Мегапиксели – добро или зло? Что это такое и сколько их должно быть

С момента появления цифровой фототехники между разными производителями идет своеобразная "гонка мегапикселей", когда новая модель фотоаппарата неизменно получает матрицу все большего и большего разрешения. Темпы этой гонки год от года меняются - достаточно долго "вертикальным" пределом для кропнутых зеркалок были 16-18 мегапикселей, но потом в очередной раз в производство были внедрены какие-то инновации и разрешающая способность кропнутых камер подбирается к отметке в 25 мегапикселей.

Для начала вспомним, что пиксель - это базовый элемент, точка, одна из тех, из которых формируется цифровое изображение. Этот элемент дискретный и неделимый - нет таких понятий как "миллипиксель" или 0.5 пикселя :) Зато есть понятие мегапиксель, под которым понимается массив пикселей в количестве 1 000 000 штук. К примеру, изображение размером 1000*1000 пикселей - имеет разрешение ровно 1 мегапиксель. В пересчете на качество печати в DPI, 1 мегапиксель эквивалентен отпечатку размером 10*15 сантиметров с хорошим качеством (около 200 DPI - подсчитано калькуляторе DPI). Разрешение первых массовых любительских цифровых камер как раз и было около 1 мегапикселя. Для любительских "фоток" хватало, но для профессионального использования такого разрешения было катастрофически мало. Это стало причиной так называемой "гонки мегапикселей" - явления, когда каждая новая модель фотокамеры имела матрицу большего разрешения, чем предыдущая. Естественно, это сказывалось и на цене - прибавка 1 мегапикселя могла запросто увеличить стоимость камеры в 2 раза!

Сейчас же мы наблюдаем ситуацию - заявленное разрешение матриц любительских зеркалок стало таким, что дает возможность делать отпечатки приемлемого качества форматом чуть ли не А1! В то время как большинство фотолюбителей редко печатают фотографии больше чем 20 на 30 см, для этого достаточно 3-4 мегапикселей. Или вообще фотографии не печатают, а смотрят на мониторе или телевизоре.

Если вы фотографии не печатаете, а только смотрите на экране смартфона, планшета, монитора, телевизора - расклад такой. Для просмотра фотографий (без масштабирования!) на мониторе Full HD достаточно разрешения 2 мегапикселя, на телевизоре 4K - 8 мегапикселей, 8К - 33 мегапикселя. 

Стоит ли менять старый фотоаппарат на такой же по функциям, но "более мегапиксельный?"

Возьмем для примера два фотоаппарата - простой любительский Canon EOS 1100D и более продвинутый Canon EOS 700D. У первого разрешение матрицы 12 мегапикселей, у второго - 18 мегапикселей. Разница - в 1.5 раза. Первая мысль, возникающая у многих фотолюбителей примерно такая - "Поменяв 1100Д на 700Д я буду получать в 1.5 раза лучшую детализацию! Теперь на фотографиях будут видны абсолютно все нюансы - мне этого так не хватало с моей старой камерой!". Эта установка активно поддерживается рекламщиками. Фотолюбитель, убедивший себя, в том что ему совершенно необходима новая камера, разбивает копилку и идет в магазин.

А давайте возьмем калькулятор и посчитаем, какой реальный прирост разрешения фотографии будет при переходе с 12 на 18 мегапикселей. 18-мегапиксельная матрица того же 700D дает изображение шириной 5184 пикселя, в то время как максимальная ширина изображения у 12-мегапиксельного 1100D составляет 4272 пикселя (данные взяты из технических характеристик фотоаппарата). Поделим 5184 на 4272 и получим разницу всего в 21%. То есть, при увеличении разрешения матрицы в 1.5 раза, фотография увеличивается в размерах всего в 1.21 раза. Если изобразить это графически, то получится такое сравнение.

Разница неожиданно мала! Получается, отличия между 12 и 18 мегапикселями не столь уж и существенны. Вывод - слухи о значимости роста мегапикселей сильно преувеличены. Перейти с 12- на 18-мегапиксельный аппарат (или с 18- на 24-мегапиксельный) только в надежде получить значительный прирост детализации на фотографиях - попасть на удочку маркетологов.

Рост мегапикселей в ряде случаев снижает резкость даже при использовании хорошей оптики!

Казалось бы - это вообще похоже на бред! Однако, не будем торопиться с выводами... Логично, что при росте мегапикселей с сохраненем размеров сенсора уменьшается площадь каждого отдельно взятого пикселя. Возможно, вы знаете, что уменьшение площади пикселя приводит к снижению его реальной чувствительности, а, следовательно, к росту уровня шумов (чисто теоретически). Однако, благодаря постоянному совершенствованию технологий и алгоритмов обработки данных, новые матрицы, даже несмотря на более мелкие пиксели дают менее шумную картинку, чем их "крупнопиксельные" предшественники. Но есть еще один нюанс, о котором часто забывают...

