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【探索】镜头分辨率极限和相机像素的概念 
發表人 內容
達人玩家(1000)
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註冊時間: 2009年 4月 26日, 00:41
文章: 3136
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:goodjob: :goodjob: :goodjob: 這篇看完後可做相機工程師了~

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2012年 4月 28日, 15:06
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高級玩家(500)
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註冊時間: 2007年 4月 28日, 02:11
文章: 587
來自: 高雄-台北
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1piece 寫:
圖檔 圖檔


小弟在內地的攝影雜志上和在網路上常常聽到有很多人說什麼鏡頭分辨率極限在40MP, 說什麼相機像素太高的話鏡頭跟不上之類的話... 小弟今天幫大家解決這類的疑問.

首先幾個基礎概念:
-Line (線條), Pitch (間隔), Line-Pitch (指的是線條加上空間為一組);
-1公尺(米)=100公分=1000毫米=1,000,000微米.
-全幅尺寸是24mm * 36mm.
-每個相機的像素都只能記錄一個點, 這個點可以有不同的顏色, 但它最多都只能是一個點.

接下來我們看圖說故事...

1) Sony Carl Zeiss 24mm F2 ZA的MTF表格
圖檔
在這個表格中, 我們取出最一般的10lp/mm並且來探討像素和分辨率的概念...

2) 我們將一個1毫米*1毫米的空間放大出來看.
圖檔
爲了先了解小弟要述說的一個概念, 我們先不管相機的總像素多少, 先假設有兩種大小: 200um * 200um 和 20um * 20um

不好意思, 我在 Google 上怎麼查都發現 lp / mm 的 lp 指的是 Line pair, 請問您 Line-Pitch 的訂義是從何而來的呢?

再者, 都沒人發現此圖右上方的等式很奇怪嗎? 單位也不對阿…
我看了半天, 才發現圖右上方的等式「10 lp/mm = 50 um/line」是指「若要用每mm分辨10組線對(一組線對為一條全黑與一條全白的線)來看的話, 相當於每一條線是50um粗」, 這樣的表示在數學上用”=”應該說不過去吧…


1piece 寫:
3) 當我們用像素大小=200um * 200um的相機去拍攝 1毫米*1毫米的空間的時候會發現...
圖檔
一個200微米乘200微米的像素點根本沒有辦法去記錄一個比自己還要小的線條!因為在同個像素點中出現了2個黑線和2個白線,一台相機如果發生同時黑和白那最後就會由軟體去判定,甚至最後會變成噪點。也就是說200微米*200微米的像素點的相機去拍攝10lp/mm的線條,得到的只是一堆噪點。

4) 接下來我們把這個相機的功能稍微的提升至每個像素大小=20微米*20微米...
圖檔
在1平方毫米的空間裡面我們從25個像素提升到2500個像素, 所以每個寬50微米的10lp/mm線條能有2~3個像素去做記錄, 雖然這並不一定夠, 但這就是很大的突破!

說道這裡... 我們整理一下...
一個200微米*200微米像素在一個全幅的CCD上面有2萬的總像素, 而一個20微米*20微米的像素在一個全幅上有200萬個像素(接近1999年發布的具有266萬像素的Nikon D1). 也就是說, 我們之所以能從交卷時代替換到數位時代, 正是因為我們的像素夠小夠多, 能夠用足夠的像素來拼湊出一個簡單的線條.

5) 但200萬的像素其實還是非常不夠的... 因為如果線條並非剛好在水平線上而是傾斜的, 那在有限的像素下就會出現明顯的鋸齒...
圖檔
當然我們也可以把圖縮小來降低這個問題... 但200萬的像素能縮多小? 尤其平面媒體要把200像素的圖裝在一個A4的紙張上(21cm*29.7cm)只有143dpi的密度... 這和300dpi的標准還有很大的距離, 所以放大都不夠了怎麼可能縮小?

在談解析度的同時把印刷輸出給考慮進來應該是離題了, 即使沒有離題也易造成混餚
DPI 可以簡單參考網路上 Google 到的文章 http://www.photocap.com.tw/Tuition/DPI.htm

1piece 寫:
6) 另外... 或許用200萬像素來記錄10lp/mm勉強夠, 但如果用於40lp/mm甚至80lp/mm那怎麼辦?
如果說分辨率從10lp/mm變成40lp/mm那線條的寬度會從50微米縮減到12.5微米, 40lp/mm的線條(寬12.5微米)在200萬像素的相機(像素大小20微米*20微米)上只是一堆噪點而已... (回到類似#3的問題)
圖檔
所以隨著科技發展, 我們提升CMOS, 把20微米*20微米的像素縮減到十六分之一, 也就是5微米*5微米的像素大小, 這個時候我們的相機總像素也就從200萬提升了16倍到3200萬 (接近目前D800的36MP), 然而用5微米*5微米的像素點去記錄40lp/mm的12.5微米也只意味著每個線條只有2.5個像素的資訊... 請問各位覺得用2.5個記錄點去記錄40lp/mm夠嗎? 這樣在放到到100%的時候能沒有鋸齒嗎?



