Jenseits von Megapixeln: Was wirklich die Auflösung des Kameraobjektivs bestimmt

Es gibt eine Spezifikation, die auf fast jedem Datenblatt moderner Kameras erscheint:

Megapixel.

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

Die Zahl ist leicht zu verstehen, leicht zu vergleichen und sehr einfach zu vermarkten.

Aber wenn man genug Zeit in die Entwicklung von Kamerasystemen investiert hat, stößt man irgendwann auf eine unangenehme Frage:

Kann das Objektiv tatsächlich sein?Können Sie herausfinden, was der Sensor erfassen kann?

Hier wird es interessanter.

Ein 8-MP-Sensor liefert nicht automatisch ein Bild in 8-MP-Qualität. Der Sensor bietet die Möglichkeit zur Abtastung, aber das Objektiv muss genügend optische Details liefern, damit diese Pixel nützlich sind.

Mit anderen Worten: Eine Kamera ist keine Konkurrenz zwischen Sensor-Megapixeln.

Es ist ein System.

Und das Objektiv ist einer der wichtigsten Teile dieses Systems.

Sensorauflösung vs. optische Auflösung

Beginnen wir mit einer einfachen Unterscheidung.

Sensorauflösungbeschreibt, wie viele Pixel der Sensor hat.

Optische Auflösungbeschreibt, wie viele räumliche Details das Objektiv tatsächlich wiedergeben kann.

Diese beiden Spezifikationen hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe.

Stellen Sie sich vor, Sie fotografieren ein entferntes Nummernschild.

Ein 8MP-Sensor verfügt möglicherweise über genügend Pixel, um die Platte aufzuzeichnen. Wenn das Objektiv jedoch ein kontrastarmes, verschwommenes Bild erzeugt, können diese Pixel die Zeichen nicht auf magische Weise rekonstruieren.

Möglicherweise erhalten Sie am Ende mehr Pixel, die die Unschärfe beschreiben.

Das ist nicht dasselbe wie mehr Details.

Aus diesem Grund kann es zu enttäuschenden Ergebnissen führen, wenn man einfach einen hochauflösenden Sensor hinter ein altes oder schlecht abgestimmtes Objektiv setzt.

Der Sensor könnte neu sein.

Das Bild ist möglicherweise nicht vorhanden.

Die Pixelgröße verändert die optische Herausforderung

Ein weiterer Faktor, den Ingenieure zunehmend berücksichtigen müssen, ist die Pixelgröße.

Mit der Weiterentwicklung der Sensortechnologie können Hersteller mehr Pixel auf derselben physischen Fläche unterbringen.

Das klingt nach einer offensichtlichen Verbesserung.

Aber es gibt einen Kompromiss.

Kleinere Pixel bedeuten, dass das optische System möglicherweise feinere Details reproduzieren muss, um die Vorteile des Sensors voll auszunutzen.

Beispielsweise stellt eine Kamera mit einem relativ großen Pixelabstand möglicherweise weniger Anforderungen an das Objektiv als ein Sensor mit extrem kleinen Pixeln und einer viel höheren Pixeldichte.

Dies wirft bei der Kameraentwicklung eine wichtige Frage auf:

Ist die Auflösung des Objektivs hoch genug für den Pixelabstand des Sensors?

Ein Objektiv, das mit einem älteren Sensor perfekt funktioniert, liefert möglicherweise nicht automatisch die gleiche praktische Leistung, wenn es mit einem neueren, dichteren Sensor gekoppelt wird.

Dies ist einer der Gründe, warum die Objektivauswahl zusammen mit der Sensorauswahl erfolgen sollte und das Objektiv nicht erst im Nachhinein berücksichtigt werden sollte.

Warum MTF wichtiger ist als ein Megapixel-Label

Wenn Sie die tatsächliche optische Auflösung verstehen möchten, müssen Sie schließlich darüber sprechenMTF – Modulationsübertragungsfunktion.

Die Terminologie klingt einschüchternd.

Die Grundidee ist es nicht.

MTF beschreibt, wie gut ein optisches System den Kontrast auf verschiedenen Detailebenen bewahrt.

Denken Sie darüber nach, eine Reihe immer feiner werdender Schwarz-Weiß-Linien zu fotografieren.

Bei großen, gut erkennbaren Mustern kann fast jedes gute Objektiv sie reproduzieren.

