Тема в себе содержит несколько вопросов и потому я и буду отвечать на неё по частям. А потом уже сведу всё воедино.

В предыдущей части мы перечислили некоторые отличия любительской и профессиональной камеры дабы понять, чем они отличаются в плане эргономики, технической начинки (я не все перечислил) и пригодности для работы в поле и прочих экстремальных условий.

Второй вопрос был про разрешение матрицы топовой камеры. Налицо попытка отталкиваться от мегапикселей, как средства измерения разрешения матрицы камеры и возможно связки камера+объектив.
Так что я немного расскажу про мегапиксели, резкость и способы их измерения и повышения.

Про мегапиксели

На самом деле про мегапиксели уже много всего было сказано, но перебороть рекламную кампанию ведущих производителей фотокамер отдельным «голосам в пустыне» не под силу.

Начнем не с самих камер теперь, а с того,...

Сколько же Вам мегапикселей вообще нужно?

Где вы чаще всего смотрите фотографии? На экране монитора. А какое у вас разрешение монитора?
Вот у меня, к примеру два монитора.
Один 1280×1024, а второй 1680×1050 пикселей.
Догадайтесь, какой из них основной.

Так вот первый 1.3 Мпикс, а второй 1.76 Мпикс!
Мегапиксель по маркетинговой стратегии заданной еще в своё время Kodak в первых цифровых сенсорах равняется 1 000 000 пикс, а не 1024 * 1024 как во всем остальном мире.

Когда я смотрю фото, вьюер (ух какое слово, программа просмотра фото) масштабирует картинку по ширине моего экрана. Это логично тк я хочу сразу видеть всё фото.
Таким образом я и использую для просмотра фото 1.3 Мпикс в основном. Вы чувствуете разницу с теми 22 Мпикс из которых состоит фото моей камеры?

Я просматриваю свои фото через окошечко в 17 раз меньше размера фото.
Иначе говоря, если я буду снимать только для просмотра на своём мониторе и буду нормально составлять композицию кадра (без лишних краёв), то мне хватит 2 Мпикс.

Вы уже, наверное, забыли камеры 2 Мпикс, а я на них снимал коммерческое фото. И даже печатал с них фото в глянцевом каталоге (правда, небольшие фото 3×4см, каталог товаров).

Вы сейчас наверняка скажете — а как же моя возможность кадрировать кадр в фотошопе? Во многом ваша необходимость кадрировать связана с плохим построением композиции кадра. Чем больше вас будет баловать избыточное разрешение, тем хуже вы будете снимать.
Сравнивать с упомянутыми мастерами, снимающими на 80 Мпикс цифрозадники было бы неумно тк они используют разрешение по полной программе, без избыточного кадрирования. Для плакатов во всю стену дома, фотогалерей с их фотокартинами шириной в несколько метров это разрешение очень даже нужно и даже не всегда достаточно, если не масштабировать снимок.

А какое, кстати, у таких фотокартин разрешение?

Мировой стандарт на печать — 300dpi (dots per inch = точек на дюйм). Примерно столько способен различить человеческий глаз с расстояния 25-30см.
Вот беру я свой кадр 22 Мпикс (5616 х 3744 пикселей) и выставляю ему вместо камерных 240 dpi, печатных 300 dpi.
Вместо печатного размера 60×40см мой печатный размер уменьшается до 47.55 х 31.7 см. Уже совсем и не много.
Какие тут плакаты 3 х 6 м...

Если говорить про плёнку, которую используют многие пейзажисты, то достаточно на мой взгляд будет упомянуть, что со среднеформатного слайда можно вытащить все 100 Мпикс. Причем честных, а не «раздутых», как в современных любительских камерах.

Но тут кроется еще одна хитрость.

