Đánh giá chất lượng ống kính qua MTF, độ phân giải và độ tương phản

Chất lượng ống kính là quan trọng hơn bao giờ hết, do số lượng độ phân giải của cảm biến ngày càng tăng cùng với sự phát triển của công nghiệp ảnh số. Thông thường, độ phân giải của ảnh thực chất bị giới hạn bởi ống kính chứ không phải ở độ phân giải của máy ảnh. Tuy nhiên, giải mã biểu đồ MTF và so sánh độ phân giải của các ống kính khác nhau cho thấy điều này. 

Độ phân giải và độ tương phản - Resolution & Contrast

Mọi người đều khá quen thuộc với khái niệm độ phân giải của ảnh, và không may thông số này lại thường được người dùng sử dụng như là một thước đo duy nhất. Độ phân giải ở đây chỉ mô tả mức độ chi tiết mà ống kính có thể bắt được, và không nhất thiết phải là chất lượng của chi tiết bắt được. Các yếu tố khác lại đóng góp nhiều hơn về việc làm ảnh có chất lượng và sắc nét hơn.

Để hiểu được điều này, hãy xem những gì xảy ra khi hình ảnh đi qua ống kính và được ghi lại trên cảm biến của máy ảnh. Để cho mọi việc đơn giản, chúng ta sẽ sử dụng hình ảnh xen kẽ các đường trắng và đen (các cặp). Nếu ngoài độ phân giải của ống kính, các đường này sẽ không còn được phân biệt nữa:

Với hai ống kính có độ phân giải như nhau, chất lượng rõ ràng của hình ảnh sẽ được xác định ở việc ống kính nào bảo tồn được độ tương phản thì hình ảnh sẽ sắc nét hơn. Tuy nhiên, để làm một so sánh công bằng giữa các ống kính, chúng ta cần phải thiết lập một cách để xác định số lượng bị mất trong chất lượng hình ảnh...

MTF: Modulation Transfer Function

MTF định lượng như thế nào sự thay đổi độ sáng của các khu vực trên đối tượng được bảo tồn khi đi qua ống kính. Ví dụ dưới dây minh hoạ cho một đường MTF của một ống kính hoàn hảo:
Tại giá trị MTF 1.0 thể hiện tính bảo toàn độ tương phản hoàn hảo, trong khi các giá trị nhỏ hơn có nghĩa là độ tương phản đang bị mất, cho đến khi MTF bằng 0, tại đó các cặp đường đen trắng sẽ không phân biệt được nữa. Giới hạn của độ phân giải này là không thể tránh khỏi trong bất kỳ ống kính nào; nó chỉ phụ thuộc duy nhất vào khẩu độ của ống kính, và không liên quan gì đến độ phân giải của máy ảnh. Biểu đồ sau đây so sánh sự khác nhau giữa ống kính hoàn hảo và hai ống kính khác:

[TABLE="width: 600, align: center"]
[TR]
[TD="align: center"]  
Ống kính chất lượng cao[/TD]
[TD="align: center"]  
Ống kính chất lượng không cao bằng[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Đường màu blue thể hiện giá trị MTF của ống kính hoàn hảo. Trong thực thế không có ống kính nào chỉ bị giới hạn bởi nhiễu xạ, mặc dù với ống kính high-end có đường MTF khá gần với giới hạn này so với ống kính có chất lượng thấp hơn.

Các cặp đường đen trắng thường được mô tả bằng tần số/tần suất của chúng: số lượng các dòng trong 1 đơn vị chiều dài. Tần số này thường được mô tả bằng đơn vị: LP/mm (Line Pair/mm), hoặc LW (Line Width).

Tần số cao nhất mà ống kính có thể ghi nhận được mà không mất hơn 50% giá trị MTF (MTF-50) là một số quan trọng, bởi vì nó tương quan với độ sắc nét. Với ống kính cao cấp tại giá trị MTF-50 với tần số 50LP/mm có thể cho hình ảnh sắc nét hơn rất nhiều so với ống kính chất lượng thấp tại giá trị MTF-50 với tần số 20LP/mm (với ảnh chụp trên cùng camera và cùng khẩu độ).

Tuy nhiên, tần số và MTF ở trên không phải là cách so sánh ống kính thông thường. Mà chỉ là cách để biết độ phân giải tối đa và giá trị MTF tại một tần số là đủ. Cái quan trọng hơn là MTF thay đổi như thế nào dọc theo khoảng cách từ trung tâm của hình ảnh.

