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Nikon D610 (II)…, o la utilidad de la MTF del Sistema

F10
Borde inclinado captado con un sistema cámara/objetivo para la determinación de la MTF del sistema, (click on the image for a larger view).

Tal como anunciaba en el post anterior, Nikon D610 (I), mostraré ahora resultados de calidad de imagen de la cámara que recientemente he adquirido.

Antes de pasar a los datos, quiero comentar algunas consideraciones al respecto. Las medidas de calidad comparativas entre instrumentos serían extremadamente útiles si se pudiesen realizar antes de la decisión de compra. Como esto, en términos generales, no es posible, mi opción es la de elegir el modelo que, a priori, satisface mejor mis necesidades técnicas siempre dentro de las posibilidades económicas. A continuación, una vez adquirida la cámara, se realizan una serie de ensayos para conocer las características del nuevo instrumento y poner a punto las medidas de procesado de imagen que conduzcan a la obtención de la calidad de imagen deseada o en la medida de lo posible y en cada caso, la mejor que pueda proporcionar el sistema. Como ya he comentado en otras ocasiones, más que aspirar a las prestaciones de un equipo de alta gama, prefiero conocer qué puedo esperar del equipo que puedo permitirme. Otra forma de ver la cuestión consiste en preguntarse si para el trabajo que uno realiza y el propio nivel de conocimiento es necesario ese equipo de alta gama. En resumen, estas comprobaciones se orientan a:

  • Medir las capacidades absolutas de la nueva herramienta.
  • Comparar los resultados con los del instrumento utilizado hasta la fecha, del que ya se tiene una buena experiencia.
  • Analizar y comprobar de que modo las prestaciones del nuevo instrumento pueden contribuir a mejorar la calidad de mis imágenes.

Si se llevan a cabo estas mediciones, suele apreciarse como de hecho y a partir de determinado segmento de mercado no hay malos instrumentos, sino diferentes comportamientos que a menudo pueden hacerse confluir a un mismo nivel de resultado en términos de calidad de imagen. Huelga decir que, en este caso, estas comprobaciones se orientan a necesidades personales que no tienen porque ser exportables al trabajo de otros fotógrafos o a otros ámbitos de aplicación de la fotografía.

Para este cometido, una buena herramienta y relativamente fácil de utilizar es la medición de la MTF del sistema objetivo/cámara para todas las aberturas de diafragma disponibles por el método del borde inclinado (Slanted Edge Method) que se puede llevar a cabo con el programa ImageJ y el plug in desarrollado para el mismo SE_MTF_2xNyquist. En este caso y para poder hacer las debidas comparaciones, se hace la misma serie de tomas con una misma óptica y los cuerpos de la anterior D700 y la nueva D610. Para ello, es crucial elegir un objetivo cuya calidad no se pueda considerar una variable de la medición. Como ya comenté en post anteriores (Nikon D700, Nikon D800 y Más Cuestiones), un problema de calidad de objetivo puede causar efectos distintos en sensores también distintos.

Para evitar el riesgo mencionado, se escoge en este caso el Nikon Micro Nikkor 55mm f/3.5 ya que del mismo, aislado y sin un sensor de por medio, se dispone de datos fiables de rendimiento. Este objetivo, después de sendas mediciones de poder de resolución (RP) y MTF a sus distintas aperturas, muestra un comportamiento prácticamente limitado sólo por la difracción. Un objetivo con estas características no sólo presenta una gran calidad de imagen a todas las aberturas sino que a las más grandes envía al sensor un nivel de frecuencia que pone a prueba la eficacia del filtro anti-aliasing o LPF (low pass filter).

El RP del objetivo se midió en el Image Quality Laboratory del CITM de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), mediante la observación con un microscopio de 100aumentos de la imagen aérea formada por el objetivo a partir de una mira de resolución USAF1951. La MTF del mismo a las respectivas aberturas de diafragma se determinó a partir del análisis del frente de onda en la pupila de entrada con una aberrómetro de Hartmann-Shack gracias a la gentileza del profesor Fidel Vega del Departament d’Òptica i Optometria de la UPC. Las mediciones resultantes se muestran en los respectivos gráficos de la Fig. 1, poder de resolución, y Fig. 2, MTF del objetivo.

RP_McNikkor55mm
Figura 1. Poder de resolución del objetivo Nikon Micro Nikkor 55mm f/3.5 (azul) frente al límite marcado por la difracción (naranja). La medición se realizó sobre el eje y a las aberturas de diafragma enteras disponibles, (click on the image for a larger view).

Como puede observarse en el gráfico de la Figura1, el rendimiento en resolución del mencionado objetivo (azul) está siempre prácticamente en el límite marcado por la difracción (naranja) para cada abertura de diafragma.

MTF_McNikkor55mm
Figura 2. Conjunto de MTF a todas las aberturas de diafragma enteras disponibles de un objetivo Nikon Micro Nikkor 55mm f/3.5, (click on the image for a larger view).

De las cifras de resolución alcanzadas, tanto en el gráfico de poder de resolución (Fig. 1) como en el de MTF del objetivo (Fig. 2), se deduce que con la NiKon D700 se puede cerrar el diafragma hasta f/22 sin que ello limite la resolución del sistema (59lp/mm) ya que a esa abertura la difracción limita la resolución a 63lp/mm en el caso del Micro Nikkor utilizado. De los datos mostrados por ambos gráficos se deriva también que con la Nikon D610 esta limitación se produce a f/16. Estos resultados se confirman en los conjuntos de MTF de ambas cámaras equipadas con este mismo objetivo (Fig. 3 y 4).