Как влияет расстояние просмотра снимка на резкость

На самом деле это крайне важный параметр. Так уж получилось, что мы не орлы и не видим мельчайших деталей на большом расстоянии. Таким образом есть мнение, что нет смысла печатать избыточную информацию на снимке, которую всё равно с заранее известного расстояния никто не увидит.
Так, обычные снимки 10×15см смотрят вблизи, с расстояния 25-30см. Но снимки 40×60см уже смотрят с расстояния примерно 1м хотя бы по причине, что неудобно вращать головой, чтобы рассмотреть все края изображения. Да и рассматривая кусками не получить впечатления обо всем снимке.
Вот этот момент даёт возможность сильно «экономить» на разрешении.
По этой причине, например, журналы чаще всего печатают с разрешением 300dpi, а баннер 3×6м печатают с разрешением 150dpi и менее. Всё равно никто не сможет подойти ближе и рассмотреть мелкие детали.
Вот поэтому большой плакат часто проще снять на камеру с низким разрешением, нежели разворот глянцевого журнала.

Вернемся к монитору.
Процитирую брошюру Carl Zeiss :

«Если у монитора 1200 пикселей, размещенных на высоте картинки 32.4см, то у него 3.7 пикселя/мм.
Таким образом разрешение монитора 2 линии/мм .

При просмотре картинки на мониторе с расстояния 50см, максимальная разрешаюшая способность глаза 4 линии/мм . Т.е. глаз потенциально может увидеть в 2 раза больше, чем может отобразить монитор!
По этой причине изображения увеличенные на мониторе до 100% никогда не будут нам казаться абсолютно резкими.»
«How to read curves», Carl Zeiss Camera Lens Division

Чтобы резкое изображение было для нас резким и на мониторе, нужно, чтобы разрешение монитора совпадало с разрешением глаза. Иначе говоря нужно отодвинуться на в 2 раза бОльшее растояние. На расстоянии 1м до данного монитора разрешающая способность глаза и монитора совпадут и мы сможем увидеть абсолютно резкие снимки (там где они есть).

Что такое резкость и что такое достаточная резкость

Для того, чтобы определить разрешение новых объективов некоторое время назад были придуманы фотографические миры .

Качество объектива определялось в частности его разрешением, а разрешение — способностью отобразить мелкие штрихи фотографической миры. Но кто будет определять различимы штрихи или уже нет?
Вот от этого наблюдателя и зависели результаты определения разрешения.

Глаза у нас у всех разные и понятие о резком кадре, как бы это не было странно — разные. Для одного кадр резкий, а для другого нерезкий.

Были придуманы также дополнительные параметры, такие как lp/mm (Line Pairs per Millimeter, линии на мм). Это был первый этап.

Кроме того, различимость линий зависит от их контрастности. И дальнейшее развитие численной системы оценки качества объектива привело к появлению MTF (Modulation Transfer Function — Функция передачи модуляции, она же Частотно-контрастная характеристика)

Понятие резкость состоит из двух частей — разрешения и чёткости.
Если разрешение зависит от связки камера + объектив, то чёткость или контраст вполне могут быть усилены микропрограммой камеры или при использовании графического редактора.

Что изменилось на более резкой картинке? Разрешение? Нет. Повысилась чёткость вследствие применения нерезкой маски (sharpen) в Adobe Photoshop .

Это один из способов обмана покупателей цифровых фотокамер. Нежели увеличивать размер матрицы или ставить более дорогие объективы на камеру, проще ввести некоторый шарпинг (sharping) и у пользователя создастся впечатление, что новая камера выдаёт более резкий снимок.

Но попутно мы приходим к тому, что в большинстве ситуаций нам не нужно так много мегапикселей. Если мы печатаем большие форматы, то вполне можем повысить четкость изображения программным методом и снизить общее разрешение ввиду того, что большой формат люди обычно не смотрят вблизи.

Третий вопрос.

Почему топовая камера имеет меньше мегапикселей, чем любительская, более дешевая

Тут кроется подвох. А почему вы считаете, что дорого стоить должны именно мегапиксели?
«Нарисовать» мегапикселей с помощью интерполяции можно сколько угодно. Вы сами можете проделать эту операцию в фотошопе, увеличив картинку (resize). Но это часть правды. А вторая часть, что пикселей на новых матрицах действительно больше.

С одной стороны это плюс так как разрешение матрицы и соответственно количество мелких деталей на мм, которое она может разрешить — увеличивается.

