Megapíxeles son necesarios!
La carrera de megapíxeles ciertamente no es "innecesaria". Constantemente durante la última década, se ha avanzado en el frente de megapíxeles al tiempo que aumenta constantemente la calidad de la imagen. Los refranes anecdóticos lo harían pensar que eso era imposible, pero hay bastantes mejoras tecnológicas y de fabricación que han hecho un ruido más bajo, una mayor relación señal / ruido y un mayor rango dinámico posible a pesar de las áreas de píxeles reducidas.
Creo que la llegada del sensor Sony Exmor de 36.3mp que se usa actualmente en la Nikon D800 es un ejemplo exquisito de lo que las mejoras tecnológicas de bajo nivel pueden hacer para reducir el ruido y aumentar la dinámica, al tiempo que permiten aumentos significativos en la resolución de la imagen. Como tal, creo que la D800 es un excelente ejemplo de por qué la carrera de megapíxeles definitivamente no ha terminado de ninguna manera.
¿En cuanto a si solo se trata de presumir derechos? Lo dudo. Siempre se pueden utilizar mejores herramientas de manera efectiva en manos de un artesano experto. Una resolución más alta y un rango dinámico más bajo de ISO tienen algunos casos de uso específicos de alto valor. A saber, fotografía de paisajes y algunas formas de fotografía de estudio. La D800 se encuentra en un lugar único, que ofrece una calidad de imagen de formato casi medio en un paquete de aproximadamente 1/10 del costo. Para algunos estudios, no hay sustituto para el mejor, y utilizarán cámaras digitales de medio formato de $ 40,000 para brindar la percepción correcta a sus clientes. Sin embargo, para muchos otros estudios y para muchos fotógrafos de paisajes, la D800 es un sueño hecho realidad: un montón de megapíxeles Y un alto rango dinámico.
No, la carrera de megapíxeles definitivamente no ha terminado, y ciertamente no es innecesaria. La competencia en todos los frentes produce progreso en todos los frentes, y eso solo es algo bueno para el consumidor.
Potencial de mejora
Para ir un poco más profundo que mis conclusiones anteriores, hay más en la historia que simplemente que la competencia en todos los frentes es buena. Tecnológica, física y prácticamente, existen limitaciones que de hecho restringirán las ganancias potenciales a medida que continuamos aumentando el recuento de píxeles del sensor. Una vez que hayamos alcanzado esos límites, habrá que obtener ganancias útiles a un costo razonable en otro lugar. Dos áreas donde eso puede ocurrir serían la óptica y el software.
Limitaciones tecnológicas
Tecnológicamente, existen límites distintos en cuanto a cuánto puede mejorar el coeficiente intelectual. La fuente principal de degradación de la imagen en los sensores es el ruido, y hay una variedad de formas de ruido introducidas electrónicamente que pueden controlarse. Creo que Sony, con sus sensores Exmor, está muy cerca de alcanzar límites tecnológicos, si aún no lo han hecho. Han utilizado una variedad de patentes para reducir las fuentes de producción de ruido a nivel de hardware directamente en sus sensores. Las principales fuentes de ruido controlable son el ruido de corriente oscura , el ruido de lectura , ruido de patrón , el ruido no uniformidad , la conversión (o de cuantificación) de ruido , y el ruido térmico .
Tanto Sony como Canon usan CDS , o doble muestreo correlacionado , para reducir el ruido de la corriente oscura. El enfoque de Sony es un toque más eficiente, pero ambos utilizan esencialmente el mismo enfoque. El ruido de lectura es un subproducto de la amplificación debido a las fluctuaciones en la corriente a través del circuito. Hay una variedad de enfoques patentados y experimentales para detectar la variación de voltaje en un circuito y corregirlo durante la amplificación, para producir un resultado de lectura "más puro y preciso". Sony utiliza un enfoque patentado propio en los sensores Exmor, incluido el 36.3mp que se usa en el D800. Los otros dos tipos de ruido electrónico previo a la conversión son ruido de patrón y ruido de no uniformidad.. Estos son el resultado de discontinuidades en la respuesta y eficiencia del circuito.
