Základy optiky: Jak srovnávat různé objektivy a snímače

Fotografové často řeší čísla – clonu, ohnisko, ISO a další – ale většina z nich netuší, co se děje v pozadí snímků. Selským rozumem si vyjasníme klíčové, ale velmi často zmatené, vztahy mezi různými senzory, objektivy a výslednými snímky.

Následující text je přímočařejší alternativou ke staršímu článku Klamou nás výrobci objektivů?, kde je vše sepsáno velmi technicky se srovnávacími fotografiemi pro ilustraci. Za tři roky od sepsání předchozího článku jsem se do problematiky dostal hlouběji a nyní můžu téma lépe vysvětlit. Nejprve si ale popíšeme základní fungování světla.

Světlo se odráží od objektů

Zapomeňte na ohniska, světelnost nebo rozlišení a představte si, že fotíte čistou bílou zeď. Na scénu dopadá světlo z okolí a každý bod na zdi odráží příchozí světlo rovnoměrně do všech směrů. Každý směr tak dostane svůj malý díl světelné energie.

Jak srovnávat různé objektivy a snímače - odraz světla od zdi

Odraz světla od zdi. Dopadající fotony se odráží do všech směrů.

Objektiv je jednoduché zařízení, které je schopné zachytit část těchto paprsků a soustředit je na senzor. Velikost senzoru v tomto procesu nehraje žádnou roli. Jestli je za objektivem větší nebo menší senzor je relativní drobnost, která se vyřeší jiným zaostřením. Koneckonců i náš experiment s camerou obscurou ukázal, že i malinký objektiv (díra ve folii) umí promítnout světlo na obrovský senzor (zdi místnosti).

Jak srovnávat různé objektivy a snímače - různé senzory

Na velikosti senzoru nezáleží. Za fyzicky stejně velkým objektivem může být malý nebo velký senzor.

Lepší objektiv pochytá i vzdálenější paprsky, které také dokáže soustředit na senzor. Samozřejmě tím musí být čočky uvnitř objektivu větší a těžší.

Jak srovnávat různé objektivy a snímače - větší objektiv

Větší objektiv pochytá více světla.

Objektiv ale nefotí jen jediný nekonečně malý bod a ještě nekonečně krátkou chvíli.

Fotí větší plochu a expozice zabere určitý čas, takže celkově na senzor dopadne určitý počet fotonů, který si můžeme jednoduše představit jako:

[nafocená plocha scény] x [zachycené fotony z jednoho bodu scény] x [čas]

(omlouvám se za vzoreček, dál už bude vše jen jednodušší).

Jak srovnávat různé objektivy a snímače - světlo z více bodů

Objektiv zachytává světlo ze všech bodů v záběru.

Teď si představte, že změníte úhel záběru a chcete vyfotit mnohem menší část zdi. Zdánlivě něco nevychází. Nafocená plocha je menší a měli bychom tedy dostat tmavší obraz.

To by se skutečně stalo, jenže v praxi se děje ještě něco dalšího. Objektiv při přiblížení zároveň použije větší otvor, kterým zachytává světlo. Snímá tak sice menší plochu, ale zároveň od každého bodu na ní zachytí více paprsků. Tohle se děje „za vašimi zády“, objektiv si to řeší automaticky. Můžete se podívat na libovolný zoomový objektiv zepředu a měnit ohnisko – uvidíte zvětšující a zmenšující se otvor.

Jak srovnávat různé objektivy a snímače - různý zoom

Široký objektiv po „přizoomování“ blíž nemá stejný otvor, ale dojde automaticky k jeho zvětšení.

Problém parametrů objektivů

Problém při srovnání různých fotografických systémů je v tom, že se jednoduše nedozvíme velikosti otvoru v objektivu. Ona čísla, která se o objektivech dozvídáme jsou jen abstrakce, definovaná na základě velikosti senzoru. Například ohnisko není fyzický rozměr nějaké čočky, ale virtuální číslo nastavené tak, aby úhel záběru z reality odpovídal nákresu v následujícím obrázku.

Jak srovnávat různé objektivy a snímače - ohnisko

Ohnisko f je jen virtuální číslo, aby vyšel správný úhel záběru v tomto obrázku. Ohnisko přímo závisí na velikosti senzoru s, bez ní nedává smysl.

Podobně je to s ostatními parametry. Ve výsledku dostaneme následující řadu, kde každý pojem je definovaný na základě předchozího.

Velikost senzoru ← ohnisko ← světelnost/clona ← ISO.

Velikost senzoru je jediné pevně zadané číslo, vše ostatní je definováno relativně k němu.

Ohnisko je určené podle nákresu výše.

