Fotíme s Koalou: Rozlišení a megapixely!

Všude se dnes hovoří o megapixelech, všichni se za nimi honí a to samozřejmě neuniklo naší Koale. Ta už dobře ví, že hodně malých pixelů nedělá dobrotu a způsobuje velký šum. Mnoho lidí se jí ale ptá, zda se to dá nějak obejít? Máme vůbec možnost dnes vyfotit fotografii bez šumu? A musíme vždy fotit v maximálním rozlišení? Těžké to otázky a nebyla by to Koala, kdyby se nesnažila přijít věci na kloub. Žádné teoretizování, žádné vyvozování závěrů z čísel, s Koalou jedině prakticky.
Takže, kde je problém? V minulých dílech jsme si už ukázali, že vysoké rozlišení na malém čipu způsobuje malou velikost pixelů, tedy vysokou pixelovou hustotu a jejím projevem je vysoký šum. Pochopitelně nelze říci, že čip s vyšší pixelovou hustotou bude mít zákonitě i vyšší šum, zpravidla tomu tak ale bývá. Proto se mnoho lidí ptá na na první pohled logickou otázku: "Sníží se šum, když snížím rozlišení?" Koala tu má s sebou malý kompakt s 1/2,3" CCD čipem a rozlišením 12 megapixelů, na kterém nám ukáže, co se vlastně děje. Začneme trochu neoblíbenou matematikou. Koala už ví, že je v určitých ohledech přeci jen trochu nezbytná, takže už neprská a celkem ochotně bere do ruky kalkulačku.

1/2,3" čip má rozměry pouhých 6,16×4,62 mm, což dělá 28,46 mm2. To opravdu není mnoho, i váš nehet na malíčku je větší. Pokud na tuto plošku plácnete oněch 12 megapixelů, dostáváte se k pixelové hustotě 12 MPx / 0,2846 cm2, tedy 42,2 MPx / cm2. Pro představu, běžná 12MPx zrcadlovkas APS-C čipem (cca 23,5×15,5 mm) má asi 3,3 MPx / cm2. Tak, a teď se konečně dostáváme k otázce. Co když na našem 12MPx kompaktu nastavím třeba 1MPx rozlišení? Dostanu se na 12× nižší pixelovou hustotu? Bude pixelová hustota jen 3,5 MPx / cm2, podobně jako u zrcadlovek? No, Koala to zkusila. Nemá sice 12MPx, ale 14,6MPx obdobu zrcadlovky, takže její hustota je rovných 4,0 MPx / cm2.
Jak je vidět, fotoaparát s velkým APS-C čipem a malou pixelovou hustotou dává i na velmi vysoké citlivosti ISO 3200 docela pěkný a čistý obraz.
Koala si znovu vylezla na stativ a nechala se vyfotit běžným kompaktem rovněž na ISO 3200. Snímek je najednou plný šumu, díky odšumování mu chybí výraznější barvy. Takže, co takhle zkusit rozlišení méně než 1 megapixel?
Čekali jste tak krásný výsledek jako u velkočipového fotoaparátu? Možná ano, ale jak vidíte, je to stejná bída jako při plném rozlišení. Proč? Je to jednoduše proto, že i když na fotoaparátu nastavíte nižší rozlišení, vždy se vyfotí fotografie v plném rozlišení (tedy i se šumem) a až následně se její rozlišení sníží na vámi požadovaný rozměr. Z tohoto pravidla sice existují výjimky jako je pixel binning, ale v podstatě jde o totéž, jen se to děje už na čipu a ne až při zpracování obrazu. Koala nám nyní ukáže výřezy.
Když se podíváte na oba dva výřezy, zjistíte, že i přes téměř stejné rozlišení, má fotoaparát s větším čipem podstatně větší množství detailů. Je to díky tomu, že jeho pixely jsou mnohem, mnohem větší, a tedy i méně náchylné na šum. Není třeba tak silně odšumovat (v podstatě odšumování = rozostřování). A co s tím zmenšováním rozlišení? Jak je na tom snímek z kompaktu při rozlišení méně než 1 MPx?
Díky mnohem menšímu rozlišení je jasné, že výřez bude mnohem větší (550 pixelů z 12MPx fotky o šířce 4000 pixelů je maličký detail, zatímco z 0,8MPx fotky o šířce 1024 pixelů je to "půlka fotky"). Už vidíme, že šum se se snížením rozlišení v podstatě nesnižuje. To, že se více pixelů sloučí dohromady, sice sníží šum při 1:1 výřezech (nikoli však fotografie na stejném vytištěném formátu), ale zároveň nám sníží detaily. Nebo ne? Zapeklitá otázka, viďte?