MTF_D700
Figura 3. Conjunto de MTF de la Nikon D700 equipada con el objetivo Micro Nikkor 55mm f/3.5, (click on the image for a larger view).
MTF_D610
Figura 4. Conjunto de MTF de la Nikon D610 equipada con el objetivo Micro Nikkor 55mm f/3.5, (click on the image for a larger view).

De ambos conjuntos de MTF se puede deducir que:

    • Los filtros LPF de ambas cámaras cumplen perfectamente con su cometido. Ningún trazado llega al 10% de contraste en la frecuencia límite. Aún así, en el caso de la D700 la extinción del contraste sólo desciende por debajo del 5% para las aberturas f/22 y f/32, mientras que en la D610 este 5% de retención de contraste no se conserva en ninguna abertura.
    • Por lo tanto, la resolución efectiva de la D610 oscila entre 61 y 72lp/mm frente a sus 83lp/mm teóricos, dependiendo de la abertura. Este es un comportamiento típico de los sensores con un valor de pitch < 6µm que ya se observó en el anterior post Nikon D700, Nikon D800 y Más Cuestiones. A diferencia de los resultados de la D800 analizada en el post mencionado, en el caso de la D610 ninguna MTF desciende completamente a cero.
    • Como era de prever, en ambas cámaras el uso de la abertura f/32 limita el poder de resolución del sistema al del objetivo que como se deduce de los gráficos de las Fig. 1 y 2 es de sólo 45lp/mm, cifra por debajo del límite de resolución de ambas cámaras.

Como las dos cámaras tienen resoluciones límite (frecuencias de Nyquist) distintas, resulta más interesante comparar resultados en unidades absolutas (lp/mm) en un mismo gráfico. Para evitar la complejidad de interpretación que podría suponer juntar en un mismo gráfico el trazado de las catorce MTF, se comparan las de ambas cámaras con el objetivo cerrado a f/11 y el resultado es el que se muestra en la Fig. 5.

La elección de f/11 obedece al intento de minimizar en la medida de lo posible la influencia del objetivo. En este caso,  f/11 es una abertura suficientemente pequeña como para eliminar cualquier aberración residual, aunque improbable en este caso dados los resultados de RP y MTF mostrados anteriormente, a la vez que no demasiado pequeña como para que la tasa de difracción comprometa la resolución del conjunto objetivo/sensor. Según los gráficos de las Fig. 1 y 2, a  f/11 el Micro Nikkor 55mm f/3.5 resuelve 126lp/mm, cifra superior a los límites de resolución de ambas cámaras (59lp/mm para la D700 y 83lp/mm para la D610). Esta abertura,  f/11, garantiza también una profundidad de campo suficiente como para absorber pequeñas inconsistencias de precisión de enfoque en los módulos AF de ambas cámaras.

MTF_D700vsD610_f11
Figura 5. MTF de las cámaras Nikon D700 y D610 equipadas ambas con el objetivo Nikon Micro Nikkor 55mm f/3.5 cerrado a f/11, (click on the image for a larger view).

En la comparación de la Figura 5 se aprecia que a pesar del tamaño inferior de sus foto-receptores, la D610 presenta mejor contraste a todas las frecuencias coincidentes con la D700. Como ya se comentó anteriormente, más allá y hasta su límite de resolución el contraste sigue descendiendo quedando la resolución útil (≥ 5%) limitada a unos 72lp/mm.

A la vista de los resultados y de los datos que reflejan los diferentes gráficos, la conclusión es clara: Aún reduciendo el tamaño de los foto-receptores a 5.98µm frente a los 8.45µm de la D700, la gestión del ruido y el procesador de una cámara 6 años más joven consiguen mejor o igual retención de contraste hasta 72lp/mm, bastante más allá de los 59lp/mm que se podían resolver con la D700, aunque algo por debajo de su resolución teórica (83lp/mm). En términos de calidad de imagen es un resultado bastante superior en la medida que permite, frente a una misma escena, retener mejor contraste para detalles más pequeños que con la cámara anterior. Por otro lado, los detalles del mismo tamaño que pueden captarse con ambas cámaras se resuelven en la D610 con hasta algo más de un 10% de contraste añadido en algunos casos, extremo que facilita enormemente el procesado posterior de la imagen sobre todo a partir de archivos raw lineales que por esta razón suelen mostrar falta de contraste a cambio de un mayor rango dinámico. En el siguiente post comentaré el interés de relacionar y utilizar estos métodos de medida y sus resultados en el control de la calidad percibida en las imágenes finales.

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Nikon D610 (I)

D610Después de seis años tomando imágenes con una Nikon D700 y las ópticas Nikkor manuales de la etapa de soporte en película, 24mm f/2.8, 35mm f/2.8, 55mm MicroNikkor f/3.5 y 135mm f/2.8, he adquirido un nuevo cuerpo de cámara. Aunque mi elección inicial se decantaba por la D4 o D4S y mantener el conjunto de ópticas,  su precio ha hecho que me decida finalmente por la D610 utilizando, como es lógico, el mismo conjunto de ópticas. De hecho, la D610 sigue siendo la opción denominada “segundo cuerpo” tanto para las D3 como para las D4. Si la D700 lo fue en su momento, la D610 aporta, entre otras ventajas, la posibilidad de grabar cine digital. Para los que no tenemos ningún cliente y los consiguientes encargos que se supone costean nuestro equipo, la opción del segundo cuerpo es siempre económicamente menos dolorosa.