在本文的3)提到:一個200微米乘200微米的像素點根本沒有辦法去記錄一個比自己還要小的線條!
一個像素確實無法記錄比自己寬度還小的線條, 那麼, 為什麼一條12.5微米的線用2.5個像素來記錄還不算足夠? 再者, 都已經講到一個一個的「像素」了, 不就已經是在100%下檢視了嗎? 難道要用800%來檢視才足夠?
也正因為你是用「像素」在看, 它們一定是一顆一顆的排列在CCD或CMOS上, 所以當你100%下檢視時看到鋸齒狀的時候不是理所當然嗎? 你該煩惱的是線條本身比像素還小時才無法去記錄該有的資訊吧?

1piece 寫:
7) CMOS相機的極限在哪裡? 個人認為所謂的極限應該只是一種浪費的觀念, 這是當我們用過多的勞力去解決一個很簡單的工作... 當我們用一台高密度的24MP NEX-7去記錄低密度低分辨率的10lp/mm線條的時候, 那就是用3.9*3.9微米的像素去記錄50微米大的線條... 所以等於是用了12~13個像素去做這件事... 而這可以是一種 “浪費”但也是很 “爽”的事, 完全看你怎麼去看. 但如果說是要用NEX-7來記錄40lp/mm的12.5微米的線條, 那也只是3個像素一條線, 稱不上是浪費...

抱歉, 可否請教您為什麼要用這個標題來導到這個結論?
如果照著這個邏輯, SONY現有的DSC-TX10規格為16MP(4608×3456), 它可以用9.6個像素來記錄您所謂「40lp/mm的12.5微米的線條」豈不是超強?
(PS. 1/2.3”感光元件的尺寸為 6.16 mm * 4.62 mm)

_______---
如果想更瞭解MTF, 這個網站有興趣可以好好研究
http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF.html

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Body: KonicaMinolta α-7D, Sony α850
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2012年 4月 28日, 17:21
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魔人玩家(5000)

註冊時間: 2011年 6月 26日, 00:16
文章: 8103
引用回覆
Hinoki 寫:
1piece 寫:
1piece 寫:
7) CMOS相機的極限在哪裡? 個人認為所謂的極限應該只是一種浪費的觀念, 這是當我們用過多的勞力去解決一個很簡單的工作... 當我們用一台高密度的24MP NEX-7去記錄低密度低分辨率的10lp/mm線條的時候, 那就是用3.9*3.9微米的像素去記錄50微米大的線條... 所以等於是用了12~13個像素去做這件事... 而這可以是一種 “浪費”但也是很 “爽”的事, 完全看你怎麼去看. 但如果說是要用NEX-7來記錄40lp/mm的12.5微米的線條, 那也只是3個像素一條線, 稱不上是浪費...
[/size]

抱歉, 可否請教您為什麼要用這個標題來導到這個結論?
如果照著這個邏輯, SONY現有的DSC-TX10規格為16MP(4608×3456), 它可以用9.6個像素來記錄您所謂「40lp/mm的12.5微米的線條」豈不是超強?
(PS. 1/2.3”感光元件的尺寸為 6.16 mm * 4.62 mm)

_______---
如果想更瞭解MTF, 這個網站有興趣可以好好研究
http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF.html


我想1piece兄試著用淺顯易懂的方式來介紹鏡頭分辨率極限和相機像素的概念。

不知道大爺您何苦用這麼沒禮貌的態度提出質疑?
是要表達您更高人一等嗎?

1piece兄說了:"個人認為"所謂的極限應該只是一種浪費的觀念
這表明了是提出他個人的觀點,
而且後面也有轉折“完全看你怎麼去看”
請問這位高人大爺,
您要刮別人的鬍子之前,
有沒有先照照鏡子?

