Au-delà des mégapixels : ce qui détermine réellement la résolution de l'objectif de l'appareil photo

Il existe une spécification qui apparaît sur presque toutes les fiches techniques des appareils photo modernes :

Mégapixels.

5MP. 8MP. 12MP. 24MP.

Le chiffre est facile à comprendre, facile à comparer et très facile à commercialiser.

Mais si vous avez passé suffisamment de temps à développer des systèmes de caméras, vous vous retrouvez finalement confronté à une question inconfortable :

L'objectif peut-il être réelComment résoudre ce que le capteur est capable de capturer ?

C'est là que les choses deviennent plus intéressantes.

Un capteur 8MP ne vous donne pas automatiquement une image de qualité 8MP. Le capteur offre la capacité d’échantillonnage, mais l’objectif doit fournir suffisamment de détails optiques pour que ces pixels soient utiles.

En d’autres termes, un appareil photo n’est pas une compétition entre capteurs mégapixels.

C'est un système.

Et l’objectif est l’un des éléments les plus importants de ce système.

Résolution du capteur et résolution optique

Commençons par une distinction simple.

Résolution du capteurdécrit le nombre de pixels du capteur.

Résolution optiquedécrit la quantité de détails spatiaux que l’objectif peut réellement reproduire.

Ces deux spécifications sont liées, mais ce n’est pas la même chose.

Imaginez photographier une plaque d'immatriculation lointaine.

Un capteur 8MP peut disposer de nombreux pixels disponibles pour enregistrer la plaque. Mais si l’objectif produit une image floue et peu contrastée, ces pixels ne peuvent pas reconstruire comme par magie les personnages.

Vous pourriez vous retrouver avec plus de pixels décrivant le flou.

Ce n’est pas la même chose que plus de détails.

C'est pourquoi le simple fait de placer un capteur haute résolution derrière un objectif ancien ou mal adapté peut produire des résultats décevants.

Le capteur est peut-être neuf.

L’image ne l’est peut-être pas.

La taille des pixels modifie le défi optique

Un autre facteur que les ingénieurs doivent de plus en plus prendre en compte est la taille des pixels.

À mesure que la technologie des capteurs progresse, les fabricants peuvent intégrer davantage de pixels dans la même zone physique.

Cela semble être une amélioration évidente.

Mais il y a un compromis.

Des pixels plus petits signifient que le système optique devra peut-être reproduire des détails plus fins pour tirer pleinement parti du capteur.

Par exemple, un appareil photo utilisant un pas de pixel relativement grand peut être moins exigeant en termes d'objectif qu'un capteur avec des pixels extrêmement petits et une densité de pixels beaucoup plus élevée.

Cela crée une question importante lors du développement de la caméra :

La résolution de l'objectif est-elle suffisamment élevée pour le pas de pixel du capteur ?

Un objectif qui fonctionnait parfaitement avec un capteur plus ancien peut ne pas offrir automatiquement les mêmes performances pratiques lorsqu'il est associé à un capteur plus récent et plus dense.

C'est l'une des raisons pour lesquelles la sélection de l'objectif doit se faire en même temps que la sélection du capteur plutôt que de traiter l'objectif après coup.

Pourquoi MTF est plus important qu'une étiquette mégapixel

Si vous voulez comprendre la résolution optique réelle, vous devrez éventuellement en parlerMTF — Fonction de transfert de modulation.

La terminologie semble intimidante.

L’idée de base ne l’est pas.

MTF décrit dans quelle mesure un système optique préserve le contraste à différents niveaux de détail.

Pensez à photographier une série de lignes en noir et blanc de plus en plus fines.

Avec des motifs larges et faciles à voir, presque tous les objectifs décents peuvent les reproduire.

À mesure que les lignes deviennent plus fines, l’objectif perd progressivement du contraste.

Un système optique puissant maintient un contraste utile plus loin dans la plage des détails les plus fins.

C'est ce que MTF aide les ingénieurs à évaluer.

C'est pourquoi une spécification sérieuse d'objectif ne doit pas s'arrêter à :

“Prend en charge 8MP.»

Une meilleure évaluation demande :

Quelle est la performance du MTF ?

À quelles fréquences spatiales ?

Comment fonctionne-t-il au centre ?

Que se passe-t-il vers le bord ?

Les performances restent-elles stables à l'ouverture prévue ?

Ces questions vous en disent beaucoup plus sur le système optique actuel.

La résolution centrale n’est pas toute l’histoire

L’un des moyens les plus simples de rendre un objectif impressionnant est d’afficher une image centrale très nette.

Le problème est que les appareils photo ne photographient pas seulement le centre.

Les caméras de sécurité grand angle, les caméras automobiles, les caméras de drones et les systèmes robotiques dépendent souvent fortement des informations d'image périphériques.

Un objectif peut offrir une excellente netteté centrale mais des performances sensiblement plus faibles près des bords.

Cela peut affecter :

Détection d'objet

Reconnaissance faciale

Reconnaissance du véhicule

Compréhension de la scène

Inspection par vision industrielle

Par exemple, une caméra de sécurité surveillant un parking peut voir un véhicule entrer près du bord de l'image.

Si le centre est fantastique mais les bords sont doux, la résolution impressionnante de l'appareil photo ne raconte pas toute l'histoire.

Pour les ingénieurs, la question la plus utile est :

Dans quelle mesure l’objectif fonctionne-t-il uniformément sur l’image ?