Al margen de algunas prestaciones mejoradas aunque sólo sea por el paso de los años, en una primera toma de contacto el cuerpo de la D610 parece estar más lejos de las D3 y D4 de lo que lo estuvo la D700 respecto de las D3. Aunque también es verdad que el coste ha bajado en términos relativos respecto al precio inicial de la D700 y que sólo la incorporación de la posibilidad del cine digital ya justifican su aparición. Esta sensación puede estar también influenciada por una mayor ligereza y compacidad. Como es inevitable para un usuario de un modelo anterior, la primera inspección tiende a buscar cómo resuelve la nueva cámara las prestaciones o ajustes que uno más utiliza en el tipo de imágenes que toma. En mi caso y centrándome en la toma de paisaje, este es el repaso a las funciones y accesorios de uso más habitual:

  • Programación de datos de objetivos sin CPU. Se trata del mismo procedimiento que en la D700, sencillo, rápido de programar y atribuible al clásico botón Fn o al de control de la Profundidad de Campo, a elección. Como novedad, existe ahora la posibilidad de programar una longitud focal de 25mm, focal que no se corresponde con ningún objetivo fabricado por Nikon pero sí con los nuevos Distagon de Carl Zeiss para Canon y Nikon. Sigue echándose en falta la posibilidad de programar las longitudes focales que resultan de acoplar un duplicador de focal a los diferentes objetivos. Un duplicador acoplado, por ejemplo, a un 135mm, da como resultado un 270mm, cifra que no está prevista en el listado disponible. Debe elegirse pues entre mantener la longitud focal original o seleccionar la más cercana de las disponibles, 300mm en este caso. Esta segunda opción, junto con la nueva apertura máxima que resulta de acoplar el duplicador, es la mejor por lo que respecta a la exactitud del sistema de medición de la exposición de la cámara, ya que en términos de diafragma efectivo, la diferencia entre un 270mm y un 300mm, sobre todo para distancias largas, es despreciable. En caso de necesidad, se podrían hacer test de medición de la exposición y utilizar el compensador de exposición cuando se use el objetivo de 135mm con el duplicador. En los metadatos del archivo, la longitud focal será la que se programe en la base de datos de la cámara.
  • Bracketing de exposición para la toma de escenas con un rango dinámico superior al admisible por la cámara. Una mejora respecto de la D700 es que el ajuste de bracketing dispone de un botón de activación específico a la izquierda del cuerpo justo debajo del botón de ajuste del flash. Ello evita tener que recurrir a los menús para activarlo o ocupar uno de los botones de función personalizables. En contrapartida, las combinaciones disponibles son diferentes a los de la D700. En ésta, las opciones eran -2, -3, +2, +3 y horquillados de 3F, 5F, 7F y 9F. En la D610 las opciones se han simplificado quedando en -2, +2 y un sólo horquillado de 3F. Por el contrario, la secuencia de incrementos disponible es más amplia en la nueva D610. En mi caso, estoy acostumbrado a utilizar un horquillado de 5F en incrementos de 1paso completo de diafragma. En el momento de procesar los cinco archivos raw, la conclusión habitual suele ser que con los dos de los extremos y el central bastaría para obtener el rango dinámico deseado. Ello equivaldría a utilizar en la nueva cámara el único horquillado disponible de 3F con incrementos de 2pasos. Al margen de algunas comprobaciones que habrá que realizar, como determinar la OECF de la cámara, parece que Nikon confía en este modelo en una mayor capacidad de rango dinámico que en modelos anteriores quizá asociado al uso de los diferentes ajustes del Active D-Lighting.
  • Programación de disparo a intervalos con retardo inicial para que el bracketing se realice de forma automática sin tener que presionar el disparador de la cámara cada vez. Todo ello sin necesidad de disponer de un intervalómetro/disparador accesorio de cable o inalámbrico. El sistema, disponible en el menú, es exactamente el mismo que en la D700.
  • Obturador del visor para evitar la entrada de luz en el mismo que pueda alterar la medición de la exposición cuando no se está mirando por el mismo. La D700 equipaba el mismo dispositivo que sus hermanas mayores mientras que la D610 sólo prevé el uso de una pieza de plástico separada, incómoda, pequeña y fácil de perder. En contrapartida, la pestaña de accesorios del visor no es roscada como en la D700, sino de guías deslizantes. Ello permite el uso de visores de ángulo recto más económicos tanto de la propia Nikon como de marcas paralelas.
  • Horizonte virtual. Aquí la D610 aporta una clara ventaja respecto de la D700 al ofrecer nivelación tanto lateral como atrás/adelante. El botón de función (Fn) se puede personalizar para que una versión del horizonte virtual, sólo lateral y en encuadre horizontal en este caso, aparezca en el visor. Tanto en fotografía de paisaje como de arquitectura estas opciones resultan interesantes y cómodas de usar.
  • Ayuda de enfoque con objetivos sin CPU. Al igual que la D700, la D610 ofrece la posibilidad de utilizar la ayuda de enfoque mediante LED verde en el visor controlado por el sistema de Detección de Fase del módulo AF.
  • Accesorio L-bracket con sistema Arca para sujeción de la cámara al trípode sin cambios en el centro de gravedad del conjunto al alternar encuadres horizontales (landscape) con verticales (portrait). Tanto Kirk Enterprises como Really Right Stuff proporcionan L-bracket para la D610 (Fig. 1). En ambos casos, la pieza prevé un deslizamiento opcional que permite trabajar en encuadre vertical teniendo cables conectados a las tomas laterales (HDMI, micrófono, USB, …), ver Fig. 2. En el momento de la aparición de la D700 esta posibilidad sólo estaba disponible en encuadre horizontal. Posteriormente se ofrecía una pieza accesoria separadora con el consiguiente coste añadido. La pieza de Kirk incorpora además marcas de centrado del sensor muy útiles para acoplamiento a rótulas panorámicas (Fig. 3)
Kirk_LbracketD610_I
Figura 1. L-bracket de Kirk para Nikon D61o. Obsérvese la posibilidad de deslizar la posición de la rosca de sujeción a la cámara, (click on the image for a larger view).
RRS_Lbracket
Figura 2. L-bracket de Really Right Stuff con la cámara montada en posición vertical, donde se aprecia la posibilidad de deslizamiento para permitir el uso de conexiones de cable a los enchufes de la cámara, (click on the image for a larger view).
Kirk_LbracketD610_II
Figura 3. Vista trasera del L-bracket de Kirk montado en la Nikon D610. Los círculos indican las diferentes marcas de centrado del sensor para las diferentes posiciones de uso, (click on the image for a larger view).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  • Así pues, no existe ninguna diferencia de prestaciones insalvable respecto al modelo que he venido usando hasta ahora y sí alguna mejora que debería hacer un poco más cómodo el trabajo en exteriores. Un cuerpo algo más ligero mejora la relación de masas con un mismo trípode y si según Nikon, el sellado del cuerpo frente a la humedad y el polvo son realmente mejores, ello no ha de hacer más que alargar la vida útil. En un próximo post mostraré resultados de calidad de imagen también comparativamente a la D700 y algunas consideraciones acerca de la utilidad de disponer en la D610 de 24millones de foto-receptores en lugar de los 12millones de la D700.
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Nikon D700, Nikon D800 y Más Cuestiones