在討論區討論事情可以彼此提出不同的論點,
但如果你用了無禮的態度,
那只是讓人鄙視你罷了。


2012年 4月 28日, 18:53
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達人玩家(1000)

註冊時間: 2008年 8月 7日, 14:56
文章: 2102
引用回覆
Hinoki 寫:
1piece 寫:
首先幾個基礎概念:
-Line (線條), Pitch (間隔), Line-Pitch (指的是線條加上空間為一組);
-1公尺(米)=100公分=1000毫米=1,000,000微米.
-全幅尺寸是24mm * 36mm.
-每個相機的像素都只能記錄一個點, 這個點可以有不同的顏色, 但它最多都只能是一個點.

不好意思, 我在 Google 上怎麼查都發現 lp / mm 的 lp 指的是 Line pair, 請問您 Line-Pitch 的訂義是從何而來的呢?

再者, 都沒人發現此圖右上方的等式很奇怪嗎? 單位也不對阿…
我看了半天, 才發現圖右上方的等式「10 lp/mm = 50 um/line」是指「若要用每mm分辨10組線對(一組線對為一條全黑與一條全白的線)來看的話, 相當於每一條線是50um粗」, 這樣的表示在數學上用”=”應該說不過去吧…



lp/mm 的確是line pair, MTF 中講的,也是line pair;不過,一堆人應該從沒去看過原始定義中講的是線、與間隔。
所以 1piece 應該是想以一般不知道的人所容易弄混的部份,特別講出 line 跟 pitch 在這其中扮演的角色。
所以,雖然 1piece 用的說法、與文意,確以 Hinoki 您的角度來看,這裡面的確是有歧義之處,不過 1piece 也沒明白講說 lp = line pitch 壓 ....

如果 Hinoki 大您很斟酌這裡面該有的數理邏輯正確性、以及算式代換合理性;能否請您花點時間,把這其中該怎樣代算的過程,明白演繹一下。來讓SDF上求知若渴的攝友們能更清處理解 MTF 到底是怎麼回事。

這邊是歡樂的 SDF ,想要知道原理蠻適合去冼鏡光老大那邊慢慢看完冼教授的講解。
也別找我麻煩,我現在正職是當我家小無尾熊的樹,沒空幫忙解釋 ....

_________________
....


2012年 4月 28日, 19:32
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永遠的菜鳥 & 新手 站長
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註冊時間: 2006年 12月 4日, 15:57
文章: 4446
引用回覆
歡迎各位族友理性提出自己的看法, 免得可惜了一個討論的空間....... :grin:

認為答案是錯的很歡迎提出正確的答案, 這才是族友之福....... :grin:

_________________
SDF 的最重要價值是來自每一位族友的分享與愛護, 有族友才有 SDF....:goodjob:

有時後是我太忙沒進去一篇篇看文, 不是不回文喔 (怕被誤會).

FE 系統
SONY A7
LE-EA4
24-70 F4 ZE
35 F2.8 ZE


2012年 4月 28日, 20:17
個人資料
永遠的菜鳥 & 新手 站長
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註冊時間: 2006年 12月 4日, 15:57
文章: 4446
引用回覆
leo53223 兄:

Hinoki 兄只是提出問題, 相信沒有不禮貌之處, 大家請禮貌發言........ :grin:

leo53223 寫:
Hinoki 寫:
1piece 寫:
1piece 寫:
7) CMOS相機的極限在哪裡? 個人認為所謂的極限應該只是一種浪費的觀念, 這是當我們用過多的勞力去解決一個很簡單的工作... 當我們用一台高密度的24MP NEX-7去記錄低密度低分辨率的10lp/mm線條的時候, 那就是用3.9*3.9微米的像素去記錄50微米大的線條... 所以等於是用了12~13個像素去做這件事... 而這可以是一種 “浪費”但也是很 “爽”的事, 完全看你怎麼去看. 但如果說是要用NEX-7來記錄40lp/mm的12.5微米的線條, 那也只是3個像素一條線, 稱不上是浪費...
[/size]

抱歉, 可否請教您為什麼要用這個標題來導到這個結論?
如果照著這個邏輯, SONY現有的DSC-TX10規格為16MP(4608×3456), 它可以用9.6個像素來記錄您所謂「40lp/mm的12.5微米的線條」豈不是超強?
(PS. 1/2.3”感光元件的尺寸為 6.16 mm * 4.62 mm)

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我想1piece兄試著用淺顯易懂的方式來介紹鏡頭分辨率極限和相機像素的概念。

不知道大爺您何苦用這麼沒禮貌的態度提出質疑?
是要表達您更高人一等嗎?

