50 megapixels is niet genoeg

 Voor verdubbeling van de resolutie,
heb je 4 keer zo veel pixels nodig

Aan het begin van de megapixelrace kon je duidelijk verschil in resolutie zien als er een nieuwe camera uitkwam. Een opname gemaakt met een 2 megapixel camera is zichtbaar minder scherp dan een opname gemaakt met een 8 megapixel camera. Want de resolutie van een 8 megapixel camera is twee keer zo hoog als van een 2 megapixel camera. Dat verschil zie je duidelijk met het blote oog.  Om diezelfde reden is de resolutie van 4K video (met 8 megapixel beelden) een enorme vooruitgang ten opzichte van Full-HD (2 mp).

Hoe hoger het aantal megapixels, des te kleiner de invloed op de resolutie wordt van 10 megapixels extra:

• Om de resolutie ten opzichte van een 6 megapixel camera te verdubbelen, heb je een 24 megapixel sensor nodig.
• Om de resolutie van een 24 megapixel camera te verdubbelen, heb je een 96 megapixel sensor nodig.

Vergelijk  je de scherpte van een 16 megapixel camera met de scherpte van een 20 megapixel camera, dan is de invloed van het aantal pixels op de sensor minder dan het effect van bijvoorbeeld de lenskwaliteit, of misschien wel  het (ontbreken van een) AA-filter voor de sensor.

Sinds de komst van de Canon 5Ds met zijn 50 megapixel sensor en de Olympus OM-D E-M5 mk2 met 40 megapixel hoge-resolutie opnames, lijkt het er op dat de megapixelrace opnieuw begonnen is. Zien we het verschil tussen een opname gemaakt met een 36 megapixel camera of een 50 megapixel camera?

Een paar lenzen goed genoeg voor 50 megapixel sensor

Bij f/0.95 verliest een goede lens 1% aan scherpte door diffractie en misschien wel 50% door lensfouten

Zijn moderne objectieven in staat om de hoge resoluties van deze nieuwe camera’s zichtbaar te maken? Voor een extreem goede lens is de 50 megapixel full-frame sensor van de Canon 5Ds of Canon 5Ds R geen probleem. Daarover straks meer. Misschien nog wel interessantere vragen zijn: Wat moet ik doen om het resolutieverschil tussen een 36 megapixel of een 50 megapixel camera in de praktijk waar te maken? Of: Is dat verschil voor mij de moeite en de hogere kosten  waard?  En wat dacht je van: Zie ik het verschil in resolutie terug in mijn foto’s als ik mijn huidige lenzen gebruik?
Er is een arsenaal aan lenzen die met Olympus OM-D E-M5 mk2 in de hoge resolutie-mode daadwerkelijk opnames leveren met astronomisch goede resolutie. Maar hoe zit dat met een 50 megapixel full frame sensor? Als je kiest voor een camera met een 50 megapixel full frame sensor, moet je mogelijk ook een aantal van je lenzen vervangen. Werken vanaf statief en nauwkeurig scherpstellen wordt belangrijker naarmate de resolutie van de camera hoger wordt. Niet iedere fotograaf heeft daar zin in. Dus heeft ook niet iedereen een 50 megapixel camera nodig.

Of je een verschil in scherpte tussen twee afbeeldingen ziet,  hangt af van:

• kwaliteit van camera en lens (megapixels, AA filter of niet, toegepaste glassoorten, AF nauwkeurigheid, etc.)
• camera en lens instellingen bij het maken de opname (diafragma, sluitertijd, ISO, statief, beeldstabilisatie, zelfontspanner, etc) 
• weersomstandigheden en belichting (fel of gedempt licht, bij telelenzen: luchtwervelingen)
• beeldbewerking (verscherping, contrast, ruisonderdrukking, demosaicing door RAW converter, correctie van lichtafval of vervorming, etc.)
• kwaliteit van de print of de instellingen van de monitor
• grootte van de afbeelding en de kijkafstand
• kwaliteit van de ogen en/of bril van de toeschouwer

Wat is scherp?