А с другой стороны:

1) Сильно возрастают требования к оптике.
Ведь если матрица разрешает больше, то и оптика должна разрешать больше. Потому получается ситуация с точностью до наоборот — любительским камерам с кроп-фактором высококачественные объективы куда нужнее. Иначе разрешение упрётся в оптику дешевого объектива.
Повторю: выигрыш от мегапикселей любительских камер мы получим только на качественных объективах.
Иначе все мелкие пиксели будут «замылены» оптикой.

2) Маленькие пиксели означают, что всё больше уходит на «обвязку» пикселей и всё сложнее отделить полезный сигнал от шума . Разрешение возрастает, но с ним возрастают и шумы матрицы.

Для простоты представьте себе сетку к которой мало крупных ячеек и очень много мелких.

Для наглядности (а то кто еще спорить будет...) прилагаю картинку — иллюстрацию.

Слева маленький размер матрицы и большое количество мегапикселей. Справа: Такой же размер матрицы и мало мегапикселей

В данном случае камеры с одинаковым размером матрицы. Одинаковой толщиной стенок между пикселями (Их невозможно поставить совсем без стенок. Есть в этом направлении наработки — использование фокусирующих микролинз, но всё равно даже в теории это пока невозможно).

«Стенки» у всех типов матриц минимальные какие только можно сделать, т.е. одинаковые.
Получается, что по площади «стенок» гораздо больше у камеры с бОльшим числом мегапикселей . А значит и свет попадающий на матрицу в районе этих «стенок» безвозвратно теряется. Это не значит, как думают многие (не головой), что большой светочувствительный элемент более светосильный.

«Пиксель большего размера имеет большую чувствительность к свету, чем маленький пиксель, так как может накопить больший электрический заряд.»

Это не так. Т.е. он получает больше фотонов и таким образом определяет уровень сигнала точнее при высокой освещенности! (большой и ёмкий фотоэлемент) Но сам уровень сигнала точно такой же, как на маленьком элементе. Т.е. переставляю один и тот же объектив с кропнутой камеры на полнокадровую вы само собой не получите никакого выигрыша по . Тут количество света попадающего на матрицу будет определяться только светосилой объектива, диафрагмой и выдержкой.

слева маленький размер матрицы и большое количество мегапикселей. Справа: большая матрица и мало мегапикселей

На этой картинке видно, что опять площади «стенок» больше на маленькой матрице с большим количеством мегапикселей.
В идеале должно быть некое правильное соотношение между размером матрицы и количеством мегапикселей на ней.

В теории, если удастся полностью убрать стенки (а над этим активно работают), и улучшить параметры пикселей (работают, но неактивно), то мелкие пиксели должны быть наоборот большим преимуществом.
На данный же момент мелкий пиксель вынужен работать с гораздо меньшим количеством фотонов, т.е. он просто вынужден быть гораздо более чувствительным. А для того, чтобы его сделать намного лучше большого пикселя, нужно вложить в него больше денег, как и во всё сверхминиатюрное. Вот опять всё крутится вокруг прибыли. Вкладывать много денег в разработку и установку очень чувствительных пикселей ведёт к значительному снижению прибыли. Потому над этим работают, но, видимо, не очень активно.

Результат — маленькие пиксели определяют количество попавших на них фотонов менее точно и потому сильнее шумят. Т.е. у них хуже SNR (соотношение полезный сигнал/шум).
Всё усугубляется большим количеством стенок, где фотоны просто теряются вместе с той информацией, которую они несли. В этих местах информацию приходится придумывать/интерполировать из соседних пикселей.

Я не знаю, обратили ли вы внимание на то, что при увеличении количества мегапикселей размер кадра растёт весьма несущественно. Дело в том, что мегапиксель это параметр площади матрицы и соответственно связан с линейными размерами матрицы через ширина * высоту. Т.е. кадр по длинной стороне с приростом мегапикселей растёт весьма неохотно, а этот параметр существенно влияет на разрешение по высоте и соответственно на размер снимка, который вы можете напечатать без потери деталей.

Здесь видно, что при 10 Мпикс камеры мы имели в районе 4000 пикс по длинной стороне кадра, а при 21 Мпикс это значение в районе 5600 пикс.