SE_MTF2xNyquist
Figura 1. Proceso de cálculo de la MTF de un sistema objetivo-sensor por el método del borde inclinado mediante el plug-in SE_MTF2xNyquist de ImageJ.
(hacer click sobre la imagen para observar una versión ampliada)

En el anterior post Nikon D4 y Otras Cuestiones se planteaba el porque de la coexistencia de modelos de cámara con resoluciones muy dispares en el segmento de cámaras SLR de gama alta. Para desarrollar los razonamientos expuestos se tomaron como ejemplo todos los modelos full frame desarrollados por Nikon. En uno de los comentarios se aventuraba la posibilidad de comparar una cámara de dicha gama con menor resolución con la que actualmente ostenta el mayor número de foto-receptores en un sensor de 24x36mm, la Nikon D800. El seguidor del blog y buen amigo Joan Serra, me envió hace unos días unos archivos raw tomados con su Nikon D800 del test para la determinación de la Función de Transferencia de la Modulación (MTF) del sistema objetivo/sensor por el método del borde inclinado (Slanted Edge Method), para cada una de las aperturas de diafragma disponibles en el objetivo Sigma 70-200mm f/2.8 con el que tiene equipada la cámara.

Dado que yo mismo soy usuario de una Nikon D700, pensé que aunque con diferentes ópticas, se podría intentar hacer algún tipo de comparación entre ambas cámaras. Para ello, equipé la D700 con un objetivo Nikkor 35mm f/2.8 y tomé también imágenes del mismo test en el centro del campo imagen para toda la gama de aperturas de diafragma. Todos los archivos, los de Joan y los míos, se han procesado en Adobe Camera Raw 8.2 (ACR) con unos ajustes de exposición, brillo y contraste a cero y mapa de transición de luminancias lineal. No se ha aplicado ninguna mejora de visibilidad de bordes ni reducción de ruido. Los archivos se han guardado en formato TIFF sin compresión, Escala de Grises por promedio de canales y a 8bit de profundidad de color.

La medición de la MTF se ha realizado a partir de cada archivo mediante el plug-in SE_MTF_2xNyquist (Figura 1) en el programa de procesado de imagen ImageJ. Los datos de Factor de Modulación hasta la frecuencia de Nyquist así obtenidos se han exportado a una hoja de cálculo Excel de Microsoft Office  para poder trazar en ella los diversos gráficos que se muestran en este texto. Las escalas de frecuencia de los diferentes gráficos de MTF se han ajustado a valores absolutos con la resolución correspondiente a cada cámara, 59lp/mm (pares de líneas por milímetro) para la D700 y 102lp/mm para la D800. Aunque la comparación en sentido estricto no es posible dada la diferencia de ópticas empleadas con cada cámara, sí se pueden sacar algunas conclusiones tanto del comportamiento de cada sistema así como de algunas cuestiones a tener en cuenta respecto de la interpretación de los resultados.

