Más allá de los megapíxeles: lo que realmente determina la resolución de la lente de la cámara
Hay una especificación que aparece en casi todas las hojas de datos de las cámaras modernas:
Megapíxeles.
5 megapíxeles. 8 megapíxeles. 12 megapíxeles. 24 megapíxeles.
El número es fácil de entender, fácil de comparar y muy fácil de comercializar.
Pero si ha dedicado suficiente tiempo a desarrollar sistemas de cámaras, eventualmente se encontrará con una pregunta incómoda:
¿Puede la lente ser real?¿Resolver correctamente lo que el sensor es capaz de captar?
Aquí es donde las cosas se ponen más interesantes.
Un sensor de 8MP no le brinda automáticamente una imagen con calidad de 8MP. El sensor proporciona la capacidad de muestreo, pero la lente debe ofrecer suficientes detalles ópticos para que esos píxeles sean útiles.
En otras palabras, una cámara no es una competencia entre sensores de megapíxeles.
Es un sistema.
Y la lente es una de las partes más importantes de ese sistema.
Resolución del sensor frente a resolución óptica
Comencemos con una distinción simple.
Resolución del sensorDescribe cuántos píxeles tiene el sensor.
Resolución ópticadescribe cuánto detalle espacial la lente puede realmente reproducir.
Estas dos especificaciones están relacionadas, pero no son lo mismo.
Imagínese fotografiar una matrícula lejana.
Un sensor de 8MP puede tener muchos píxeles disponibles para grabar la placa. Pero si la lente produce una imagen borrosa y de bajo contraste, esos píxeles no pueden reconstruir mágicamente los personajes.
Es posible que termines con más píxeles que describen el desenfoque.
Eso no es lo mismo que más detalles.
Esta es la razón por la que simplemente colocar un sensor de alta resolución detrás de una lente vieja o mal adaptada puede producir resultados decepcionantes.
El sensor puede ser nuevo.
Puede que la imagen no lo sea.
El tamaño de píxel cambia el desafío óptico
Otro factor que los ingenieros deben considerar cada vez más es el tamaño de los píxeles.
A medida que avanza la tecnología de sensores, los fabricantes pueden colocar más píxeles en la misma área física.
Eso suena como una mejora obvia.
Pero hay una compensación.
Los píxeles más pequeños significan que es posible que el sistema óptico necesite reproducir detalles más finos para aprovechar al máximo el sensor.
Por ejemplo, una cámara que utiliza un tamaño de píxel relativamente grande puede exigir menos a la lente que un sensor con píxeles extremadamente pequeños y una densidad de píxeles mucho mayor.
Esto crea una pregunta importante durante el desarrollo de la cámara:
¿La resolución de la lente es lo suficientemente alta para el tamaño de píxeles del sensor?
Es posible que una lente que funcionó perfectamente bien con un sensor más antiguo no ofrezca automáticamente el mismo rendimiento práctico cuando se combina con un sensor más nuevo y más denso.
Esta es una de las razones por las que la selección de la lente debe realizarse junto con la selección del sensor en lugar de tratar la lente como una ocurrencia tardía.
Por qué MTF es más importante que una etiqueta de megapíxeles
Si desea comprender la resolución óptica real, eventualmente necesitará hablar sobreMTF: función de transferencia de modulación.
La terminología suena intimidante.
La idea básica no lo es.
MTF describe qué tan bien un sistema óptico conserva el contraste en diferentes niveles de detalle.
Piense en fotografiar una serie de líneas en blanco y negro cada vez más finas.
En patrones grandes y fáciles de ver, casi cualquier lente decente puede reproducirlos.
A medida que las líneas se vuelven más finas, la lente pierde contraste gradualmente.
Un potente sistema óptico mantiene un contraste útil incluso en el rango de detalles finos.
Eso es lo que MTF ayuda a evaluar a los ingenieros.
Es por eso que una especificación de lentes seria no debe limitarse a:
“Soporta 8MP.”
Una mejor evaluación pregunta:
¿Cuál es el desempeño del MTF?
¿A qué frecuencias espaciales?
¿Cómo se desempeña en el centro?
¿Qué sucede hacia el borde?
¿El rendimiento se mantiene estable en la apertura prevista?
Esas preguntas le dicen mucho más sobre el sistema óptico real.
La resolución del centro no es toda la historia
Una de las formas más sencillas de hacer que una lente luzca impresionante es mostrar una imagen central muy nítida.
El problema es que las cámaras no sólo fotografían el centro.
Las cámaras de seguridad de gran angular, las cámaras de automóviles, las cámaras de drones y los sistemas robóticos a menudo dependen en gran medida de la información de la imagen periférica.
Una lente puede ofrecer una excelente nitidez central pero un rendimiento notablemente más débil cerca de los bordes.
Esto puede afectar:
Detección de objetos
Reconocimiento facial
Reconocimiento de vehículos
Comprensión de la escena
Inspección por visión artificial
Por ejemplo, una cámara de seguridad que vigila un estacionamiento puede tener un vehículo entrando cerca del borde de la imagen.
Si el centro se ve fantástico pero los bordes son suaves, la impresionante especificación de resolución de la cámara no cuenta toda la historia.
Para los ingenieros, la pregunta más útil es:
¿Qué tan uniformemente funciona la lente en la imagen?