Hoe groter de afbeelding en des te kleiner de kijkafstand, des te makkelijker je een verschil in resolutie ziet. Billboards worden afgedrukt in een lage resolutie, maar omdat je ze vanaf grote afstand bekijkt, ziet het er toch scherp uit. Een poster met een resolutie van 150 pixels per inch (ppi) ziet er misschien wel net zo scherp uit als een glossy tijdschrift gedrukt in een resolutie van 300 ppi. Je bekijkt de poster vanaf een veel grotere afstand dan het tijdschrift. Wat is scherp?

Hieronder zie je twee beelduitnedes van testopnames met ongeveer 10% verschil in resolutie, afgebeeld op 50% van de ware grootte.  Met het blote oog is het moeilijk om verschillen tussen beide opnames te zien, ondanks dat dit twee beelduitsnedes zijn stevig zijn uitvergroot (de exacte afmetingen hangen af van de resolutie van je beeldscherm). En je bekijkt ze ook nog eens van dichtbij!

Scherpteverlies door diffractie bij f/2.8 : 7% (36 mp full frame) tot 12% (1 inch 20 mp)

Ben je geen pixelpeeper en maak je zelden grote afdrukken, dan heeft het voor jou waarschijnlijk geen zin om een camera met meer dan 24 megapixels te kiezen. Hoe groot het verschil in scherpte is dat je met het blote oog ziet, verschilt per persoon. Bij rechtstreeks vergelijken van twee afbeeldingen naast elkaar mag je er van uitgaan dat de meesten een verschil van 20% in resolutie wel zien. Bekijk je foto’s op een beeldscherm op 100%, dan kan je zien dat een Canon 5Ds een hogere resolutie heeft dan een Canon 6D of 5D mk3. De vergelijking van een Canon 5Ds met een Nikon D810 wordt – ook op 100% – al veel moeilijker.

Probeer het zelf: Als je in Photoshop verscherpt met Unsharp Mask in twee stappen (eerst straal 0,8 pixel , 85%, daarna straal 20 pixels , 10%), dan oogt de opname zichtbaar scherper en natuurlijker dan wanneer je alleen het microcontrast (straal 1) of het globale contrast (straal: 20) verscherpt.

Onze ogen ervaren een hoog contrast – een groot verschil in lichtsterkte tussen de donkerste kleur en de lichtste kleur van iets waar we naar kijken – als scherp. Verscherpingssoftware doet niets anders dan op een heel slimme manier het contrast van een opname verhogen. Vaak maken fotobewerkingsprogramma’s bij het verscherpen onderscheid tussen het globale contrast van een foto (het verschil tussen het lichtste en donkerste punt in de hele foto) en de detaillering (lokale contrastverschillen, ook wel micro-contrast genoemd).

Scherpte zien: contrast en micro-contrast

Hoe fijner de details, des te lager het contrast. 

Onze ogen ervaren een beeld als scherp, als het contrast hoog is en ook details duidelijk zichtbaar zijn (“microcontrast”). Een silhouet van iemand op een zandduin (hoog contrast)  is scherp, maar bevat in dit geval weinig detail. Een fijn patroon van taken of bladeren gemaakt met dezelfde camera en lens bij dezelfde brandpuntsafstand en het hetzelfde diafragma als de opname van het silhouet op de zandduin heeft een hoge resolutie, maar ziet er minder contrastrijk uit dan het silhouet. Wordt het patroon nog fijner, zoals individuele zandkorrels in het zandduin, dan zien we het contrastverschil niet meer. Als je details bekijkt op de grens van wat een lens of camera nog aankan, dan zit je te turen in een grijze brij met extreem hoge resolutie en extreem laag contrast. 

Resolutie metingen: MTF10 en MTF 50

Bij f/4 is het scherpteverlies  door diffractie 20 tot 35 %.  Soms hebben lensfouten nog  altijd een groter effect dan diffractie.

Er zijn verschillende manieren om de resolutie te meten. Colorfoto meet bijvoorbeeld bij welke resolutie het onderscheid tussen zwart en wit vrijwel niet meet zichtbaar is (MTF10: het verschil tussen de donkerste en de lichtste kleur is nog maar 10%). Dit wordt ook wel aangeduid met grensresolutie en deze meetwaarde komt het dichtst in de buurt bij het aantal pixels op de sensor (soms aangeduid met de Nyquist frequentie). Omdat onze ogen de combinatie van contrast en details ervaren als scherpte, is alleen het bepalen van de grensresolutie niet voldoende als je wil weten of een lens scherp is of niet. Daarom meet Colorfoto ook het globale contrast.
De meeste lenstesters (waaronder CameraStuffReview) gebruiken de MTF50 (MTF50: het verschil tussen de donkerste en de lichtste kleur is 50%), omdat er van uit wordt gegaan dat deze contrastmeting het best correleert met de scherpte die het menselijk oog ervaart. Dat is in overeenstemming met onze ervaringen: een foto gemaakt met een lens met een hoge MTF50 ziet er scherper uit dan een foto gemaakt met een lage MTF50. Als alle omstandigheden, testcamera, afstand tot het onderwerp, sluitertijd, diafragma, ISO, etc. verder gelijk zijn, natuurlijk.