En la Figura 2 se muestran el conjunto de MTF obtenidas de los archivos de la Nikon D700 equipada con el objetivo Nikkor 35mm f/2.8 a cada una de las aperturas de diafragma del mismo.

MTF_D700_Nikkor35mm
Figura 2
(hacer click sobre la imagen para observar una versión ampliada)

Del conjunto de trazados de MTF de la Figura 2 se pueden derivar las siguientes observaciones:

  • A plena apertura (f/2.8), el resultado es uno de los más discretos. Ello indica, con toda probabilidad, la presencia de aberraciones residuales del objetivo.
  • Cerrando la apertura un punto (f/4) las aberraciones se minimizan y se obtiene el mejor resultado.
  • A partir de f/4 y hasta f/11 el resultado se mantiene muy similar aunque empeora a medida que se cierra el diafragma. Este comportamiento es perfectamente coherente con el aumento de los efectos de la difracción causado por el cierre de la apertura.
  • A f/16 el descenso del gráfico es más evidente que en las aperturas anteriores y a f/22 la calidad desciende incluso por debajo del valor alcanzado a f/2.8. Aquí la difracción afecta más que las aberraciones presentes a plena apertura. Es importante notar que los resultados a estas aperturas, f/16 y f/22, muestran la expectativa de degradación anunciada por los criterios 2p y 3p respectivamente de la Tabla 1 mostrada en el post Nikon D4 y Otras Cuestiones.
  • A excepción de la MTF medida a f/22, ninguno de los otros resultados muestra menos del 5% de contraste a la frecuencia de Nyquist. En términos prácticos, este 5% sería el límite de imagen utilizable.
  • Sólo el resultado de f/4 está por encima de 10% de contraste a la frecuencia de Nyquist. Ello indica un buen funcionamiento del filtro anti-aliasing o low pass filter (LPF) que equipa la cámara. Hay que tener en cuenta aquí que el procesado del archivo raw con ACR 8.2, con los ajustes de brillo y contraste a cero, genera imágenes con un contraste algo por encima del raw estrictamente lineal. Como ya se ha podido comprobar en otras mediciones de los mismos archivos, con versiones anteriores del plug in ACR ninguna de las curvas estaría por encima del 10% de contraste a la frecuencia límite del sistema.
  • También es interesante constatar que mientras la presencia de aberraciones a plena apertura afecta de manera preferente a las frecuencias medias y altas, los efectos de la difracción afectan al conjunto de la banda de frecuencias detectables por el sistema.

En la Figura 3 se muestran las curvas MTF obtenidas de los archivos de la Nikon D800 equipada con el objetivo Sigma 70-200mm f/2.8 a la longitud focal de 70mm para todas las aperturas de diafragma disponibles.

MTF_D800_Sigma70_200_70mm
Figura 3
(hacer click en la imagen para observar una versión ampliada)

Tomando ahora el turno del conjunto de MTF de la cámara D800, las observaciones son las que siguen:

  • En primer lugar, la degradación atribuible al objetivo que equipa la cámara es aquí más evidente. Los mejores resultados se obtienen con las aperturas f/8 y f/11. Teniendo en cuenta las limitaciones de la cámara en relación a la difracción, ello indica sin duda la presencia de aberraciones residuales o poco contraste de imagen en las aperturas anteriores, f/2.8, f/4 y f/5.6. Al igual que en el caso de la D700, las mediciones se han realizado en el centro del campo imagen y por lo tanto las aberraciones presentes son probablemente aberración esférica (SA) y quizá aberración cromática longitudinal (LCA). También entra dentro de la normalidad el hecho de que dichas aberraciones sean más difíciles de eliminar en un objetivo zoom que en el de focal fija empleado en la cámara D700.
  • Aún así, la mayor diferencia respecto del conjunto de MTF de la cámara anterior se puede observar en la región cercana a la frecuencia de Nyquist. En este caso, ninguna apertura proporciona una retención de un mínimo del 5% de contraste a la frecuencia límite. Por el contrario, el contraste desciende prácticamente a cero para todas las aperturas de diafragma a partir de 85lp/mm, mucho antes del límite teórico de 102lp/mm que se deduce de las dimensiones de sus foto-receptores.
  • Este descenso a cero se podría justificar por vías distintas según el valor de la apertura del diafragma:
    • Un objetivo teóricamente perfecto, libre de aberraciones y dependiente sólo de la difracción alcanza unos poderes de resolución de aproximadamente 120lp/mm a f/11, 85lp/mm a f/16 y 60lp/mm a f/22. Las cifras de f/16 y f/22 están claramente por debajo del límite teórico de la D800 (102lp/mm) y por lo tanto, la limitación de calidad es achacable en este caso exclusivamente a la difracción, sea cual sea el objetivo que se monte en la cámara.
    • Los resultados de las MTF  a las aperturas f/2.8, f/4 y f/5.6 ya se ha comentado anteriormente que deben, en principio, atribuirse a la presencia de aberraciones residuales en el objetivo utilizado.
    • Finalmente, los resultados de las aperturas f/8 y f/11 están más allá de los límites expresados en la mencionada Tabla 1 mostrada en el post Nikon D4 y Otras Cuestiones en relación al diámetro de los discos de Airy y el pitch del sensor.
  • Debe tenerse en cuenta además que la MTF del sistema expresa el nivel de contraste que se retiene en la imagen una vez procesada, por lo que el resultado depende también de las propiedades del sensor y del procesado de los datos que se extraen del mismo. Al margen de los resultados teóricos que un objetivo pueda alcanzar a cada apertura de diafragma, el contraste de la imagen que forma puede ser muy distinto para un mismo poder de resolución según el objetivo que se emplee. Para un mismo sensor, ello acaba influyendo en la MTF del sistema.