Je feiner die Linien werden, desto mehr verliert das Objektiv an Kontrast.

Ein starkes optisches System sorgt für einen nützlichen Kontrast bis in den feinen Detailbereich hinein.

Das ist es, was MTF Ingenieuren bei der Bewertung hilft.

Aus diesem Grund sollte eine seriöse Objektivspezifikation nicht bei Folgendem enden:

“Unterstützt 8MP.“

Eine bessere Bewertung fragt:

Wie hoch ist die MTF-Leistung?

Bei welchen Ortsfrequenzen?

Wie funktioniert es im Zentrum?

Was passiert am Rand?

Bleibt die Leistung bei der vorgesehenen Blende stabil?

Diese Fragen verraten Ihnen viel mehr über das eigentliche optische System.

Die Center-Auflösung ist nicht die ganze Geschichte

Eine der einfachsten Möglichkeiten, einem Objektiv ein beeindruckendes Aussehen zu verleihen, besteht darin, ein sehr scharfes Bild in der Mitte zu zeigen.

Das Problem ist, dass Kameras nicht nur die Mitte fotografieren.

Weitwinkel-Sicherheitskameras, Autokameras, Drohnenkameras und Robotersysteme sind oft stark auf periphere Bildinformationen angewiesen.

Ein Objektiv kann zwar eine hervorragende Bildschärfe in der Mitte liefern, an den Rändern jedoch eine deutlich schwächere Leistung erzielen.

Dies kann Auswirkungen haben auf:

Objekterkennung

Gesichtserkennung

Fahrzeugerkennung

Szenenverständnis

Machine-Vision-Inspektion

Beispielsweise kann eine Überwachungskamera, die einen Parkplatz überwacht, erkennen, dass ein Fahrzeug in der Nähe des Bildrandes einfährt.

Wenn die Mitte fantastisch aussieht, die Ränder aber weich sind, ist die beeindruckende Auflösungsspezifikation der Kamera nicht die ganze Geschichte.

Für Ingenieure ist die nützlichere Frage:

Wie gleichmäßig verhält sich das Objektiv im gesamten Bild?

Aberrationen stehlen leise Details

Optische Aberrationen sind ein weiterer Grund dafür, dass eine Kamera mit hoher Megapixelzahl möglicherweise nicht die erwartete Bildqualität liefert.

Zu den häufigsten Problemen gehören:

Sphärische Aberration

Chromatische Aberration

Koma

Astigmatismus

Feldkrümmung

Man muss nicht unbedingt Optikdesigner sein, um das Ergebnis zu verstehen.

Die praktische Konsequenz ist einfach:

Details werden ungenauer.

Kanten können an Kontrast verlieren. Feine Strukturen können farbig oder verschmiert erscheinen. Ecken können weicher werden.

Modernes optisches Design umfasst daher weit mehr als die Wahl von Brennweite und Blende.

Das optische System muss mehrere Faktoren gleichzeitig ausgleichen.

Verzerrung ist auch ein Problem mit der Bildqualität

Verzerrungen werden manchmal als rein visuelles Problem behandelt.

Das ist nicht immer der Fall.

Bei einem Gelegenheitsfoto können geschwungene gerade Linien einfach unattraktiv aussehen.

Bei maschinellen Bildverarbeitungs- oder KI-Anwendungen kann die Geometrie von Bedeutung sein.

Ein Weitwinkelobjektiv mit erheblicher Verzerrung kann dazu führen, dass Objekte in Randnähe stark von ihrer tatsächlichen Form und Position abweichen.

Dies bedeutet nicht, dass jede Anwendung eine extrem niedrige Verzerrung benötigt.

Eine Überwachungskamera kann im Gegenzug für ein viel größeres Sichtfeld durchaus eine gewisse Verzerrung in Kauf nehmen.

Bei einem industriellen Messsystem ist dies möglicherweise nicht der Fall.

Auch hier geht es in der optischen Technik um Kompromisse.

Das „beste“ Objektiv hängt davon ab, was die Kamera leisten soll.

Warum „8MP-Objektiv“ eine unvollständige Beschreibung ist

Das ist vielleicht der wichtigste Punkt.

Der Satz „8MP-Objektiv„ ist für das Marketing nützlich, aber technisch unvollständig.