Číslo světelnosti nám říká, jak musíme vydělit ohnisko, aby vyšel otvor, kterým proudí světlo. Odtud také běžný zápis např. f/4, který je vlastně přímo hotovou matematickou formulí.

ISO citlivost je definována v závislosti na konkrétním čísle světelnosti (a dalších faktorech). Jeho hodnota tedy mimo jiné přímo závisí na velikosti senzoru. ISO 100 představuje něco jiného u Micro Four Thirds (crop 2x) než ISO 100 u Full Frame (crop 1x), první ISO je čtyřikrát citlivější.

Jak porovnat objektivy

Pokud chceme objektivy porovnat, je třeba to matematicky propočítat. Nestačí tak jen srovnat čísla, která uvádí výrobce.

Nejčastěji se používá přepočet na velikost senzoru Full Frame, neboli plný formát (například Nikon fotoaparáty typu FX, Canon řada 5D apod.). Ostatní systémy mají takzvaný Crop faktor (Nikon uvádí jako DX, u Canonu jsou to modely 800D apod.) , který znamená, že je daný senzor fotoaparátu menší než Full Frame. Crop 2x znamení 2x menší úhlopříčku než Full Frame, tedy čtyřikrát menší plochu senzoru.

Už jsme si řekli, že všechna čísla byla uměle definována na velikosti senzoru, je nutné proto přepočítat nejen ohnisko, ale i světelnost/clonu a případně také ISO. Dané číslo tedy musíte vynásobit Crop faktorem. Hodnota ISO se vždy násobí Crop faktorem na druhou. Ve výsledku tak dostanete například ohniskovou vzdálenost v přepočtu na full frame.

Pár ukázek přepočtů

Pokud chcete udělat identickou fotografii na systémech s různými senzory, tak díky tomuto zmatku u každého systému použijete číselně odlišné ohnisko, clonu i ISO.

Identickou fotografií myslí stejný úhel záběru, stejná hloubka ostrosti a také stejný šum. Záběr bude prakticky nerozlišitelný. Podmínkou je, že nedošlo k přepalu a že jsme použili senzory se zhruba stejným stupněm technologického pokroku a ne jeden z nich například 10 let starý a tedy výrazně horší.

Pro ilustraci dám několik příkladů, které jsou si rovny. Všimněte si, že u každého příkladu byl použitý stejný čas expozice, což je jediné absolutní číslo, tj. není relativní k velikosti senzoru.

Příklad 1:
Full frame (crop 1x): Ohnisko 100 mm, clona f/4, ISO 400, čas 1/100 s
Micro Four Thirds (crop 2x): Ohnisko 50 mm, clona f/2, ISO 100, čas 1/100 s

Příklad 2:
Full frame (crop 1x): Ohnisko 75 mm, clona f/2.1,  ISO 225, čas 1/50 s
APS-C (crop 1.5x): Ohnisko 50 mm, clona f/1.4, ISO 100, čas 1/50 s

Příklad 3:
Full frame (crop 1x): 26 mm, f/9, ISO 1800, čas 1/1000 s
Mobil (crop 6x): 4.3 mm, f/1.5, ISO 50, čas 1/1000 s

Častý problém ve specifikacích a v recenzích

Výrobci i recenzenti rádi uvedou světelnost objektivu pro originální velikost senzoru, například f/2, což v překladu znamená: Vezměte ohnisko f v milimetrech a vydělte jej číslem 2, takže dostanete přesnou velikost otvoru, kterým objektiv „nasává fotony“.

Jenže původní ohnisko f už se nedozvíte. Místo toho (možná) zjistíte ohnisko přepočítané na Full Frame. Nové ohnisko ale nemůžete opět vydělit dvěma, to by znamenalo, že díra uprostřed objektivu je najednou větší. Původní světelnost je nám tak k ničemu. Musela by být také přepočítaná, ale na to se „zapomnělo“.

V čem je ještě větší problém

Průšvih popsaný výše tu byl vždy, ale s příchodem mobilů s více ohnisky se vše ještě zkomplikovalo. Každé ohnisko má samostatný senzor rozdílné velikosti.

Dochází tak k podivné situaci, kdy nejen, že se špatně porovnávají parametry mobilu vůči jiným fotoaparátům, ale dokonce je velmi těžké srovnat jednotlivé malé fotoaparátky uvnitř jediného mobilu vůči sobě navzájem.

Je běžné, že v jedné recenzi se dozvíte, že daný mobil má například tři fotoaparáty se světelnostmi f/1.5, f/1.9 a f/2.4, jenže tato čísla nejsou snadno srovnatelná. Potřebujete znát další parametry a mít po ruce databázi crop factorů a kalkulačku, jinak jsou naprosto k ničemu.

Záleží vůbec na samotné velikosti senzoru?