El ruido de patrón es un aspecto fijo de cada uno de los transistores utilizados para construir un solo píxel del sensor y las puertas electrónicas utilizadas para iniciar la lectura y el vaciado de la señal. A nivel cuántico, es casi imposible hacer que cada transistor sea exactamente idéntico entre sí, y esto produce un patrón fijo de líneas horizontales y verticales en el ruido del sensor. En términos generales, el ruido de patrón es un contribuyente menor al ruido general, y solo es realmente un problema en regiones de SNR muy bajas o durante exposiciones muy largas. El ruido del patrón puede ser relativamente fácil de eliminar dado que aborda el problema correctamente. Se puede construir un "marco oscuro" promediando varias muestras juntas para crear una plantilla de patrón de ruido que se puede diferenciar con un marco de color para eliminar el ruido del patrón. Esto es esencialmente cómo funciona la eliminación de ruido de larga exposición, y también es cómo se puede eliminar manualmente el ruido de patrón fijo de exposiciones prolongadas. A nivel de hardware, el ruido de patrón fijo se puede mitigar mediante la grabación en una plantilla que invierte los efectos de FPN de modo que las diferencias se puedan sumar / restar en el tiempo de lectura, de forma similar a CDS, mejorando así la "pureza" de las lecturas de píxeles. Hoy en día, existe una variedad de enfoques experimentales para grabar en plantillas FPN, así como enfoques más abstractos.
El ruido de no uniformidad, a menudo llamado PRNU o no uniformidad de respuesta de píxeles, es el resultado de ligeras variaciones en la eficiencia cuántica (QE) de cada píxel. QE se refiere a una capacidad de píxeles para capturar fotones, y generalmente se califica como un porcentaje. La Canon 5D III, por ejemplo, tiene un QE del 47%, lo que indica que es lo suficientemente eficiente como para capturar regularmente el 47% de los fotones que alcanzan cada píxel. El QE real por píxel puede variar en +/- un par por ciento, lo que produce otra fuente de ruido, ya que cada píxel puede no capturar la misma cantidad de fotones que sus vecinos a pesar de recibir la misma cantidad de luz incidente. La PRNU también cambia con la sensibilidad, y esta forma de ruido puede exacerbarse a medida que aumenta el ISO. PRNU puede mitigarse normalizando la eficiencia cuántica de cada píxel, minimizando la variación entre vecinos y en toda el área del sensor. Se pueden lograr mejoras en la QE reduciendo la brecha entre los fotodiodos en cada píxel, la introducción de una o más capas de microlentes sobre cada píxel para refractar la luz incidente no fotodioda en el fotodiodo, y el uso de tecnología de sensor retroiluminado (que se mueve mucho o todo el cableado de lectura y los transistores detrás del fotodiodo, eliminando la posibilidad de que puedan obstruir los fotones incidentes y reflejarlos o convertirlos en energía térmica).
El ruido térmico es el ruido introducido por el calor. El calor es esencialmente solo otra forma de energía, y puede excitar la generación de electrones en un fotodiodo de manera muy similar a la de un fotón. El ruido térmico es causado directamente por la aplicación de calor, a menudo a través de componentes electrónicos calientes como un procesador de imagen o ADC. Se puede mitigar aislando térmicamente dichos componentes del sensor o enfriando activamente el sensor.
Finalmente hay ruido de conversión, o ruido de cuantización. Este tipo de ruido se genera debido a imprecisiones inherentes durante el ADC o la conversión de analógico a digital. Una ganancia no integral (una ganancia decimal con parte entera y fraccionaria) se aplica generalmente a la señal de imagen analógica leída desde el sensor al digitalizar una imagen. Dado que una señal analógica y una ganancia son números reales, el resultado digital (integral) de la conversión a menudo es inconsistente. Una ganancia de 1 produciría una ADU por cada electrón capturado por un píxel, sin embargo, una ganancia más realista podría ser 1.46, en cuyo caso podría obtener 1 ADU por electrón en algunos casos y 2 ADU por electrón en otros casos. Esta inconsistencia puede introducir ruido de conversión / cuantificación en la salida digital posterior al ADC. Esta contribución al ruido es bastante baja, y produce una desviación de ruido bastante fina de píxel a píxel. A menudo es bastante fácil de eliminar con la reducción de ruido de software.