En la Figura 4 se comparan, en un mismo gráfico, el conjunto de MTF de cada cámara. En azul, las MTF correspondientes a la Nikon D800 y en rojo las de la Nikon D700.

MTF_D700_D800_comparative
Figura 4
(hacer click en la imagen para observar una versión ampliada)

De la comparación conjunta de las MTF de ambas cámaras se pueden extraer también algunas conclusiones interesantes:

  • Hasta el límite de resolución de la Nikon D700 (59lp/mm), la Nikon D800 proporciona mejores resultados a f/18, f/11 y f/16. Al resto de aperturas, el resultado es muy poco superior al obtenido por la D700, aunque aquí cabe preguntarse qué ocurriría con un objetivo que no acarrease las aberraciones que presumiblemente aporta el Sigma 70-200mm f/2.8 utilizado.
  • Si se analiza el resultado más allá de dicha resolución, lo que confiere sentido al uso de esta cámara, se observa que si se mantiene el criterio de un mínimo de 5% de retención de contraste para considerar la imagen como utilizable, los límites alcanzados son:
    • 72lp/mm para f/2.8, f/4 y f/5.6, probablemente a causa de las aberraciones del objetivo.
    • 79lp/mm para f/8 y f/11.
    • 76lp/mm para f/16.
    • 69lp/mm para f/22.
  • Resulta evidente que cualquiera de estos límites está bastante lejos de la resolución teórica de la cámara (102lp/mm). Esta limitación, no obstante, está básicamente causada por la difracción y el tamaño de los foto-receptores y por lo tanto, era perfectamente previsible a partir de los postulados de la Óptica.

En la Figura 5 se comparan los valores de MTF50 de ambas cámaras para toda la gama de aperturas de diafragma. El estándar MTF50 se define como aquella frecuencia para la que el sistema retiene en la imagen un 50% del contraste del objeto. Esta retención en la imagen del 50% del contraste del objeto se considera óptima para poder recuperar la pérdida mediante el procesado de imagen. Dado el trazado típico de las MTF de un sistema objetivo-sensor de calidad, la MTF50 suele coincidir con una zona de frecuencia o detalle medio dentro de la banda detectable. Los cambios o diferencias en esta franja de frecuencias son pues una buena orientación sobre la expectativa de calidad del instrumento. Por el contrario, el uso de este dato en la comparación entre instrumentos debe ser cautelosa si sus límites de resolución son distintos como es el caso que nos ocupa.

MTF50_D700_D800
Figura 5
(hacer click en la imagen para observar una versión ampliada)

De esta comparación, que sólo toma en cuenta cuál es la frecuencia espacial para la que cada cámara retiene un 50% de contraste en la imagen y para cada apertura de diafragma, se puede deducir que las partes de una misma escena que se reproducirán con un mismo nivel de calidad en las imágenes tomadas por ambas cámaras, serán prácticamente las mismas, la banda de frecuencias o detalles entre 20 y 30lp/mm. Para este tipo de detalles, no hay pues ninguna diferencia en utilizar una u otra cámara.

En términos relativos, la Nikon D700 mantiene un 50% de retención de contraste para una banda de frecuencias justo por debajo de la mitad de su límite de resolución. Por el contrario, la D800 sólo es capaz de retener el 50% de contraste para una banda de frecuencias que se sitúa aproximadamente a un cuarto de su límite teórico.

La Figura 6 muestra, tomando como ejemplo la MTF del sistema D700+Nikkor 35mm f/2.8 a f/4,  las tres regiones en las que se ha dividido el trazado de las diferentes MTF para analizar por separado, de izquierda a derecha, la respuesta del sistema a las frecuencias bajas, medias y altas, respectivamente. Frecuencia baja, media y alta se corresponde con detalle respectivamente bajo, medio y alto en la imagen. El resultado de calcular las respectivas áreas bajo la MTF para cada cámara se muestra en la Figura 7. Las tres bandas de frecuencia analizadas se corresponden con tercios de la banda máxima de frecuencia detectable por cada cámara:

  • Entre 0 y 20lp/mm, banda de frecuencia baja para la Nikon D700.
  • Entre 20 y 40lp/mm, banda de frecuencia media para la Nikon D700.
  • Entre 40 y 59lp/mm, banda de frecuencia alta para la Nikon D700.
  • Entre 0 y 34lp/mm, banda de frecuencia baja para la Nikon D800.
  • Entre 34 y 68lp/mm, banda de frecuencia media para la Nikon D800.
  • Entre 68 y 102lp/mm, banda de frecuencia alta para la Nikon D800.
    Figura 5     (hacer click en al imagen para observar una versión ampliada)
Figura 6
(hacer click en al imagen para observar una versión ampliada)

El gráfico de la Figura 7 permite comparar los resultados de medir el área bajo la MTF para las tres bandas de frecuencia mencionadas anteriormente y las dos cámaras probadas. Dichas áreas se expresan como porcentaje del valor teórico de un sistema perfecto.