MTF thường được đo dọc theo một đường thẳng dẫn ra từ trung tâm của ảnh đến các góc với một tần số xác định, thường là 10-30 LP/mm. Các đường này có thể song song hoặc vuông góc với đường trục từ tâm ra góc. Ví dụ dưới đây cho thấy những đường này có thể được đo và hiển thị trên một biểu đồ MTF của một máy full frame:

[TABLE="width: 600, align: center"]
[TR]
[TD="align: center"]  
Kiểu đo song song[/TD]
[TD="align: center"]  
Kiểu đo vuông góc[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Độ chi tiết tại trung tâm của ảnh hầu như luôn luôn có giá trị MTF cao nhất, các vị trí xa trung tâm sẽ có giá trị MTF thấp dần. Đây là lý do tại sao các góc của ống kính máy ảnh hầu như luôn luôn có hình ảnh mềm nhất và chất lượng thấp nhất.

Cách đọc và hiểu biểu đồ MTF

Bây giờ chúng ta có thể đặt tất cả các khái niệm trên vào thực tế bằng cách so sánh thuộc tính của một ống kính zoom và một ống kính fix:
[TABLE="width: 600, align: center"]
[TR]
[TD="align: center"]  
Canon 16-35mm f/2.8L II Lens
(zoom set at 35mm)[/TD]
[TD="align: center"]  
Canon 35mm f/1.4L Prime Lens[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Trên trục đứng, chúng ta có giá trị MTF, giá trị 1.0 thể hiện hình ảnh hoàn hảo của các cặp dòng, và 0 thể hiện việc không thể phân biệt các cặp được nữa. Trên trục ngang, chúng ta có khoảng cách từ trung tâm của ảnh, với 21.6mm là chiều dài đến các góc của máy ảnh full frame 35mm. Với các máy 1.6X, chúng ta có thể bỏ qua các giá trị sau 13.5mm. Ngoài ra, bất kỳ giá trị nào ngoài khoảng 18mm trên máy ảnh full frame sẽ chỉ nhìn thấy trên các góc xa nhất của khung hình:
[TABLE="width: 600, align: center"]
[TR]
[TD="align: center"]  
Full Frame 35 mm Sensor[/TD]
[TD="align: center"]  
1.6X Cropped Sensor[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Nhìn vào tổng thể các đường trên biểu đồ MTF sẽ khó hiểu, cách để xem chúng như thế nào phụ thuộc vào từng cá nhân. Mỗi đường thể hiện giá trị MTF ở một điều kiện khác nhau. Ví dụ, một đường sẽ thể hiện giá trị MTF khi khẩu độ mở là f/4.0, trong khi một đường khác là giá trị MTF khi khẩu độ mở là 8.0. Một trở ngại lớn để hiểu và đọc được biểu đồ MTF là phải biết mỗi đường đề cập đến điều kiện gì.

Mỗi đường ở trên có 3 thuộc tính: Độ dày, Màu sắc và Kiểu. Đây là bảng phân tích những thuộc tính đó:

[TABLE="class: grid, width: 500, align: center"]
[TR]
[TD]Độ dày[/TD]
[TD]Đường dày -> 10 LP/mm - Độ tương phản (trong quy mô nhỏ)
Đường mỏng -> 30 LP/mm - Độ phân giải chi tiết[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Màu sắc[/TD]
[TD]Blue -> Khẩu độ f/8.0
Black -> Khẩu độ lớn[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Kiểu[/TD]
[TD]Ngắt quãng -> LP vuông góc
Liền -> LP song song[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Như vậy kết hợp cả 3 thuộc tính trên biểu đồ sẽ có tổng cộng 8 đường MTF khác nhau. Ví dụ, đường dày màu blue và ngắt quãng là MTF vuông góc 10 LP/mm ở khẩu độ f/8.0.

Đường màu Black. Đây là đường liên quan nhiều nhất đến việc sử dụng ống kính của bạn trong điều kiện ánh sáng yếu, cần phải đóng băng chuyển động nhanh, hoặc cần độ sâu trường ảnh mỏng. MTF của đường màu đen gần như luôn luôn là kịch bản của trường hợp xấu nhất (trừ khi bạn sử dụng khẩu độ nhỏ).

Trong ví dụ trên, đường màu đen lại không phải là đường so sánh một cách công bằng, do khẩu độ khác nhau của mỗi ống kính (ống zoom sử dụng khẩu độ f/2.8 trong khi ống fixed sử dụng khẩu độ f/1.4). Đây là lý do tại sao đường màu đen trên biểu đồ MTF của ống fixed nhìn thật tệ (thực tế so sánh sai lệch như vậy hơi khập khiễng).

Đường màu Blue. Thông số này liên quan nhiều nhất đến việc sử dụng ống kính của bạn để chụp phong cảnh, hoặc trong trường hợp bạn muốn tối đa độ sâu trường ảnh và độ sắc nét. Nó cũng rất hữu ích khi so sánh vì đường này được tính toán ở khẩu độ giống nhau: f/8.0.