La eliminación de formas electrónicas de ruido tiene el potencial de mejorar el punto negro y la pureza negra de una imagen. Cuantas más formas de ruido electrónico pueda eliminar o mitigar, mejor será su relación señal / ruido, incluso para niveles de señal muy bajos. Este es el principal frente en el que Sony ha progresado significativamente con sus sensores Exmor, lo que ha abierto la posibilidad de un verdadero rango dinámico de 14 paradas con una recuperación de sombras realmente impresionante. Esta es también el área principal donde muchas tecnologías de fabricación de sensores de la competencia están rezagadas, en particular los sensores Canon y de formato medio. Los sensores de Canon en particular tienen niveles de ruido de lectura muy altos, niveles más bajos de normalización de QE, QE más bajo en general y solo usan CDS para mitigar el ruido de corriente oscura en sus sensores. Esto da como resultado un rango dinámico general mucho más bajo,
Una vez que todas las formas de ruido electrónico se mitiguen a niveles donde ya no importen, habrá pocos fabricantes que puedan hacer para mejorar dentro de los sensores. Una vez que se alcanza este punto, lo único que realmente importará desde un punto de vista de eficiencia cuántica por píxel es el área de píxeles ... y con características electrónicas casi perfectas, probablemente podríamos soportar tamaños de píxeles considerablemente más pequeños que los sensores DSLR de mayor densidad hoy (que sería la Nikon D800 con sus píxeles de 4,6 micras, la Canon 7D con sus píxeles de 4,3 micras y, finalmente, la Nikon D3200 con píxeles de 3,8 micras). Los sensores de los teléfonos celulares usan píxeles alrededor del tamaño de 1 micra, y han demostrado los píxeles son viables y pueden producir un coeficiente intelectual bastante decente. La misma tecnología en una DSLR podría ir aún más lejos con la máxima reducción de ruido,
Limitaciones físicas
Más allá de las limitaciones tecnológicas para la perfección de la calidad de imagen, existen algunas limitaciones físicas. Las dos limitaciones principales son el ruido de fotones y la resolución espacial . Estos son aspectos de la realidad física y son cosas sobre las que realmente no tenemos mucho control. No pueden mitigarse con mejoras tecnológicas, y están (y han estado) presentes independientemente de la calidad de nuestro equipo.
Ruido de fotones o disparo de fotonesruido, es una forma de ruido debido a la naturaleza inherentemente impredecible de la luz. En un nivel cuántico, no podemos predecir exactamente qué píxel podría golpear un fotón, o con qué frecuencia los fotones podrían golpear un píxel y no otro. Podemos adaptar aproximadamente los ataques de fotones a una curva de probabilidad, pero nunca podemos hacer que el ajuste sea perfecto, por lo que los fotones de una fuente de luz uniforme nunca se distribuirán perfecta y uniformemente sobre el área de un sensor. Este aspecto físico de la realidad produce la mayor parte del ruido que encontramos en nuestras fotografías, y la amplificación de esta forma de ruido por los amplificadores del sensor es la razón principal por la que las fotos se vuelven más ruidosas en configuraciones ISO más altas. Las relaciones señal / ruido más bajas significan que hay menos rango de señal total dentro del cual capturar y amplificar fotones, por lo tanto, una SNR más alta puede ayudar a mitigar los efectos del ruido de fotones y ayudarnos a lograr configuraciones ISO más altas ... sin embargo, el ruido de fotones en sí mismo no se puede eliminar y siempre será una limitación en el coeficiente intelectual de la cámara digital. El software puede desempeñar un papel en la minimización del ruido de disparo de fotones, y como hay cierta previsibilidad en la luz, los algoritmos matemáticos avanzados pueden eliminar la gran mayoría de esta forma de ruido después de que una foto se haya tomado e importado en formato RAW. La única limitación real aquí sería la calidad, precisión y precisión del software de reducción de ruido. Los algoritmos matemáticos avanzados pueden eliminar la gran mayoría de esta forma de ruido después de que una foto ha sido tomada e importada en formato RAW. La única limitación real aquí sería la calidad, precisión y precisión del software de reducción de ruido. Los algoritmos matemáticos avanzados pueden eliminar la gran mayoría de esta forma de ruido después de que una foto ha sido tomada e importada en formato RAW. La única limitación real aquí sería la calidad, precisión y precisión del software de reducción de ruido.