AreaUnderMTF_D700_D800
Figura 7
(hacer click sobre la imagen para observar una versión ampliada)

De esta comparativa y teniendo en cuenta que los datos que la configuran están extraídos de las mismas curvas MTF anteriores, se derivan observaciones parecidas a las ya comentadas. En términos relativos, los niveles de calidad de imagen de la Nikon D700 están siempre por encima de los obtenidos con la D800 para cualquiera de las bandas de frecuencia espacial consideradas. En términos absolutos, se alcanzan los mismas o ligeramente mejores resultados con la D800 aunque siempre por debajo de la expectativa de su poder de resolución teórico.

A modo de conclusiones:

  • Respecto de los resultados obtenidos y las supuestas ventajas de utilizar una cámara de mayor resolución teórica:
    • Para una misma escena, se obtiene una imagen mucho mayor en los dispositivos de salida.
    • El nivel de detalle útil captado por la cámara es, en este caso, bastante menor del esperado pero siempre mayor que el captado con la cámara de menor resolución, sea cual sea la apertura de diafragma utilizada. Cabría aquí hacer la misma comparación con una cámara de resolución intermedia como por ejemplo la D3X o la D4.
    • La conclusión desde un punto de vista práctico es que si existe la posibilidad de necesitar en algún momento el tamaño de imagen proporcionado por la cámara de mayor resolución, no hay ningún inconveniente insalvable para decidirse por la D800. En este aspecto debe tenerse en cuenta que todo lo aquí mostrado se ha medido a partir de archivos raw lineales sin procesado ni mejores de visibilidad de bordes. Un buen procesado de imagen mejoraría sin duda el contenido inicial aunque en ningún caso aportaría lo que la cámara no captó.
    • Como ya se podía prever para las aperturas de diafragma más pequeñas, las limitaciones impuestas por la difracción son insalvables, al menos para el estadio actual de la tecnología óptica. Ello implica, al margen del detalle que no se puede captar, una mayor necesidad de prestar atención al procesado de la imagen para obtener un nivel de calidad equiparable al de instrumentos con menos limitaciones en este sentido.
  • Respecto de las mediciones:
    • En mi opinión, queda claro que formarse un juicio objetivo de las prestaciones de este tipo de instrumentos no resulta fácil dada la cantidad de variables que contribuyen a la calidad de imagen.
    • Por otra parte, sólo este tipo de mediciones pueden dar algunas pistas fiables sobre la expectativa de calidad que podemos depositar en cada instrumento.
    • Finalmente, unas pruebas y explicaciones necesariamente largas y quizá tediosas parecen justificar el deseo compartido por muchos fotógrafos de poder fiar estas expectativas en procedimientos más sencillos o reduccionistas. No será ninguna novedad que no comparta esta voluntad simplificadora. Personalmente prefiero la duda que unas conclusiones apresuradas y/o basadas en criterios poco objetivos.
    • También en este sentido me parece importante resaltar que como se explicó en el post Nikon D4 y Otras Cuestiones, antes de realizar estas pruebas ya teníamos datos que permitían aventurar una tendencia de comportamiento. Estos datos, por otra parte, no eran ninguna novedad pues forman parte del conocimiento general existente sobre Óptica y sistemas de captación de imagen por medios electrónicos. Tenemos ahora, después de un poco más de trabajo y esfuerzo, unos datos más precisos sobre la expectativa de calidad de una cámara en particular.

Para terminar, agradecer la paciencia para los que hayáis llegado hasta aquí y una sonrisa de solidaridad para los que no. La vida y la Fotografía están llenas de oportunidades más allá de las decisiones de compra de instrumentos.

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Fotomacrografía

La Fotomacrografía es el apartado de la fotografía que utiliza aumentos mayores que la unidad. En óptica fotográfica, el aumento es la relación de tamaño entre la imagen y el objeto en que ésta se origina, m = I/O. Una clasificación admitida en diversos textos nombra los ámbitos de la fotografía según el aumento (m) utilizado:

  • Fotografía general: Desde objetos en el infinito hasta aumento m = 0.1
  • Fotografía de acercamiento o de aproximación (close up photography): Aumento entre 0,1 y 1 (0.1 < m < 1).
  • Fotomacrografía: Aumento igual o superior a la unidad (m ≥ 1).

Con instrumentos especializados se pueden conseguir aumentos de hasta m = 50. Por razones ópticas, aunque esta amplificación de la imagen se corresponde con el ámbito de la fotomicrografía de bajo aumento, la técnica de la fotomacrografía permite un mayor campo sobre el objeto que el observado a través de un microscopio con los mismos aumentos. Con un aparato como el Nikon Multiphot y un cuerpo de cámara digital se pueden conseguir sin dificultad aumentos de hasta m = 30.

Una de las ventajas que presenta actualmente la fotomacrografía es la posibilidad de combinar el aumento de la imagen en el sensor de la cámara de toma con el aumento que se produce al observar dicha imagen en una pantalla de ordenador. Si relacionamos el tamaño de un fotorreceptor del sensor con el tamaño del píxel en el que observamos la imagen, veremos que la relación de aumento es importante. Si a ello le añadimos un aumento ya importante en la toma con la cámara, las posibilidades merecen ser tenidas en cuenta.