Ga voor de hoogste centrumscherpte op camera’s met een hoge pixeldichtheid niet hoger dan f/4 – f/5.6. Bij f/5.6 heeft een micro-43 lens (net als een lens op een Canon 5Ds) 30% ingeleverd aan diffractie.

Welke resolutie moet een lens aankunnen om de resolutie van een Canon 5Ds R tot zijn recht te laten komen? Op zijn minst een grensresolutie die gelijk is aan het aantal lijnenparen per mm van de sensor (0,5*5792 pixels / 24 mm = 119 lp/mm). Meer is beter, natuurlijk. Maar hoe weten we dat een lens een dergelijk scheidend vermogen heeft, terwijl dit de eerste 50 megapixel full frame sensor is?
Als we ons beperken tot de centrumscherpte, dan kunnen we in de nabije toekomst het antwoord vinden bij lenzen getest op de  Canon 750D/760D (met AA filter: 134 lp/mm). Omdat de Canon 5Ds R wat pixeldichtheid betreft overeenkomt met een Nikon D7200, en beide camera’s geen AA-filter hebben, is het geen gekke veronderstelling om aan te nemen dat de beste lenzen op een Canon 5Ds R op een resolutie van 115 lp/mm of meer uit kunnen komen. Vandaar de titel: 50 megapixels is niet genoeg.

Presteert een lens goed op een Nikon D5500, D7100 of D7200, dan wordt een hoge centrumscherpte met de Canon 5Ds (met AA filter) of 5DR (zonder AA filter) een makkie.  De Sigma 35 mm f/1.4 Art is een goede kandidaat. Dit is een van de lenzen met,  getest op een camera met een 130 lp/mm sensor, de hoogste centrumscherpte die we zijn tegen gekomen. De Tokina 11-16mm PRO DX II, de Sigma 18-35 mm f/1.8 Art en tot mijn verrassing ook de Nikon 18-140 mm scoren in onze testen ook heel hoog met hun centrumscherpte, maar zijn niet ontworpen voor een full frame sensor.  

Diffractie en resolutie (in lp/mm)

Bij f/8 is er nog 60% over van de maximaal mogelijke scherpte . Een 1 inch sensor levert bij f/8 nog maar 40% van de hoogst mogelijke scherpte.

Diffractie is een natuurlijk verschijnsel: licht wordt meer verstrooid naarmate het door een kleinere opening gaat. Als het aan diffractie ligt, maak je de scherpste foto bij f/0.95 en de minst scherpe opname bij f/22. Bij een pinhole camera is het diafragma zo klein, niet zelden f/100, dat het licht over meerdere pixels wordt uitgesmeerd. Daarom maak je nooit een scherpe foto met een pinhole camera.
Als je rekening houdt met de grootte van de pixels en de invloed van diffractie, maar lensfouten buiten beschouwing laat, dan is de resolutie van een camera voor ieder diafragma eenvoudig te berekenen. Het resultaat zie je in bovenstaande plaatje.
Bij f/0.95 zou een lens zonder lensfouten en zonder AA-filter dezelfde grensresolutie (MTF10) leveren als het aantal rijen pixels op de sensor. Een Canon 760D (sensor hoogte: 14,9mm; 134 lp/mm) of een Nikon D7200 (sensorhoogte:15,4mm; 130 lp/mm) hebben beiden een sensor met een hoogte van 4000 pixels.  Bij f/0.95 is de invloed van diffractie op de resolutie te verwaarlozen en zou een lens zonder lensfouten een resolutie van 132 lp/mm (Canon) of 128 lp/mm (Nikon) kunnen leveren. Dat is hoger dan de 119 lp/mm van de Canon 5Ds of de 101 lp/mm van de Nikon D810.  De allerbeste objectieven op een camera met een volformaat sensor halen, uitgedrukt in lp/mm, niet zulke hoge waardes. Op een Nikon D800, met een 36 megapixel sensor, komt de Sigma 105 mm f/2.8 macro tot een grensresolutie van 92 lp/mm (2200 lijnenparen per beeldhoogte). Op de Nikon D7100 haalt de Tokina 70-200mm F4 in een recente test van Colorfoto bij een brandpuntsafstand van 70mm f/8 een resolutie van 1800 lijnenparen per beeldhoogte, wat overeenkomt met 117 lp/mm. In beide gevallen kan de sensor nog wel eens de beperkende factor zijn. Waarschijnlijk scoren ze nog hoger als je ze test met een 50 megapixel full frame sensor.