La resolución espacial es otro aspecto físico de las imágenes bidimensionales con las que tenemos que trabajar. Las frecuencias espaciales, o formas de onda bidimensionales de luminosidad variable, son una forma de conceptualizar la imagen proyectada por una lente y grabada por un sensor. La resolución espacial describe la escala de estas frecuencias y es un atributo fijo de un sistema óptico. Cuando se trata de sensores, la resolución espacial es una consecuencia directa del tamaño del sensor y la densidad de píxeles.
La resolución espacial a menudo se mide en pares de líneas por milímetro (lp / mm) o ciclos por milímetro. El D800 con sus píxeles de 4,3 micras, o 4912 filas de píxeles en 24 mm de altura del sensor, es capaz de 102,33 lp / mm. Curiosamente, la Canon 7D, con sus 3456 filas de píxeles en 14.9 mm de altura del sensor, es capaz de 115.97 lp / mm ... una resolución más alta que la D800. Del mismo modo, la Nikon D3200 con 4000 filas de píxeles en 15,4 mm de altura del sensor será capaz de 129,87 lp / mm. Tanto el 7D como el D3200 son APS-C, o sensores de marco recortado ... más pequeños en dimensiones físicas que el sensor de marco completo del D800. Si siguiéramos aumentando el número de megapíxeles en un sensor de fotograma completo hasta que tuvieran el mismo tamaño de píxel que el D3200 (3,8 micras) podríamos producir un sensor de 9351x6234 píxeles, o 58.3mp. Podríamos llevar este pensamiento al extremo, y suponga que es posible producir un sensor DSLR de fotograma completo con el mismo tamaño de píxel que el sensor en el iPhone 4 (que es conocido por tomar algunas fotos muy buenas con IQ que, aunque no tan bueno como el de una DSLR, es más que aceptable), que es 1.75 micras. ¡Eso se traduciría en un sensor de 20571x13714 píxeles, o 282.1mp! Tal sensor podría tener una resolución espacial de 285.7 lp / mm, un número que, como verá en breve, tiene una aplicabilidad limitada.
La verdadera pregunta es si tal resolución en un factor de forma DSLR sería beneficiosa. La respuesta a eso es potencialmente. La resolución espacial de un sensor representa un límite superior de lo que podría ser posible con toda la cámara, suponiendo que tuviera una lente correspondiente capaz de producir suficiente resolución para maximizar el potencial del sensor. Las lentes tienen sus propias limitaciones físicas inherentes a la resolución espacial de las imágenes que proyectan, y esas limitaciones no son constantes ... varían con la apertura, la calidad del vidrio y la corrección de la aberración. La difracción es otro atributo físico de la luz que reduce la resolución potencial máxima a medida que pasa a través de una abertura cada vez más estrecha (en el caso de una lente, esa abertura es la abertura). Aberraciones ópticas, o imperfecciones en la refracción de la luz por una lente, son otro aspecto físico que reduce la resolución potencial máxima. A diferencia de la difracción, Las aberraciones ópticas aumentan a medida que se amplía la apertura. La mayoría de las lentes tienen un "punto óptimo" en cuyo punto los efectos de las aberraciones ópticas y la difracción son aproximadamente equivalentes, y la lente alcanza su máximo potencial. Una lente "perfecta" es una lente que no tiene ninguna aberración óptica de ningún tipo, y por lo tantoDifracción limitada . Las lentes a menudo se convierten en difracción limitada alrededor de aproximadamente f / 4.