И если 5600 пикс на 21 Мпикс камере нам давало отпечаток 47×31см (300dpi), то на 10 Мпикс камере мы получим отпечаток 34×22.5см. Т.е. двукратное увеличение мегапикселей дало нам увеличение кадра по длинной стороне на 38% или 13см. Не так уж и много! Я уверен, что вас не впечатлит увеличение размера снимка, но впечатлит разница в цене между 10 Мпикс камерой и 21 Мпикс камерой.

Вывод : для существенного увеличения размера снимка количество мегапикселей должно увеличиться в 4 раза!
Это даст увеличение снимка в 2 раза.
А теперь подумаем, стоит ли расстраиваться владельцам топовой камеры Canon 1D X из-за того, что в ней 18 Мпикс, а в любительской Canon 5D mark III — 21 Мпикс.
44×30см отпечаток при 300dpi против 47×31см. 3 сантиметра больше по ширине и 1см по высоте...Уверен, вы не заметите разницы.

DLA и дифракционный лимит

Мне иногда кажется, что все про это знают. Но статью будут читать и начинающие фотографы и фотографы, которые снимали на плёнку, когда этот момент был не столь важен. Так что для полноты статьи напишу.

Итак, у нас есть оптическая система, называемая объектив. В ней наличествует , при прохождении которой в объективе возникает световых волн.

Зеленой линией помечено распределение интенсивности света.

Это явление накладывает на нас два ограничения.

1. Каждая точка объекта съемки на матрице камеры создаёт такой рисунок. Если два диска Эйри будут расположены слишком близко друг к другу, то 2 точки будут восприниматься, как одна.

По формуле видно, что при увеличении значения диафрагмы, растёт радиус диска Эйри.
И происходит сливание дисков Эйри в один объект. Т.е. точка перестает быть точкой на изображении. Это явление дифракции, которое и снижает разрешение объектива при достижении определенной диафрагмы. Оно назвается (Diffraction Limited Aperture).
Оно существует для каждого оптического прибора, но если результат мы проецируем на некий носитель (пленку или матрицу или глаз), то накладывается еще одно ограничение.
Критерий Релея : предел при котором два диска считаются еще разделимы визуально — радиус диска Эйри. Если расстояние между их центрами меньше радиуса, то разрешение объектива падает.

И в принципе это явление не имеет отношения к матрице камеры. Совсем не имеет, пока мы не начали разделять получившуюся картинку на цифровые пиксели.

И вот если мы начали оцифровывать сигнал с помощью пикселей, то получаем такие правила.

Если пиксель больше диска Эйри , то значит сенсор не способен использовать всё разрешение, которое предоставляет ему объектив и считается, что система ограничена разрешением.

Если пиксель меньше диска Эйри , то дополнительного разрешения мы не получаем, а вот система становится ограниченной явлением дифракции, которая возникает в объективе.

Размер диска Эйри существенно уменьшается при открытии диафрагмы, но там вступают в силу (), которые тоже существенно снижают разрешение объектива.

Пример

При длине волны 555nm (жёлто-зеленый свет к которому глаз наиболее чувствителен и который лучше всего воспринимает камера) и диафрагме F11 диаметр диска Эйри составит 14.8 микрон.
При этом размер пикселя у Canon 5D mark II составляет 36мм / 5616пикс * 1000 = 6.4 микрона

Но! Для того, чтобы различить хоть какие-то детали нам нужен не один пиксель, а, как минимум, два пикселя.
Скажем, для того, чтобы увидеть черную полоску, нам нужна одна черная и одна белая.
Один пиксель показывает черный цвет, другой белый — мы можем установить, что видим переход с черного на белый.
Это называется .

Как видите, даже потенциальное разрешение камеры с меньшим сенсором гораздо ниже.

Теоретически, на 35мм сенсоре можно «выжать» около 16 мегапикселей на F11 (что и делает Nikon D4 — слава ему за честность!), а на кропе 1.6х остается только 6 мпикс!
Разница огромная, если вы визуально помните отличие 6 Мпикс от 16 Мпикс.