Naštěstí Koala ví, jak na ní najít odpověď. Máme 0,8MPx fotografii, tedy necelý milion pixelů. Máme 800 tisíc pixelů nesoucí obrazovou informaci, z nich už více užitečné informace prostě nedostaneme. Fotografii sice můžete zvětšit na 12 megapixelů (12 milionů pixelů), ale těchto 12 milionů se prostě a jednoduše vygeneruje jen z oněch 800 tisíc. Koalu tedy napadla jednoduchá věc. Maličkou 0,8MPx fotku zvětší na 12 megapixelů a porovná ji s původní 12MPx snímkem. Pokud bude mít původní 12MPx snímek skutečných 12 megapixelů užitečné obrazové informace, měl by být výrazně detailnější než 0,8MPx snímek zvětšený na 12MPx. Ten má sice rozlišení 12 megapixelů, ale jen 0,8 MPx užitečné obrazové informace, ze které byl zvětšen. Takže šup sem s původním snímkem.
Nevím jak vy, ale Koala tam nevidí nějak přehnaný rozdíl. Šum je nižší (to je dáno slučováním pixelů u menších rozlišení), ale je vidět, že 12MPx fotografie má v podstatě velmi podobné množství detailů jako fotografie s pouhými 800 tisíci pixelů! Při takto vysoké citlivosti ISO 3200 je tedy v podstatě jedno, zda fotíte do maximálního či minimálního rozlišení! Drsné, že? Váš 12MPx fotoaparát ve skutečností nefotí ani 1MPx fotky!
No dobře, co se ale stane, když u kompaktu nezvolíme ISO 3200, ale mnohem nižší citlivost ISO 80? Jak sami vidíte, i kompakt najednou dává poměrně čistý, barevný a nezašuměný snímek. Zkusme opět porovnat výřez z původního 12MPx snímku při ISO 80 a 0,8MPx fotografie zvětšené na 12 megapixelů.
Zde je už rozdíl hodně viditelný. Při nižších citlivostech má i čip v kompaktu s vysokou pixelovou hustotou docela přijatelný šum, ne až tak agresivní odšumování, a tedy i lepší detaily. Tady skutečně vidíte, že 12 megapixelů získaných pouhým zvětšením z 0,8MPx fotky dává výrazně horší ostrost a slabší detaily než skutečná 12MPx fotka.
Když ale totéž provedeme s 5MPx fotografií, zjistíme, že je rozdíl minimální. Při nejnižší citlivosti váš 12MPx kompakt ve skutečnosti vyfotí zhruba tak 5 megapixelů skutečných detailů. Když tedy budete fotit do 5 MPx, v podstatě se nic až tak zásadního nestane. Ušetříte místo na kartě a co se týče detailů, připravíte se tak akorát o někdy spíše vlezlé doostřování plného rozlišení. U 8MPx snímku (viz níže) už rozdíl v podstatě neexistuje vůbec.
Pozor! Tato ztráta detailů ale není způsobena jen šumem a nesmyslně vysokým rozlišením. Problémem je i to, jak většina čipů vlastně funguje. Protože standardní CCD i CMOS čip nedokáže rozeznávat barvu, ale jen množství světla, je před každým pixelem barevný filtr, který propouští jen zelené, modré nebo červené světlo. Zbytek světla se "zahodí". Kvůli tomu jsou čipy méně citlivé na světlo, než by mohly být. Náš vzorový 12MPx čip tak má ve skutečnosti jen 6 zelených MPx, 3 modré MPx a 3 červené MPx. Protože se ale výsledná barva pixelu musí skládat ze všech tří barevných složek, musí se barvy dopočítávat. To znamená, že máme třeba jeden pixel, u něhož chceme zjistit barvu. Samotný pixel nám ale poskytnul jen hodnotu zelené barvy. Jak zjistíme modrou a červenou? V podstatě se podíváme do okolí a podíl modré a červené složky odhadneme podle okolních pixelů. Tomuto procesu se říká Bayerova interpolace.
A interpolace je ve fotografii hodně nepříjemné slovo. Vaše výsledná fotografie má 12 megapixelů a v každém pixelu 3 barevné informace (červenou, zelenou a modrou), to jest 36 milionů hodnot (12 milionů krát 3). Jenže samotný čip dodal jen 12 milionů hodnot (6 milionů zelených hodnot, 3 miliony modrých a 3 miliony červených). Zbývajících 24 milionů hodnot (tzn. 2/3 fotografie) si prostě vymyslel! Toto je právě důvodem, proč jakákoli fotografie pořízená pomocí čipu s Bayerovou maskou nikdy nemůže mít skutečné rozlišení čipu, ale v praxi je zhruba poloviční. Toto rozdělení pixelů ještě někdy způsobuje velmi "veselé" a nepříjemné artefakty nazývající se moaré, proti kterým se bojuje anti-aliasing filtrem, který nedělá nic jiného, než že rozostřuje snímek. Ale o tom někdy příště.
Jen tak pro legraci Koala ukázala ještě snímek z fotoaparátu s velkým čipem a mnohem nižší pixelovou hustotou. Ten dává očividně mnohem detailnější a ostřejší detaily, což platí zejména pro snímky v RAWu, které jsou bez odšumování (zde bylo aplikováno jen velmi lehké barevné odšumění).