La resolución espacial de una lente está limitada por la difracción y las aberraciones, y a medida que aumenta la difracción a medida que se detiene la apertura, la resolución espacial se reduce con el tamaño de la pupila de entrada. En f / 4, la resolución espacial máxima de una lente perfecta es 173 lp / mm. En f / 8, una lente de difracción limitada es capaz de 83 lp / mm, que es casi lo mismo que la mayoría de las DSLR de fotograma completo (excluyendo la D800), que van desde aproximadamente 70-85 lp / mm. Con f / 16, una lente de difracción limitada es capaz de apenas 43 lp / mm, la mitad de la resolución de la mayoría de las cámaras de fotograma completo y menos de la mitad de la resolución de la mayoría de las cámaras APS-C. Más ancho que f / 4, para una lente que aún se ve afectada por aberraciones ópticas, la resolución puede caer rápidamente a 60 lp / mm o menos, y tan baja como 25-30 lp / mm para cebadores ultra rápidos de ángulo amplio f / 1.8 o más rápidos . Volviendo a nuestra teoría 1. Sensor de 75 micras de píxeles 282mp FF ... sería capaz de una resolución espacial de 285 lp / mm. Necesitaría una lente f / 2.4 perfecta, limitada por difracción para lograr esa resolución espacial. Tal lente requeriría una corrección de aberración extrema, lo que aumentaría enormemente el costo. Existen algunas lentes que pueden lograr características casi perfectas en aperturas aún más anchas (una lente especializada de Zeiss viene a la mente que supuestamente es capaz de aproximadamente 400 lp / mm, lo que requeriría una apertura de aproximadamente f / 1.6-f / 1.5), Sin embargo, son raros, altamente especializados y extremadamente caros. Es mucho más fácil lograr la perfección en torno a f / 4 (si las últimas décadas de producción de lentes son una pista), lo que indica que la resolución máxima viable y rentable para una lente es de aproximadamente 173 lp / mm o un toque menos. Sería capaz de una resolución espacial de 285 lp / mm. Necesitaría una lente f / 2.4 perfecta, limitada por difracción para lograr esa resolución espacial. Tal lente requeriría una corrección de aberración extrema, lo que aumentaría enormemente el costo. Existen algunas lentes que pueden lograr características casi perfectas en aperturas aún más anchas (una lente especializada de Zeiss viene a la mente que supuestamente es capaz de aproximadamente 400 lp / mm, lo que requeriría una apertura de aproximadamente f / 1.6-f / 1.5), Sin embargo, son raros, altamente especializados y extremadamente caros. Es mucho más fácil lograr la perfección en torno a f / 4 (si las últimas décadas de producción de lentes son una pista), lo que indica que la resolución máxima viable y rentable para una lente es de aproximadamente 173 lp / mm o un toque menos. Sería capaz de una resolución espacial de 285 lp / mm. Necesitaría una lente f / 2.4 perfecta, limitada por difracción para lograr tanta resolución espacial. Tal lente requeriría una corrección de aberración extrema, lo que aumentaría enormemente el costo. Existen algunos lentes que pueden lograr características casi perfectas en aperturas aún más anchas (un lente especializado de Zeiss viene a la mente que supuestamente es capaz de aproximadamente 400 lp / mm, lo que requeriría una apertura de aproximadamente f / 1.6-f / 1.5), Sin embargo, son raros, altamente especializados y extremadamente caros. Es mucho más fácil lograr la perfección alrededor de f / 4 (si las últimas décadas de producción de lentes son una pista), lo que indica que la resolución máxima viable y rentable para una lente es de aproximadamente 173 lp / mm o un toque menos. 4 lentes para lograr esa resolución espacial. Tal lente requeriría una corrección de aberración extrema, lo que aumentaría enormemente el costo. Existen algunos lentes que pueden lograr características casi perfectas en aperturas aún más anchas (un lente especializado de Zeiss viene a la mente que supuestamente es capaz de aproximadamente 400 lp / mm, lo que requeriría una apertura de aproximadamente f / 1.6-f / 1.5), Sin embargo, son raros, altamente especializados y extremadamente caros. Es mucho más fácil lograr la perfección alrededor de f / 4 (si las últimas décadas de producción de lentes son una pista), lo que indica que la resolución máxima viable y rentable para una lente es de aproximadamente 173 lp / mm o un toque menos. 