1piece兄說了:"個人認為"所謂的極限應該只是一種浪費的觀念
這表明了是提出他個人的觀點,
而且後面也有轉折“完全看你怎麼去看”
請問這位高人大爺,
您要刮別人的鬍子之前,
有沒有先照照鏡子?

在討論區討論事情可以彼此提出不同的論點,
但如果你用了無禮的態度,
那只是讓人鄙視你罷了。

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有時後是我太忙沒進去一篇篇看文, 不是不回文喔 (怕被誤會).

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LE-EA4
24-70 F4 ZE
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2012年 4月 28日, 20:20
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魔人玩家(5000)

註冊時間: 2011年 6月 26日, 00:16
文章: 8103
引用回覆
davidhuang 寫:
leo53223 兄:

Hinoki 兄只是提出問題, 相信沒有不禮貌之處, 大家請禮貌發言........ :grin:

leo53223 寫:
Hinoki 寫:
1piece 寫:
1piece 寫:
7) CMOS相機的極限在哪裡? 個人認為所謂的極限應該只是一種浪費的觀念, 這是當我們用過多的勞力去解決一個很簡單的工作... 當我們用一台高密度的24MP NEX-7去記錄低密度低分辨率的10lp/mm線條的時候, 那就是用3.9*3.9微米的像素去記錄50微米大的線條... 所以等於是用了12~13個像素去做這件事... 而這可以是一種 “浪費”但也是很 “爽”的事, 完全看你怎麼去看. 但如果說是要用NEX-7來記錄40lp/mm的12.5微米的線條, 那也只是3個像素一條線, 稱不上是浪費...
[/size]

抱歉, 可否請教您為什麼要用這個標題來導到這個結論?
如果照著這個邏輯, SONY現有的DSC-TX10規格為16MP(4608×3456), 它可以用9.6個像素來記錄您所謂「40lp/mm的12.5微米的線條」豈不是超強?
(PS. 1/2.3”感光元件的尺寸為 6.16 mm * 4.62 mm)

_______---
如果想更瞭解MTF, 這個網站有興趣可以好好研究
http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF.html


我想1piece兄試著用淺顯易懂的方式來介紹鏡頭分辨率極限和相機像素的概念。

不知道大爺您何苦用這麼沒禮貌的態度提出質疑?
是要表達您更高人一等嗎?

1piece兄說了:"個人認為"所謂的極限應該只是一種浪費的觀念
這表明了是提出他個人的觀點,
而且後面也有轉折“完全看你怎麼去看”
請問這位高人大爺,
您要刮別人的鬍子之前,
有沒有先照照鏡子?

在討論區討論事情可以彼此提出不同的論點,
但如果你用了無禮的態度,
那只是讓人鄙視你罷了。


謝謝davidhuang大指正,
我也失禮了~ :please: :please: :please:


2012年 4月 28日, 21:29
個人資料
高級玩家(500)
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註冊時間: 2007年 4月 28日, 02:11
文章: 587
來自: 高雄-台北
引用回覆
leo53223 寫:
Hinoki 寫:
1piece 寫:
1piece 寫:
7) CMOS相機的極限在哪裡? 個人認為所謂的極限應該只是一種浪費的觀念, 這是當我們用過多的勞力去解決一個很簡單的工作... 當我們用一台高密度的24MP NEX-7去記錄低密度低分辨率的10lp/mm線條的時候, 那就是用3.9*3.9微米的像素去記錄50微米大的線條... 所以等於是用了12~13個像素去做這件事... 而這可以是一種 “浪費”但也是很 “爽”的事, 完全看你怎麼去看. 但如果說是要用NEX-7來記錄40lp/mm的12.5微米的線條, 那也只是3個像素一條線, 稱不上是浪費...
[/size]

抱歉, 可否請教您為什麼要用這個標題來導到這個結論?
如果照著這個邏輯, SONY現有的DSC-TX10規格為16MP(4608×3456), 它可以用9.6個像素來記錄您所謂「40lp/mm的12.5微米的線條」豈不是超強?
(PS. 1/2.3”感光元件的尺寸為 6.16 mm * 4.62 mm)

_______---
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http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF.html


我想1piece兄試著用淺顯易懂的方式來介紹鏡頭分辨率極限和相機像素的概念。

不知道大爺您何苦用這麼沒禮貌的態度提出質疑?
是要表達您更高人一等嗎?