Les aberrations volent discrètement les détails

Les aberrations optiques sont une autre raison pour laquelle un appareil photo à mégapixels élevés peut ne pas fournir la qualité d'image attendue.

Les problèmes courants incluent :

Aberration sphérique

Aberration chromatique

Coma

Astigmatisme

Courbure du champ

Il n’est pas forcément nécessaire d’être un concepteur optique pour comprendre le résultat.

La conséquence pratique est simple :

Les détails deviennent moins précis.

Les bords peuvent perdre du contraste. Les structures fines peuvent apparaître colorées ou maculées. Les coins peuvent devenir plus mous.

La conception optique moderne implique donc bien plus que le choix d’une distance focale et d’une ouverture.

Le système optique doit équilibrer plusieurs facteurs simultanément.

La distorsion est également un problème de qualité d'image

La distorsion est parfois traitée comme un problème purement visuel.

Ce n'est pas toujours le cas.

Pour une photographie décontractée, les lignes droites courbes peuvent tout simplement paraître peu attrayantes.

Pour les applications de vision industrielle ou d’IA, la géométrie peut avoir son importance.

Un objectif grand angle présentant une distorsion importante peut rendre les objets proches du bord très différents de leur forme et de leur position réelles.

Cela ne signifie pas que chaque application nécessite une distorsion ultra-faible.

Une caméra de sécurité peut raisonnablement accepter une certaine distorsion en échange d'un champ de vision beaucoup plus large.

Ce n’est peut-être pas le cas d’un système de mesure industriel.

Encore une fois, l’ingénierie optique est une question de compromis.

Le « meilleur » objectif dépend de ce que l’appareil photo est censé faire.

Pourquoi « objectif 8MP » est une description incomplète

C'est peut-être le point le plus important.

L'expression «Objectif 8MP» est utile pour le marketing, mais techniquement incomplet.

La résolution est influencée par la relation entre :

Lentille

Capteur

Taille des pixels

Ouverture

Cercle d'image

ARC

Traitement d'images

Conditions d'éclairage

Un objectif n’existe pas isolément.

Un objectif particulier peut fonctionner très bien avec un capteur et moins efficacement avec un autre, car les exigences optiques ont changé.

C'est pourquoi les ingénieurs caméra expérimentés demandent généralement le modèle du capteur et les exigences optiques avant d'approuver un objectif.

Un fournisseur qui dit immédiatement « Oui, cet objectif prend en charge 8MP » sans rien demander d'autre répond peut-être à la question commerciale plutôt qu'à la question technique.

Alors, comment les ingénieurs devraient-ils évaluer un objectif haute résolution ?

Au lieu de commencer par les mégapixels, je recommande de commencer par l’application.

Demander:

1. Quel capteursera utilisé ?

Le format du capteur et la taille des pixels établissent les exigences optiques.

2. Quel champ de vision est requis ?

Une conception grand angle présente des défis différents par rapport à un objectif à angle étroit.

3. Quel niveau de détail est réellement important ?

Une caméra de sécurité identifiant une personne à plusieurs mètres de distance a des exigences différentes de celles d'une caméra de vision industrielle inspectant un minuscule composant.

4. Quelle est l’importance des performances de pointe ?

Pour de nombreux systèmes grand angle, cela est essentiel.

5. Que se passe-t-il à l’ouverture prévue ?

Un objectif peut fonctionner différemment lorsqu’il est utilisé en grande ouverture ou lorsqu’il est arrêté.

6. Que montrent les données MTF ?

Cela fournit des informations bien plus utiles qu’une seule étiquette mégapixel.

La vraie signification de « haute résolution »

Un objectif haute résolution n’est pas simplement un objectif avec un numéro élevé imprimé à côté.

Il s'agit d'un système optique capable de reproduire des détails fins avec un contraste suffisant, sur le champ d'image requis, dans les conditions de fonctionnement prévues.

C'est un problème d'ingénierie beaucoup plus difficile.

Et honnêtement, c’est pourquoi deux objectifs aux spécifications apparemment similaires peuvent avoir des prix très différents.

Vous ne payez pas simplement pour plus de verre.

Vous payez pour la conception optique, les tolérances, les matériaux, la précision de fabrication, le revêtement, l'assemblage et les tests.

Chez Boshi Optics, les solutions optiques sont développées pour des applications allant de la surveillance de sécurité et de l'imagerie automobile à l'imagerie médicale, aux appareils intelligents et autres systèmes de caméras. Le portefeuille de produits de la société comprend des objectifs avec différents formats de capteur, résolutions, champs de vision, ouvertures et structures optiques, reflétant la réalité selon laquelle il n'existe pas de « meilleur » objectif unique pour chaque appareil photo.

Réflexion finale : arrêtez de compter les pixels, commencez à regarder les informations

Les mégapixels sont utiles.

Ils vous indiquent combien de pixels un capteur peut fournir.

Mais ils ne vous disent pas quelle quantité d’informations utiles le système optique peut fournir à ces pixels.

C'est pourquoi les ingénieurs expérimentés regardent au-delà du numéro figurant sur le boîtier de la caméra.

Ils regardent MTF.

Ils regardent la taille des pixels.

Ils examinent les performances du centre au bord.

Ils examinent les aberrations, la distorsion, l'éclairage et la compatibilité des capteurs.

Plus important encore, ils regardent l’image réelle.

Car finalement, les clients n’achètent pas 8 millions de pixels.

Ils achètent les détails que ces pixels sont censés afficher.