Die Auflösung wird durch die Beziehung zwischen Folgendem beeinflusst:

Objektiv

Sensor

Pixelgröße

Blende

Bildkreis

CRA

Bildverarbeitung

Lichtverhältnisse

Eine Linse existiert nicht isoliert.

Ein bestimmtes Objektiv funktioniert möglicherweise mit einem Sensor sehr gut und mit einem anderen weniger effektiv, weil sich die optischen Anforderungen geändert haben.

Aus diesem Grund fragen erfahrene Kameraingenieure vor der Freigabe eines Objektivs in der Regel nach dem Sensormodell und den optischen Anforderungen.

Ein Lieferant, der sofort sagt „Ja, dieses Objektiv unterstützt 8 MP“, ohne etwas anderes zu fragen, beantwortet möglicherweise eher die Verkaufsfrage als die technische Frage.

Wie sollten Ingenieure ein hochauflösendes Objektiv bewerten?

Anstatt mit Megapixeln zu beginnen, empfehle ich, mit der Anwendung zu beginnen.

Fragen:

1. Welcher Sensorwird verwendet?

Sensorformat und Pixelgröße legen die optischen Anforderungen fest.

2. Welches Sichtfeld ist erforderlich?

Ein Weitwinkelobjektiv bringt andere Herausforderungen mit sich als ein Schmalwinkelobjektiv.

3. Welcher Detaillierungsgrad ist eigentlich wichtig?

Eine Überwachungskamera, die eine Person aus mehreren Metern Entfernung identifiziert, stellt andere Anforderungen als eine Bildverarbeitungskamera, die ein winziges Bauteil inspiziert.

4. Wie wichtig ist die Kantenleistung?

Für viele Weitwinkelsysteme ist dies von entscheidender Bedeutung.

5. Was passiert bei der vorgesehenen Blende?

Bei weit geöffnetem Objektiv kann die Leistung eines Objektivs anders sein als bei abgeblendetem Objektiv.

6. Was zeigen die MTF-Daten?

Dies liefert viel nützlichere Informationen als ein Megapixel-Label allein.

Die wahre Bedeutung von „hoher Auflösung“

Ein hochauflösendes Objektiv ist nicht einfach ein Objektiv, auf dem eine hohe Nummer aufgedruckt ist.

Es handelt sich um ein optisches System, das unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen feine Details mit ausreichendem Kontrast über das erforderliche Bildfeld wiedergeben kann.

Das ist ein viel schwierigeres technisches Problem.

Und ehrlich gesagt, das ist der Grund, warum zwei Objektive mit scheinbar ähnlichen Spezifikationen sehr unterschiedliche Preise haben können.

Sie zahlen nicht einfach für mehr Glas.

Sie zahlen für optisches Design, Toleranzen, Materialien, Fertigungsgenauigkeit, Beschichtung, Montage und Prüfung.

Bei Boshi Optics werden optische Lösungen für Anwendungen entwickelt, die von Sicherheitsüberwachung und Automobilbildgebung bis hin zu medizinischer Bildgebung, intelligenten Geräten und anderen Kamerasystemen reichen. Das Produktportfolio des Unternehmens umfasst Objektive mit unterschiedlichen Sensorformaten, Auflösungen, Sichtfeldern, Blendenöffnungen und optischen Strukturen und spiegelt die Realität wider, dass es nicht für jede Kamera das „beste“ Objektiv gibt.

Abschließender Gedanke: Hören Sie auf, Pixel zu zählen, und fangen Sie an, sich Informationen anzusehen

Megapixel sind nützlich.

Sie sagen Ihnen, wie viele Pixel ein Sensor liefern kann.

Sie sagen Ihnen jedoch nicht, wie viele nützliche Informationen das optische System an diese Pixel liefern kann.

Deshalb schauen erfahrene Ingenieure über die Nummer auf der Kameraverpackung hinaus.

Sie schauen sich MTF an.

Sie betrachten die Pixelgröße.

Sie achten auf die Leistung von der Mitte bis zum Rand.

Sie betrachten Aberrationen, Verzerrungen, Beleuchtung und Sensorkompatibilität.

Am wichtigsten ist, dass sie sich das tatsächliche Bild ansehen.

Denn letztendlich kaufen Kunden keine 8 Millionen Pixel.

Sie kaufen die Details, die diese Pixel zeigen sollen.