Micro-43 scoort hoger dan full-frame (in lp/mm)

Bij Lenstip en CameraStuffReview wordt de MTF50 van onverscherpte RAW bestanden gemeten, die lager is dan de grensresolutie (MTF10) die Colorfoto rapporteert. CameraStuffReview gaat uit van lijnen per beeldhoogte (daar kom ik zo op terug). Lenstip rapporteert meetresultaten in lp/mm. Lenstip stelt zwaardere eisen aan de camera’s met een kleinere sensor:

• Voor een 20 megapixel full-frame camera (Canon EOS 5D Mark III) is de resolutie van een lens volgens Lenstip voldoende bij 30-32 lpmm.
  De beste lenzen halen op deze camera een MTF50 resolutie van 44-47 lpmm.
• Voor een 12 megapixel micro-43 camera hanteert Lenstip veel strengere criteria (in lp/mm) dan voor een full frame sensor: Bij  42 lp/mm – beduidend meer dan de norm voor een full-frame lens –  is er op een 12 megapixel micro-43 camera sprake van een voldoende volgens Lenstip.
  De beste micro-43 lenzen halen een resolutie van 80 lpmm (met een record van 82.6 lp/mm voor de Voigtlander 0.95/25).

Zelfs als je rekening houdt met het afwijkende 3:4 formaat in vergelijking met het 2:3 formaat van een full-frame sensor, lijkt het oneerlijk om aan een kleinere sensor hogere eisen te stellen dan aan een grote sensor. Calimero zou het wel weten: “Het is niet eerlijk, want ik is klein en zij zijn groot!”.

Lichtsterke Nikon 1 lenzen recordhouder met 150 lp/mm

Een perfecte f/0.95 lens zou op een Nikon J5 in theorie bij f/0.95 een maximale resolutie van 200 lp/mm kunnen halen. Dat is twee keer zo hoog als de hoogst mogelijke resolutie van een full-frame camera. Als je wil weten wie op dit moment de resolutiekeizer is, als je de resolutie uitdrukt in lp/mm, die moet het daar zoeken. Nikon demonstreert met de Nikon 1 18,5mm f/1.8 dat een goede lens in de praktijk een grensresolutie (MTF10) van 150 lp/mm kan halen: Colorfoto is een van de weinige labs die de resolutie van een lens bepalen op het punt (de grensresolutie) waar de resolutie zo hoog is, dat het contrast vrijwel is verdwenen. Colorfoto rapporteert voor de Nikon 1 18.5 mm op een Nikon V2  een grensresolutie van 1328 lijnenparen per beeldhoogte. De Nikon 1 sensor heeft een hoogte van 8.8 mm, dus komt dit overeen met een resolutie van 150 lp/mm. Ook in onze testen scoorde de Nikon 1 18,5mm f/1.8 heel hoog. Evenals de Nikon 1 32 mm f/1.2, die misschien nog wel beter is.