Las aberraciones roban silenciosamente los detalles
Las aberraciones ópticas son otra razón por la que una cámara de muchos megapíxeles puede no ofrecer la calidad de imagen esperada.
Los problemas comunes incluyen:
Aberración esférica
Aberración cromática
Coma
Astigmatismo
Curvatura de campo
No es necesario ser diseñador óptico para comprender el resultado.
La consecuencia práctica es simple:
Los detalles se vuelven menos precisos.
Los bordes pueden perder contraste. Las estructuras finas pueden aparecer coloreadas o manchadas. Las esquinas pueden volverse más suaves.
Por lo tanto, el diseño óptico moderno implica mucho más que elegir una distancia focal y una apertura.
El sistema óptico tiene que equilibrar múltiples factores simultáneamente.
La distorsión también es un problema de calidad de la imagen
A veces la distorsión se trata como un problema puramente visual.
No siempre es así.
Para una fotografía informal, las líneas rectas y curvas pueden parecer simplemente poco atractivas.
Para aplicaciones de visión artificial o inteligencia artificial, la geometría puede ser importante.
Una lente gran angular con una distorsión significativa puede hacer que los objetos cerca del borde parezcan muy diferentes de su forma y posición reales.
Esto no significa que todas las aplicaciones necesiten una distorsión ultrabaja.
Es razonable que una cámara de seguridad acepte cierta distorsión a cambio de un campo de visión mucho más amplio.
Un sistema de medición industrial puede que no.
Una vez más, la ingeniería óptica se trata de compensaciones.
La "mejor" lente depende de lo que se supone que debe hacer la cámara.
Por qué la “lente de 8MP” es una descripción incompleta
Este es quizás el punto más importante.
La frase “lente de 8MP“Es útil para marketing, pero técnicamente incompleto.
La resolución está influenciada por la relación entre:
Lente
Sensor
Tamaño de píxel
Apertura
Círculo de imagen
CRA
Procesamiento de imágenes
Condiciones de iluminación
Una lente no existe de forma aislada.
Una lente en particular puede funcionar muy bien con un sensor y menos efectiva con otro porque los requisitos ópticos han cambiado.
Esta es la razón por la que los ingenieros de cámaras experimentados suelen preguntar por el modelo del sensor y los requisitos ópticos antes de aprobar un objetivo.
Un proveedor que inmediatamente dice "Sí, este lente admite 8MP" sin preguntar nada más puede estar respondiendo a la pregunta de ventas en lugar de a la pregunta de ingeniería.
Entonces, ¿cómo deberían los ingenieros evaluar una lente de alta resolución?
En lugar de empezar con megapíxeles, recomiendo empezar con la aplicación.
Preguntar:
1. ¿Qué sensorse utilizará?
El formato del sensor y el tamaño de píxel establecen los requisitos ópticos.
2. ¿Qué campo de visión se requiere?
Un diseño de gran angular presenta desafíos diferentes a los de una lente de ángulo estrecho.
3. ¿Qué nivel de detalle importa realmente?
Una cámara de seguridad que identifica a una persona a varios metros de distancia tiene requisitos diferentes a los de una cámara de visión artificial que inspecciona un componente diminuto.
4. ¿Qué importancia tiene el rendimiento de vanguardia?
Para muchos sistemas de gran angular, esto es fundamental.
5. ¿Qué sucede en la apertura prevista?
Una lente puede funcionar de manera diferente cuando se opera completamente abierta en comparación con cuando se detiene.
6. ¿Qué muestran los datos del MTF?
Esto proporciona información mucho más útil que una sola etiqueta de megapíxeles.
El verdadero significado de "alta resolución"
Una lente de alta resolución no es simplemente una lente con un número alto impreso al lado.
Es un sistema óptico que puede reproducir detalles finos con suficiente contraste, en todo el campo de imagen requerido, en las condiciones operativas previstas.
Ése es un problema de ingeniería mucho más difícil.
Y sinceramente, es por eso que dos lentes con especificaciones aparentemente similares pueden tener precios muy diferentes.
No estás simplemente pagando por más vidrio.
Usted paga por el diseño óptico, las tolerancias, los materiales, la precisión de fabricación, el recubrimiento, el ensamblaje y las pruebas.
En Boshi Optics, se desarrollan soluciones ópticas para aplicaciones que van desde vigilancia de seguridad e imágenes de automóviles hasta imágenes médicas, dispositivos inteligentes y otros sistemas de cámaras. La cartera de productos de la empresa incluye lentes con diferentes formatos de sensor, resoluciones, campos de visión, aperturas y estructuras ópticas, lo que refleja la realidad de que no existe un “mejor” lente para cada cámara.
Pensamiento final: deje de contar píxeles, comience a mirar información
Los megapíxeles son útiles.
Te dicen cuántos píxeles puede proporcionar un sensor.
Pero no dicen cuánta información útil puede entregar el sistema óptico a esos píxeles.
Es por eso que los ingenieros experimentados miran más allá del número en la caja de la cámara.
Miran a MTF.
Miran el tamaño de los píxeles.
Observan el rendimiento de centro a borde.
Observan aberraciones, distorsión, iluminación y compatibilidad de sensores.
Lo más importante es que miran la imagen real.
Porque al final los clientes no compran 8 millones de píxeles.
Compran los detalles que se supone que deben mostrar esos píxeles.