Я уже рассказывал о такой вещи как дифракция. Не вдаваясь в подробности, напомню, что это свойство волны огибать препятствие, чуть меняя при этом направление. При прохождении пучка света через узкое отверстие, этот пучок имеет свойство как-бы распыляться, подобно спрею (да простят меня физики за такое сравнение :)

В нашем случае в качестве отверстия выступает апертура (диафрагменное отверстие). Чем сильнее зажата диафрагма, тем под большим углом "распыляется спрей". Угол очень небольшой (гораздо меньше, чем на картинке), но учитывая микроскопический размер пикселей, он дает о себе знать. В итоге, "идеально четкая" точка после прохождения апертуры превращается в размытое пятнышко. Чем меньше диаметр апертуры, тем заметнее это размытие. А теперь давайте к этой картинке добавим небольшой кусочек матрицы с пикселями и попробуем приблизительно представить, как будет выглядеть эта "идеально четкая" точка на фотографии...

Невысокое разрешение, крупные пиксели

Высокое разрешение, мелкие пиксели

Что из этого получилось? Будем считать, что пиксели имеют квадратную форму.

Естественно, приведенные иллюстрации не претендуют на абсолютную точность, не учтено множество нюансов - хотя бы то, что при формировании изображения происходит интерполяция (сглаживание) соседних пикселей. Суть в том, чтобы показать, что при уменьшении площади пикселя уменьшается рабочий диапазон диафрагменных чисел. Если у матрицы очень большое разрешение, не стоит слишком сильно зажимать диафрагму объектива, поскольку это приведет к появлению на фотографиях дифракционного размытия. Матрицы с малым количеством мегапикселей позволяют зажимать диафрагму чуть ли не до f/22 и особого размытия при этом не наблюдается.

Сглаживающий фильтр - для чего он нужен и почему в современных камерах его нет?

Низкочастотный фильтр, он же сглаживающий, он же low pass - это стеклышко перед матрицей, которое чуть "замыливает" картинку. Для чего он это делает? Главное назначение сглаживающего фильтра - борьба с муаром. Муар - это характерный рисунок, появляющийся при наложении друг на друга мелких ритмичных текстур. Его можно увидеть, посмотрев на сложенный в несколько слоев тюль на окне. Что-то наподобие этого:

Точно такой же эффект получается при съемке мелких текстур, когда размер ячейки сопоставим с размером пикселя изображения - их рисунок как бы накладывается на "рисунок" из пикселей матрицы, в итоге получаем муар на картинке:

Приведенный пример - кадр из видео в масштабе 200%. Рубашка имела узор из очень мелких клеточек. 

Чтобы подавить муар, нужно чуть размыть картинку. При этом будет страдать детализация, но муар уменьшится (или исчезнет совсем). Сглаживающий фильтр выполняет именно эту роль. Насколько эффективно он это делает? Давайте попробуем смоделировать работу сглаживающего фильтра и сделать размытие картинки до полного исчезновения муара...

Согласитесь, такое качество никого не устроит. Именно поэтому сглаживающий фильтр не убирает муар полностью, а лишь чуть его ослабляет, но при этом снижает микроконтраст картинки.

В большинстве современных камер сглаживающий фильтр отсутствует, его заменили программные алгоритмы подавления муара, благо вычислительная мощность современных процессоров позволяет это сделать. Алгоритмы могут применяться не всегда, а лишь тогда, когда надо, то есть камеры с матрицами без сглаживающего фильтра дают лучшую детализацию при том же количестве мегапикселей, в этом их плюс. Отрицательный момент - "программное" решение почти всегда хуже "аппаратного". В тех 5% случаев, когда действительно нужно побороть муар, камеры со сглаживающим фильтром проявят себя лучше.

Купили современную тушку? Позаботьтесь о хорошей оптике!

Разрешение матриц большинства современных любительских фотоаппаратов со сменной оптикой находится между 20 (Micro 4/3) и 60+ мегапикселями (полный кадр). Со временем этот диапазон неизбежно будет смещаться в сторону больших значений. Как правило, при этом совершенствуется и оптика. Современные китовые объективы хоть и существенно прибавили в качестве, но все же являются компромиссными вариантами. Прорисовать картинку во всех нюансах для запечатления на условной 30-мегапиксельной матрице они способны, но в узком диапазоне настроек, например, только в диапазоне 28-35 мм при диафрагме 8. Если вы ищете бескомпромиссный вариант, вам потребуется качественная и, соответственно, дорогая оптика. Стоимость объектива, схожего с китовым по функциональности, но имеющего лучшую разрешающую способность, в разы превосходит стоимость китового объектива, а чаще всего - и самого аппарата.