4 lentes para lograr esa resolución espacial. Tal lente requeriría una corrección de aberración extrema, lo que aumentaría enormemente el costo. Existen algunos lentes que pueden lograr características casi perfectas en aperturas aún más anchas (un lente especializado de Zeiss viene a la mente que supuestamente es capaz de aproximadamente 400 lp / mm, lo que requeriría una apertura de aproximadamente f / 1.6-f / 1.5), Sin embargo, son raros, altamente especializados y extremadamente caros. Es mucho más fácil lograr la perfección alrededor de f / 4 (si las últimas décadas de producción de lentes son una pista), lo que indica que la resolución máxima viable y rentable para una lente es de aproximadamente 173 lp / mm o un toque menos. Existen algunos lentes que pueden lograr características casi perfectas en aperturas aún más anchas (un lente especializado de Zeiss viene a la mente que supuestamente es capaz de aproximadamente 400 lp / mm, lo que requeriría una apertura de aproximadamente f / 1.6-f / 1.5), Sin embargo, son raros, altamente especializados y extremadamente caros. Es mucho más fácil lograr la perfección alrededor de f / 4 (si las últimas décadas de producción de lentes son una pista), lo que indica que la resolución máxima viable y rentable para una lente es de aproximadamente 173 lp / mm o un toque menos. Existen algunos lentes que pueden lograr características casi perfectas en aperturas aún más anchas (un lente especializado de Zeiss viene a la mente que supuestamente es capaz de aproximadamente 400 lp / mm, lo que requeriría una apertura de aproximadamente f / 1.6-f / 1.5), Sin embargo, son raros, altamente especializados y extremadamente caros. Es mucho más fácil lograr la perfección alrededor de f / 4 (si las últimas décadas de producción de lentes son una pista), lo que indica que la resolución máxima viable y rentable para una lente es de aproximadamente 173 lp / mm o un toque menos.
Cuando tenemos en cuenta las limitaciones físicas en la ecuación de cuándo terminará la carrera de megapíxeles, encontramos que (suponiendo una perfección casi tecnológica) la resolución más rentable es de 173 lp / mm. Se trata de un sensor APS-C de fotograma completo de 103mp o 40mp. Cabe señalar que empujar la resolución del sensor tan alto solo verá los beneficios en una banda de apertura cada vez más estrecha alrededor de aproximadamente f / 4, donde el rendimiento del objetivo es óptimo. Si la corrección de las aberraciones ópticas se vuelve más fácil, es posible que podamos lograr resoluciones más altas, empujando 200 lp / mm, pero nuevamente, tales resoluciones solo serían posibles en o cerca de la apertura máxima, mientras que en todas las otras aberturas, la resolución general de su la cámara será más baja, potencialmente mucho más baja de lo que el sensor mismo es capaz de hacer.
Entonces, ¿cuándo termina la carrera de megapíxeles?
Contestar esta pregunta no es realmente algo que creo que alguien esté calificado para responder. En última instancia, es una elección personal y dependerá de una variedad de factores. Es posible que algunos fotógrafos siempre quieran el potencial que los sensores de mayor resolución pueden ofrecer en la apertura ideal, siempre que estén fotografiando escenas con detalles cada vez más finos que requieren tal resolución. Otros fotógrafos pueden preferir la percepción mejorada de la nitidez que se logra al mejorar las características de los sensores de baja resolución. Para muchos fotógrafos, creo que la carrera de megapíxeles ya ha terminado, con alrededor de 20mp en un paquete DSLR FF es más que suficiente. Aún más, muchos fotógrafos ven la calidad de imagen en una luz completamente diferente, prefiriendo la velocidad de fotogramas y la capacidad de capturar más fotogramas de forma continua a una resolución más baja para su éxito como fotógrafo. En tales casos, muchos fanáticos de Nikon han indicado que alrededor de 12mp es más que suficiente siempre que puedan capturar 10 fotogramas por segundo con una claridad nítida.
Tecnológica y físicamente, todavía hay una enorme cantidad de espacio para crecer y continuar obteniendo ganancias en términos de megapíxeles y resolución. Donde la carrera nos termina a ti. La diversidad de opciones en la mesa nunca ha sido tan alta como hoy, y usted es libre de elegir la combinación de resolución, tamaño del sensor y capacidades de la cámara como AF, ISO y DR que se adapten a sus necesidades.