1piece兄說了:"個人認為"所謂的極限應該只是一種浪費的觀念
這表明了是提出他個人的觀點,
而且後面也有轉折“完全看你怎麼去看”
請問這位高人大爺,
您要刮別人的鬍子之前,
有沒有先照照鏡子?

在討論區討論事情可以彼此提出不同的論點,
但如果你用了無禮的態度,
那只是讓人鄙視你罷了。

Hi, 小弟口直心快, 比較不懂得琢磨字裡行間的語意表達, 若有冒犯請多包涵, 只是希望可以討論出比較接近正確的觀念, 若小弟所說有任何謬誤的地方也希望各位不吝指正~ 

會回覆這篇文章主要是因為我不認同「鏡頭分辨率極限和相機像素」會導致1piece兄最後的結論。
就如同今天如果下一代的i-phone強調它的像數高達2400萬像素,相信諸位大大應該不會認為它的解像力可以跟A900/A850一樣強大是吧?扣除這點,1piece兄講的大致正確也不難懂,只是中間有些小地方我覺得尚有不夠精確之處(當然挑人毛病是很簡單沒錯,下次小弟會多注意自已發文的口氣,謝謝leo53223兄的提醒也謝謝1piece兄的熱心。)

接著,個人並不太願意去探討所謂「CMOS相機的極限在哪裡」這件事情。
因為即使感光元件(在此僅針對一般傳統CCD及CMOS的Bayer排列方式)做得再好,仍然會有鏡頭光學繞射(請參考SDF上jyhlih兄以前PO過的文章)、低通濾波器及數位取樣頻率的問題,更別說還有其它因素會影響最終產出的畫面了。
因此,如果單單以「鏡頭分辦率」跟「像素大小」來決定感光元件的極限,就很容導出我舉例的DSC-TX10的結果,這只會令消費者更加懷疑:「為什麼相機的像素已經做得夠小夠細了,但拍出來的畫面解像力仍然不夠?」

那麼,「鏡頭分辦率」指的是什麼呢?
或許我將它先訂義為「空間頻率」會比較恰當一些,亦即所謂的 10 lp/mm 及 30 lp/mm (或 40 lp/mm,都可以)。
一般的MTF圖提供兩至三組不同空間頻率的曲線(Canon 為 10 lp/mm 及 30 lp/mm,而Zeiss則為10 lp/mm , 20 lp/mm 及 40 lp/mm):低頻(10 lp/mm),反映鏡頭的反差特性;高頻(30 lp/mm 或 40 lp/mm),反映鏡頭的分辨率特性,亦即解像力。
而MTF圖中的實線與虛線則為徑向方向與切線方向的值,將平行於直徑的線條(徑向方向)產生的MTF曲線標為R,而將平行於切線的線條(切線方向)產生的MTF曲線標為T,即可得到像下面這樣的圖(個人覺得它把R跟T標反了…):
圖檔
由圖是不是可以發現,總是有某種方向的MTF值比我們所想像的還要來得低呢?  (這也說明了部分幾何光學的特性與極限,也意謂著並不是感光元件做得極盡完美就可以100%的還原影像)

今天先到這邊吧,若有謬誤歡迎指正

註一:如果對於「MTF」真的有興趣可以參考我放的那個連結,我現在沒什力氣把它翻譯成中文… Orz~
註二:jyhlih兄出的兩道試題大家有興趣可以想想,這跟當初訂出10 lp/mm 及 30 lp/mm有關係喔~ 

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2012年 4月 28日, 22:32
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註冊時間: 2007年 4月 28日, 02:11
文章: 587
來自: 高雄-台北
引用回覆
leo53223 寫:
davidhuang 寫:
leo53223 兄:

Hinoki 兄只是提出問題, 相信沒有不禮貌之處, 大家請禮貌發言........ :grin:


謝謝davidhuang大指正,
我也失禮了~ :please: :please: :please:

謝謝 David 站長, 也謝謝 leo53223 兄的好心提醒~ :grin: :please:

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2012年 4月 28日, 22:37
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達人玩家(1000)

註冊時間: 2008年 8月 7日, 14:56
文章: 2102
引用回覆
Hinoki 寫:
註一:如果對於「MTF」真的有興趣可以參考我放的那個連結,我現在沒什力氣把它翻譯成中文… Orz~
註二:jyhlih兄出的兩道試題大家有興趣可以想想,這跟當初訂出10 lp/mm 及 30 lp/mm有關係喔~ 


您想太多了,正統光學裡面放的是 10/20/40 ;跟30線一點關係都沒有 ....

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....


2012年 4月 28日, 23:05
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