Pongamos un ejemplo. Con un Nikon Multiphot se toma la imagen de los píxeles de la pantalla de un iPad2. El aparato se ajusta para el máximo aumento que permite con los objetivos de que se dispone, que es de x30. Para ello, en este caso, se utiliza un objetivo Macro Nikkor  19mm f/2.8. En la parte superior del aparato se conecta a la bayoneta Nikon F Mount un cuerpo de cámara Nikon D700. En la pantalla del iPad se muestra una imagen lisa de gris medio L = 128. De esta forma, las tres regiones sub-píxel de la pantalla se iluminan con la misma intensidad. El enfoque, la exposición y la toma de la imagen se controlan mediante el software Nikon Camera Control Pro2. Finalmente el archivo raw se procesa en Adobe Camera Raw para guardarlo en formato TIFF y una vez editado, crear la versión JPEG que se muestra en la Figura 1.

Figura 1. A la imagen de los píxeles del iPad2 se le ha añadido una parrilla para facilitar la localización de los diferentes píxeles visibles y sus correspondientes regiones sub-píxel RGB. En uno de los píxeles se indica su tamaño en milímetros. Este tamaño se ha calculado mediante la imagen de una retícula calibrada que se tomó en la misma sesión y al mismo aumento de m = 30.

El aumento real de la imagen, calculado mediante la toma de una retícula calibrada y posterior medición del número de píxeles que ocupa en el sensor de la Nikon D700 (ver Figura 2), ha resultado en una cifra de m = 30.29.

Figura 2. Imagen de una retícula calibrada para el cálculo del aumento real de las tomas de los píxeles de la pantalla del iPad2.

Si hacemos click sobre la imagen de la Figura 1, ésta se abrirá en otra pestaña o ventana del navegador, según lo tengamos ajustado en las preferencias del mismo (las pruebas se han realizado en Firefox 12.0). Una vez abierta, aparecerá un cursor en forma de lupa con el signo más; si volvemos a hacer click, aparecerá la imagen al 100%. Es decir, cada uno de los píxeles de la imagen será enviado a uno de los píxeles de la pantalla.

El aumento final al que estaremos observando los píxeles del iPad2, lo podemos calcular de varias formas:

  1. Medimos cuánto ocupa en milímetros un píxel del iPad2 en nuestra pantalla. Para ello medimos entre dos líneas blancas de la parrilla superpuesta. Dividimos este valor por la cifra en milímetros que se indica en la Figura 1 para el ancho de un píxel del iPad2 y ya tenemos a cuántos aumentos estamos observándolos. En el caso de la pantalla de un portàtil Apple MacBook Pro de 15″ con una resolución ajustada de 1440x900píxeles, ocupa 158mm como promedio de varias mediciones en distintos píxeles. Si dividimos este tamaño entre el tamaño de un píxel del iPad2, 0.192mm, resulta un aumento de x822.9.
  2. Como estamos visualizando la porción de imagen que se formó en cada fotorreceptor del sensor con un píxel de la pantalla donde la observamos, podemos establecer una relación de aumento entre estos dos tamaños. En el caso de la cámara Nikon D700, sus fotorreceptores miden 0.00845mm y los píxeles de la pantalla del Apple MacBook Pro de 15″ miden 0.231mm (ver el post Dispalys pixel size). Dividiendo uno por el otro, obtenemos un valor de aumento de x27.33. Multiplicando este valor por el aumento de la toma, x30.29, obtenemos un aumento final de x828, muy similar al calculado anteriormente.
  3. Otro sistema puede consistir en medir el número de píxeles de la pantalla que ocupa la imagen de uno o más píxeles del iPad cuando se visualiza al 100% en un programa de procesado de imagen que provea reglas de medida graduadas en píxeles. En Adobe Photoshop CS5, la imagen de los cinco píxeles completos visibles en sentido horizontal, ocupan 3455píxeles. Si los píxeles de la pantalla miden 0.231mm, el conjunto mide 798.1mm. Este resultado, dividido por cinco, da un tamaño del píxel del iPad en la pantalla del ordenador de 159.6mm, similar al calculado en la opción 1. Relacionando esta medida con el tamaño del píxel del iPad, obtenemos ahora un aumento total de x831.

Los errores de cálculo acumulados, perfectamente asumibles, pueden atribuirse a diversas causas. Algunos datos como las dimensiones del sensor y el número de píxeles contenidos proceden de la información de la cámara y pueden no ajustarse exactamente a la realidad. Los sensores suelen tener filas y columnas de píxeles que no se utilizan en la imagen y el cálculo de sus dimensiones en relación al tamaño del sensor, puede verse afectado por una cifra no ajustada a la realidad. Por otra parte, el tamaño del sensor en milímetros se publica muchas veces sin decimales. En un caso como éste, en el que la unidad de medida es tan pequeña, 0.00845mm, no cabe duda que una pequeña variación puede tener una influencia considerable. Finalmente, el valor del aumento en la cámara se deduce de unas mediciones sobre la imagen y de la suposición de un buena fidelidad de la retícula calibrada.

Al margen de todo ello, el aumento de observación conseguido es considerable. Aunque en la actualidad el Nikon Multiphot ya no se fabrica, un cuerpo de cámara digital montado en una cámara de banco óptico con el objetivo adecuado, podría proporcionar los mismos 30 aumentos del ejemplo. Por otra parte y aprovechando el aumento de las imágenes digitales al ser observadas en pantalla, Nikon fabrica el Nikon Digital Microscope ShuttlePix.