Doteď se zdálo, že velikost senzoru je důležitá jen pro další odvozená čísla, ale přece jen je mezi malými a velkými senzory v praxi jistý rozdíl.

Lepší výkon full frame přístrojů je způsoben jen mnohem větším objektivem, který je schopný zachytit z jediného bodu scény spoustu fotonů. Velký senzor je paradoxně lepší pouze v situaci, když je světla hodně.

Současná technologie senzorů je omezená v tom, že senzor na sebe nechá během expozice proudit fotony a skladuje je. Až po skončení expozice se spočítá, kolik fotonů v různých oblastech zachytil.

Senzory mají pro fotony omezenou kapacitu a v současné době platí, že čím větší plocha senzoru, tím větší kapacitu má. Jakmile ji ale překročíme, další fotony už se nezapočítají a v daném místě vzniká bílá oblast, takzvaný přepal.

prepal

Typický přepal – obloha byla na snímač příliš světlá, takže se slila v jednolitou bílou plochu.

Znamená to, že velký senzor je k velkému množství světla tolerantnější a k přepalům dochází až po delší době expozice. Naproti tomu u menšího senzoru musíme s expozicí skončit mnohem dříve (může to být například rozdíl 1/100 sekundy proti 1/1000 sekundy).

Průlom začíná u mobilů

Mobilní technologie dokáží vyfotit mnoho snímků velmi rychle za sebou a pak nasbíraná data sečíst nebo zprůměrovat. Díky tomu jsou schopny bez přepalů nasbírat spoustu dat a mnohonásobně zvýšit kvalitu snímků. Tento přístup složení více fotografií má oproti jedné dlouhé expozici výhodu. Například při pohybu fotoaparátu můžete později snímky zarovnat a případně vyřadit ty, které jsou příliš rozmazané.

Pro příklad tu mám snímek, který jsem vytvořil ručně s telefonem LG G4. Jeden velmi tmavý snímek jsem nafotil padesátkrát a vše na počítači zprůměroval. Šum se drasticky snížil a dynamický rozsah ohromně vzrostl, což je právě důsledek toho, že zařízení pracovalo s mnohem větším množstvím světla.

Jak srovnávat různé objektivy a snímače - mobil 1vs50

Vše jsou výřezy, zleva: Původní tmavý snímek (expozice 1/80 s), stejný snímek zesvětlený a nakonec zprůměrování padesáti takových snímků (1/80 s krát 50, tj. celková expozice je přes 1/2 sekundy).

Zdá se, že tyto postupy se pravděpodobně dostávají už i do vyšších tříd aparátů v podání Olympus E-M1X a jeho funkce Live ND. Tento přístroj je ve chvíli psaní článku horká novinka a podrobnější informace a testy ještě nemáme k dispozici. Můžete je sledovat se mnou.

Důsledky

Můj osobní názor je, že se blížíme stavu, kdy přepaly prakticky přestanou existovat. Aparáty totiž začnou fotit spousty snímků s velmi krátkou expozicí tak, že mezi nimi nebude žádná prodleva. Odhaduji, že se k tomuto bodu dostaneme už za pět let.

V důsledku toho bude potenciální dynamický rozsah téměř nekonečný. Chcete obrovský dynamický rozsah? Stačí prodloužit čas, nasát dost fotonů a exponovat i ve slunečné poledne klidně minutu namísto 1/1000 s.

Velké senzory začnou postrádat význam, objektivy ale budou stále zčásti rozhodovat (některé efekty, jako je hloubka ostrosti, lze už ale dopočítat na procesoru).

Budeme si tedy muset zvykat, že systémy s malým senzorem už nebudou tolik zaostávat za velkými fotoaparáty, i když zde stále budou rozdíly. Největší je asi v tom, že velký objektiv dokáže zachytit obraz v krátké době, zatímco při akční scéně v šeru mobily nestihnou nasbírat dostatek světla než se někdo/něco pohne.

Typickým příkladem jsou halové sporty, ale i akční snímky kamarádů v hospodě. Tohle se bude chytrým telefonům těžko překonávat. Jenže kdo ví, jaká překvapení nám jejich výrobci v budoucnu připraví.

Poslední aktualizace 19. března 2019

8 0
Děkujeme! Nasdílejte prosím článek dál, ať se o něm dozví další lidé.

Autor: Vít Kovalčík

Od začátku roku 2012 jsem na volné noze a živím se fotografií. Zkušenosti s focením v ateliéru i jinde jsem sbíral v předchozích letech, kdy jsem přes den pracoval a fotil po večerech a o víkendech. Nemám jedno vyhraněné téma – rád fotím lidi, ale také krajiny a města. Jestliže vás moje snímky zaujaly, nebojte se navštívit mé webové stránky.

Číst všechny články.

Komentáře