Takže co s tím zatraceným rozlišením? Chceme velké nebo malé? Na to neexistuje jednoznačná odpověď a ani fotografická veřejnost vlastně pořádně neví, co chce a co je nejlepší. Ukázali jsme si, že snížení rozlišení snímku nesnižuje šum, protože se v podstatě vždy fotí do maximálního rozlišení a teprve toto se zmenší. Fotit s 12MPx fotoaparátem do 1MPx rozlišení je totéž jako fotit do 12 megapixelů a na 1 megapixel to zmenšit v počítači. On totiž fotoaparát má v sobě také malý počítač, který toto zmenšení provádí. A to, zda to udělá fotoaparát nebo PC, je v podstatě jedno co do kvality. Otázkou je, zda se vám bude chtít se s tím "drbat" později v PC.

Ukázali jsme si ale i druhou věc, na kterou mnoho lidí hodně často zapomíná. Tou je Bayerova interpolace. I když existují výjimky (např. Sigma Foveon s čipem chytajícím všechny tři barvy v každém pixelu nebo Leica M Monochrome, která pro jistotu barvy neřeší vůbec), dá se říci, že všechny fotoaparáty jsou vybaveny černobílými čipy s barevnými filtry a je nutno pro každý pixel dopočítávat 2/3 barevné informace, což snižuje skutečné praktické rozlišení. Z tohoto důvodu v podstatě nemusí mít význam fotit zásadně v maximálním rozlišení, protože např. 12MPx čip vám většinou nedá více než zhruba 6 MPx užitečné obrazové informace, a to i se superostrým objektivem. Na tuto problematiku se podíváme ještě i v jiných článcích. Ostatně právě čipy Foveon to krásně ukázaly. Mají 4,7 megapixelů, kde každý pixel má červenou, zelenou i modrou složku, takže i s takto "malým" rozlišením se detaily vyrovnal 10MPx zrcadlovkám, které své megapixely dopočítávaly.

Z těchto důvodů je rozlišení pěkně dvojsečná zbraň, zejména u kompaktů. Budete-li mít vysoké rozlišení, a tedy i vysokou pixelovou hustotu, při nízkém ISO můžete dostat detailní snímky, ale už jen za trochu horšího světla a vyšších citlivostí dramaticky poroste šum, odšumování a z vašeho mnohomegapixelového "superfoťáku" se stane párpixelový chudáček. Nižší rozlišení čipu může sice teoreticky způsobit slabší detaily u nižších citlivostí (zpravidla tomu tak ale není, s trochou nadsázky "čím nižší teoretické rozlišení, tím vyšší praktické"), ale příznivě se projeví na pomalém nárůstu šumu u vyšších citlivostí. Možná se tedy nebudete chlubit, že váš nový zázrak má desítky megapixelů, ale na rozdíl od těch přemegapixelovaných příšer si takový fotoaparát zachová své solidní rozlišení i u vyšších citlivostí (resp. ta ztráta nebude tak velká).

Proto mnoho fotograficky vzdělaných lidí žádá kompakty, které nemají dnes módních 16 nebo 18 megapixelů (protože díky odšumování a optice to stejně více než 4 megapixely nevyfotí), ale chtěj třeba 6 až 8. Tady je nutno dávat trochu pozor právě na tu interpolaci. On 6MPx fotoaparát díky ní bude mít jen cca 3 megapixely skutečných detailů, takže není dobré požadavky hnát ani tímto extrémním směrem snižování. Ono se ale stejně nenajde žádný výrobce, který by něco takového v dnešní době vyrobil, takže to ani nemusíme řešit. Koala si např. myslí, že pro 1/2,3" čip je při dnešních technologiích ideální tak 8 až maximálně 12 MPx, víc ani pixel. Po Bayerově interpolaci je to stále velmi slušných skutečných cca 4-6 megapixelů a šum by ještě nemusel být moc vysoký.

Koala by to tedy nyní ráda uzavřela. V podstatě se dá říci, že i v případě, když chceme maximální množství detailů, není nutné fotit do maximálního rozlišení. I s tím nižším dostanete v podstatě totožný obraz (ochuzený o trochu ostrosti ze zbytečného přeostřování - platí zejména pro kompakty), ale není dobré to s tím snižováním přehánět. takže se v podstatě dá doporučit používat rozlišení vyšší než je poloviční rozlišení čipu. Čím kvalitnější objektiv máte, tím vyšší rozlišení by mělo být ve fotoaparátu nastaveno. To by už pro dnešek stačilo a Koala se opět těší na další díl seriálu. Mezitím...
... si ale odpočine v korunách stromů.