Resolutie in lijnen per beeldhoogte (LW/PH)

Zet lp/mm uit je hoofd. LW/PH komt beter overeen met de praktijk

Als je gemeten resoluties uitdrukt in lp/mm, dan kan je meetresultaten niet zo maar met elkaar vergelijken. Wil je de resolutie van lenzen gemeten op verschillende camera’s met elkaar vergelijken, dan zou je uit moeten gaan van een resolutie die onafhankelijk is van sensorhoogte en beeldverhouding. Maar digitale camera’s hebben sensoren met verschillende sensor hoogtes en beeldverhoudingen:

Als je de resolutie uitdrukt in lijnen per beeldhoogte, dan is het alsof je foto’s met elkaar vergelijkt die allemaal op hetzelfde formaat zijn afgedrukt of even groot op een beeldscherm worden getoond. Bij CameraStuffReview maken we de beeldverhoudingen aan elkaar gelijk door een micro-43 camera te gebruiken in de beeldverhouding van 2:3 en alle resoluties uit te drukken in lijnen per beeldhoogte (LW/PH). Als je rekening houdend met diffractie (maar nog niet met lensfouten) de maximaal haalbare resolutie van verschillende camera’s uitdrukt in lijnen per beeldhoogte, dan zie je dat de Canon 5Ds op dit moment de ideale camera is om de hoogst mogelijke resolutie te realiseren.

f/11 geeft lekker veel scherptediepte, maar diffractie heeft zich tegoed gedaan aan 50% van de scherpte

In theorie zou een ideale lens zonder lensfouten bij f/0.95 op een sensor zonder AA filter dezelfde grensresolutie hebben als de hoogte van de sensor (5792 pixels). Maar een ideale lens bestaat niet. In de praktijk zijn de meeste lenzen nog niet helemaal scherp bij volle opening. Door een paar stops te diafragmeren elimineer je de lensfouten en bereik je de hoogst mogelijk scherpte. Vervolgens neemt de scherpte af als gevolg van diffractie. Hoe relevant zijn de resolutieverschillen die je ziet tussen de verschillende camera’s in bovenstaande plaatje?

Oordeel zelf:  20% verschil in resolutie zie je met het blote oog

f/16 en f/22 kan je beter mijden als centrumscherpte je lief is. Tenzij je veel scherptediepte nodig hebt.

Vergelijk je twee opnames met een verschil in resolutie van 20% door ze op een beeldscherm naast elkaar af te beelden op 100% grootte, dan zie je op een monitor van een desktop computer met het blote oog het verschil in resolutie. Op een smartphone wordt het plaatje te klein om het verschil te kunnen zien. Beweeg je muis over onderstaand plaatje om het met eigen ogen te aanschouwen. 

Bij f/2.8 levert een lens op een Canon 5Ds (50 mp) maximaal 50% meer resolutie dan op een Canon 5D mk3 (20 mp). Bij f/22 is dat verschil nog maar 5%.

Hopelijk is het aan de hand van bovenstaand verhaal duidelijk waarom lichtsterke objectieven zo vaak worden geroemd om de hoge scherpte die ze bij f/4 of f/5.6 te bieden hebben. Als je een f/1.4 objectief twee stops diafragmeert, dan heb je de meeste lensfouten fors verkleind, terwijl de negatieve invloed van diffractie nog meevalt. Daarom zijn de modernste lichtsterke lenzen zoals de Sigma 18-35mm f/1.8 Art (voor camera’s met een DX of APS-C sensor) of de Sigma 35mm f/1.4 Art (voor full-frame / FX) zijn ideale kandidaten om de hoge scherpte van 24 megapixel APS-C camera’s of 50 megapixel full-frame camera’s te demonstreren.   In het centrum, want in de hoeken lukt het maar heel weinig objectieven bij dit soort extreem hoge resoluties om dezelfde scherpte te halen als in het centrum.

Moderne diffractie gelimiteerde objectieven van f/4 en f/5.6

Enkele extreem goede, maar minder lichtsterke (f/4, f/5.6) moderne objectieven zijn zo goed ontworpen, dat ze al bij volle opening de hoogste scherpte leveren. Wat de centrumscherpte betreft, hoef je bij deze lenzen geen kleiner diafragma te kiezen.  Dit zagen we bij het testen van de Sigma 24-105 mm f/4 Art DG OS HSM,  Nikon AF-S DX 18-140 mm f/3.5-5,6 G ED VR, Canon 24-70 mm f/4 IS en de  Tokina 70-200mm F4. De centrumscherpte van deze moderne lenzen is bij volle opening maximaal en neemt als gevolg van diffractie alleen maar af naarmate je meer diafragmeert.  Voor de hoeken ligt het soms wat genuanceerder; de scherpte in de hoeken neemt meestal nog wel wat toe als je 1 of 2 stops diafragmeert.