После частоты Найквиста мы теряем даже теоретическую (реальную теряем немного раньше) возможность иметь попиксельную резкость.

Для наглядности еще раз.

Закрывая диафрагму до F11 мы получаем:

Canon 7D 19 Mpix -> 6 Mpix
Nikon D800 36 Mpix -> 16 Mpix
Nikon D4 16 Mpix -> 16 Mpix
Canon 5D mark II 21 Mpix ->16 Mpix
Canon 1D X 18 Mpix -> 16 Mpix
PhaseOne P65+ 60 Mpix -> 39 Mpix

Камера Canon 60D (сенсор APS-C), объектив Canon 100/2.8L

Сделать с этим ничего нельзя тк это закон природы и зависит он только от диаметра дырки-диафрагмы и длины волны света. Можете попробовать снимать в ультрафиолете (шутка:))

Для чего я тут всё расписывал и вас утомлял теорией?
Ради графика по которому вы видите потенциал камер с большим и маленьким сенсором.
Т.е. сколько бы пикселей не было на матрице — разрешение будет падать всё с более открытой диафрагмы.
На данный момент нельзя добавлять мегапиксели без потери попиксельной резкости на закрытых диафрагмах, ухудшения соотношения сигнал/шум (SNR ) и уменьшения динамического диапазона (ДД).

Это теория. Но есть и сухая практика.
Оптимальная диафрагма на которой изображение будет максимально возможно резким может быть вычислена софтом типа Reikan Focal .

Крупнейший международный конкурс астрофотографов, на котором ежегодно представляются феноменальные кадры ночного неба и Вселенной. Снимки захватывают фантастическими видами звездного неба, далеких галактик, загадочных туманностей и красочных пейзажей.

Конкурс был учрежден десять лет назад Гринвичской королевской обсерваторией и до сих пор остается крупнейшим событием в астрофотографии.

1. Северное сияние на Баренцевом море. (Фото Michael Zav’yalov):

2. Сияние Земли. Затмение. (Фото Peter Ward):

3. Туманность Южной Короны – яркая отражающая туманность в 420 световых годах. Была создана несколькими яркими звездами, запертыми в темном пылевом облаке. Это участок звездообразования, где размещаются скопления молодых звезд. Вмещает в себя 3 туманных региона: NGC 6726, NGC 6727 и NGC 6729. Здесь видны первые две. (Фото Mark Hanson, Warren Keller, Steve Mazlin, Rex Parker, Tommy Tse, David Plesko, Pete Proulx):

4. Ригель и отражательная туманность Голова ведьмы IC 2118 в созвездии Южная Корона. (Фото Mario Cog):

5. Поверхность Луны. (Фото Nicolas Lefaudeux):

6. Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли - авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца. (Фото Mikkel Beiter):

7. Млечный путь и Доломитовые Альпы. (Фото Carlos F Turienzo):

8. Млечный Путь над самыми древними деревьями в Калифорнии. Эти деревья могут жить более 4000 лет. (Фото Jez Hughes):

9. Туманность Ориона . Это самая яркая диффузная туманность, она находится на расстоянии около 1344 световых лет от Земли и имеет 33 световых года в поперечнике. (Фото Miguel Angel García Borrella and Lluis Romero Ventura):

10. А Земля-то вращается! Так выглядят звезды на длинной выдержке. Это звёздные треки. (Фото Jake Mosher):

11. Путешествие в бесконечность. (Фото Jingpeng Liu):

12. Скрытая Галактика IC 342 - одна из крупнейших галактик, видимых из Северного полушария. Несмотря на то, что она невероятно яркая, для ее наблюдения астрономы должны смотреть через большое количество материала. В результате IC 342, которую относительно сложно охарактеризовать и изобразить, получила интригующее прозвище: «Скрытая галактика». (Фото Tom O’Donoghue):

13. Международная космическая станция на солнечном диске с солнечными пятнами. (Фото Dani Caxete):

14. Галактика Млечный путь в Новой Зеландии. (Фото Mark Gee):

15. Буйство красок и звездное небо вблизи Крайстчерча, Новая Зеландия. (Фото Paul Wilson):