Кстати, не факт, что старый профессиональный объектив будет гарантированно "прорисовывать" картинку. Объектив Canon EF 24-105mm 1:4L на старой 13-мегапиксельной камере Canon EOS 5D давал замечательную по резкости картинку. Но стоило его повесить на современную камеру Canon EOS R, все стало не так хорошо. Для новых камер лучше покупать именно современную оптику.

Смартфон с 48, 64, 100, 200+ мегапикселями - хорошо это или плохо?

Матрица смартфона по размеру сопоставима с матрицей компактного фотоаппарата (цифромыльницы). До недавнего времени разрешение камер смартфонов не превышало 12, ну максимум 16 мегапикселей. Но в определенный момент появился смартфон с 40+ мегапикселями (Nokia Lumia 1020), а еще спустя какое-то время в рекламе смартфонов из Китая замелькали цифры 48, 64 и даже 108 мегапикселей! Неужели произошла революция в "матрицестроении", причем только в мобильном? И да, и нет...

Матрица из 48+ мегапикселей не имела бы смысла, если бы не возросшая производительность процессоров смартфонов. Учитывая технологические достижения последних лет, сделать матрицу размером 1/2" разрешением 48 или 64 мегапикселя не оказалось проблемой. Другое дело - из-за крайне низкой реальной чувствительности отдельно взятого пикселя такие матрицы крайне слабо проявляли себя при съемке с плохим освещением. И тут пришло спасение в виде алгоритмов обработки, объединяющих группы из 4 соседних пикселей в один "суперпиксель" и это, как ни странно, дало положительный результат. Таким образом с матрицы на 48 мегапикселей снималась 12-мегапиксельная картинка приемлемого качества. 108-мегапиксельные матрицы также на выходе дают 12-мегапиксельную картинку, но у них "суперпиксели" формируются из групп по 9 "обычных" пикселей (3*3). 

С другой стороны, зачем объединять мелкие пиксели в группы вместо того, чтобы сделать "честные" 12 мегапикселей? Если вы знакомы с основами статистики, то известно, что наиболее точные измерения получаются в виде усреднения значений выборки, нежели из одиночных значений. Здесь тот же самый принцип - матрица размером 3*3 пикселя дает выборку из 9 значений, таким образом погрешность измерений будет меньше, чем при считывании информации с одного "крупного" пикселя. Дальше она отправляется на программную обработку, в результате которой формируется файл изображения размером 12 мегапикселей. Ну и с точки зрения маркетинга, 108 мегапикселей - это очень круто!

У смартфонов также имеется возможность снимать фото в полном разрешении. И вот в это случае наступает правда жизни - при ярком солнечном освещении детализация картинки действительно неплохая (если оптика у смартфона нормальная), но стоит чуть стемнеть, детализация фотографии существенно снижается. В свое время я экспериментировал со смартфоном Xiaomi Mi 9T Pro (48 мегапикселей) - результаты можно посмотреть здесь: /article168.html. Если не охота переходить по ссылке, расклад примерно такой:

1. Так выглядит 100% кроп с 12 мегапиксельной фотографии на смартфон

2. Так выглядит 100% кроп с 12-мегапиксельной полнокадровой зеркалки Canon EOS 5D

3. Так выглядит 100% кроп с 48-мегапиксельной фотографии на смартфон.

Так сколько же должно быть мегапикселей в фотоаппарате?

Возвращаемся к основному вопросу, которому посвящена статья. Все зависит от типа фотоаппарата, размера матрицы и возможностей оптики (и вашего желания покупать дорогую оптику профессионального уровня). Лично я считаю, что разумное количество мегапикселей такое:

• Для аппаратов со сменной оптикой с китовым объективом - 20 мегапикселей. При большем разрешении матрицы сужается "рабочий" диапазон фокусных расстояний и диафрагм. Хотите получать максимально детализированное изображение - старайтесь не снимать на "крайних" фокусных расстояниях, устанавливайте диафрагму 8.
• Для аппаратов со сменной оптикой с фиксами или профессиональными зумами такого явного ограничения нет, главное, чтобы объектив смог прорисовать все эти мегапиксели. И еще при росте мегапикселей снижается максимальное "рабочее" диафрагменное число. Старайтесь не снимать в обычных условиях с диафрагмой больше 11-13 - будет заметно снижение резкости из-за дифракционного размытия. 
• Для компактных камер и смартфонов разумный предел - 10-12 мегапикселей. Все что больше - либо маркетинговый ход, либо искусственно раздутое разрешение, которое в итоге трансформируется в ту же 12-мегапиксельную картинку.