A diversidade de opções na mesa nunca foi tão alta quanto hoje, e você pode escolher a combinação de resolução, tamanho do sensor e recursos da câmera como AF, ISO e DR que atendem às suas necessidades.