Trong ví dụ trên, ống fixed có biểu đồ MTF luôn tốt hơn so với ống zoom tại tất cả các vị trí, kể cả hai loại: 30LP/mm và 10 LP/mm. Ưu điểm của ống fixed thậm chí còn rõ rệt hơn ngay ở ngoài rìa của ảnh.

Đường dày và đường mỏng. Đường dày mô tả lượng tương phản trong khi đường mỏng lại mô tả độ phân giải và độ chi tiết. Đường dày thường được ưu tiên hơn, giá trị càng cao thì có nghĩa là ảnh càng có cảm giác ba chiều, tương tự như những gì xảy ra khi thực hiện tăng cường độ tương phản cục bộ.

Trong ví dụ trên, cả hai ống kính có độ tương phản tương đương nhau tại f/8.0, mặc dù ống fixed có thể tốt hơn một chút. Ống zoom hầu như không mất bất kỳ độ tương phản nào khi được sử dụng ở khẩu độ lớn khi so sánh với khẩu độ f/8.0. Trong khi đó, ống fixed mất khá nhiều độ tương phản khi chuyển từ f/8.0 xuống f/1.4, nhưng có thể khác khá nhiều nếu chuyển từ f/8.0 xuống f/2.8.

Loạn thị: Dọc và Ngang

Đường liền & Đường ngắt quãng. Đến đây bạn có thể thắc mắc: tại sao phải dùng cả hai đường LP vuông góc và LP song song? Chúng không giống nhau? Đúng là như vậy, tại giữa ảnh thì chúng giống nhau. Tuy nhiên khi dần ra các góc thì lại khác. Khi đường liền và đường ngắt quãng trở nên khác nhau, có nghĩa là lượng mờ ở các hướng là không như nhau nữa. Hiện tượng làm giảm chất lượng này gọi là loạn thị, như minh hoạ dưới đây:

Khi giá trị MTF của đường song song lớn hơn đường vuông góc, thì hình ảnh mờ/nhoè theo chiều hướng từ trung tâm hướng ra các phía. Ngược lại, hình ảnh sẽ mờ/nhoè theo hướng ngược lại khi giá trị MTF của đường song song nhỏ hơn đường vuông góc.

Lưu ý: Với các ống kính góc rộng, MTF của đường vuông góc thường nhỏ hơn đường song song. Vì vậy, khi góc nhìn trở nên rộng hơn, đối tượng ở gần các cạnh bị kéo dài/bóp méo theo các hướng từ trung tâm ra bên ngoài.

Trong bảng MTF của ống kính zoom và fixed ở trên, cả hai ống kính đều có biểu hiện loạn thị rõ rệt ở các cạnh của hình ảnh. Tuy nhiên, với ống kính fixed, có vài điều thú vị: kiểu loạn thị bị đảo ngược khi so sánh tại f/1.4 và f/8.0. Tại f/8.0, ống kính chủ yếu làm mờ theo hướng từ trung tâm hướng ra (khá phổ biến). Trong khi tại f/1.4 thì mờ theo hướng ngược lại (ít phổ biến hơn).

Loạn thị có ý nghĩa gì? Có lẽ ý nghĩa lớn nhất là các công cụ làm sắc nét tiêu chuẩn không thể thực hiện được như dự định. Vì các công cụ này giả định rằng làm mờ hình ảnh là bình đẳng trong tất cả các hướng, vì vậy có thể khiến hình ảnh có thể sắc nét cạnh này trong khi các cạnh khác lại vẫn mờ. Loạn thị cũng có thể là vấn đề với các hình ảnh có chứa các ngôi sao hoặc các nguồn sáng điểm khác, do hình ảnh sẽ bị làm mờ bất đối xứng.

MTF & Khẩu độ: Tìm "SWEET SPOT" của ống kính

MTF của một ống kính thường tăng dần trong một khoảng khẩu độ, đạt giá trị tối đa tại một khẩu độ và cuối cùng lại giảm dần trong một khoảng khẩu độ tiếp theo. Hình sau đây thể hiện giá trị MTF-50 tại các khẩu độ khác nhau của một ống kính chất lượng cao:

Khẩu độ tương ứng với giá trị MTF lớn nhất được gọi là "sweet spot" của lens, do hình ảnh chụp được có độ tương phản và sắc nét nhất. Trên máy ảnh full frame hoặc máy crop, điểm "sweet spot" này thường có giá trị từ f/8.0 đến f/16, phụ thuộc vào từng ống kính. Vị trí của điểm "sweet spot" cũng độc lập với độ phân giải của cảm biến máy ảnh:

Lưu ý:

• Ở khẩu độ lớn, độ phân giải và độ tương phản thương bị giới hạn bởi quang sai của ánh sáng.
• Quang sai xảy ra khi ống kính được thiết kế không hoàn hảo khiến một điểm của nguồn sáng không hội tụ thành một điểm trên cảm biến.
• Ở khẩu độ nhỏ, độ phân giải và độ tương phản thường bị giới hạn bởi nhiễu xạ.
• Không giống như quang sai, nhiễu xạ là một giới hạn vật lý do sự tán xạ của ánh sáng, và đó không phải là lỗi của việc thiết kế ống kính.
• Ống kính chất lượng cao và thấp thường tương tự nhau khi dùng ở khẩu độ nhỏ (từ f/16-f/22 trên máy ảnh full frame và crop).
• Ở khẩu độ lớn, ống kính chất lượng cao thực sự khác biệt hẳn, bởi vì vật liệu và kỹ thuật của ống kính quan trọng hơn nhiều. Trong thực tế, một ống kính hoàn hảo thậm chí không có một "sweet spot", khẩu độ tối ưu sẽ là khẩu độ lớn nhất.

Tuy nhiên, không nên kết luận rằng khẩu độ tối ưu là hoàn toàn độc lập với những gì người chụp muốn chụp. Điểm "sweet spot" ở giữa ảnh có thể không tương ứng với các khu vực ở cạnh và góc, điều này thường đòi hỏi sử dụng khẩu độ nhỏ hơn. Hơn nữa, giả sử rằng đối tượng đã được lấy nét hoàn hảo, các đối tượng nằm ngoài khoảng nét vẫn có thể được làm sắc nét hơn khi f-stop lớn hơn giá trị "sweet spot".

So sánh các máy ảnh khác nhau và ống kính khác nhau

Một vấn đề lớn là khái niệm MTF không được quy chuẩn. So sánh các biểu đồ MTF khác nhau là khá khó khăn, và trong một số trường hợp là không thể. Ví dụ, biểu đồ MTF của Canon và Nikon không thể so sánh trực tiếp, vì Canon sử dụng cách tính toán lý thuyết, trong khi Nikon sử dụng phép đo.

Tuy nhiên, nếu ai đó tiến hành kiểm tra MTF riêng thì có thể sử dụng để so sánh được. Nhưng lúc đó phải quy chuẩn các vấn đề như: cảm biến máy ảnh, chuyển đổi RAW, và có thể thêm các công cụ làm sắc nét, xử lý ảnh...

Cảm biến Crop và Full Frame. Cũng không thể so sánh một biểu đồ MTF nhận được từ một máy ành full frame và một máy ảnh crop được. Ví dụ: một đường MTF 30 LP/mm trên máy ảnh full frame không tương ứng với máy ảnh crop 1.6, mà nó phải tương đương với MTF 48 LP/mm.

Giới hạn của biểu đồ MTF

Biểu đồ MTF có lẽ là một công cụ khá mạnh để đánh giá (và so sánh) chất lượng ống kính, nhưng nó vẫn có nhiều hạn chế. Trong thực tế, một biểu đồ MTF không nói gì về:

• Chất lượng màu sắc và quang sai màu sắc
• Sự biến dạng của hình ảnh
• Kỹ thuật làm mờ (ánh sáng giảm dần về các cạnh của hình ảnh)
• Độ nhạy cảm của ống kính với hiện tượng loé sáng

Hơn nữa, các yếu tố khác như tình trạng của thiết bị và kỹ thuật chụp cũng ảnh hưởng đến chất lượng của hình ảnh hơn là sự khác biệt trên biểu đồ MTF. Một số các yếu tố làm giảm chất lượng có thể:

• Độ lấy nét chính xác
• Máy ảnh rung
• Bụi trong cảm biến
• Vết sước nhỏ, độ ẩm, dấu vân tay hoặc các lớp phủ khác trên ống kính

Mặc dù biểu đồ MTF là công cụ rất tinh vi và đáng kinh ngạc mô tả rất khoa học, nhưng chất lượng ảnh còn rất khác xa giữa hình ảnh trên máy tính và khi in thực tế. Rất khó mà nói rằng hình ảnh sẽ đẹp hơn nếu chỉ dựa trên biểu đồ MTF, bởi vì nó là các yếu tố cạnh tranh giữa: độ tương phản, độ phân giải, loạn thị, khẩu độ, độ méo, .v.v. một ống kính thường không thể đạt được giá trị tối ưu tất cả các yếu tố trên. Nếu bạn không thể nêu được sự khác nhau giữa các hình ảnh được chụp với các ống kính trong điều kiện tương tự thì bất cứ sự khác biệt MTF nào của chúng cũng không quan trọng.

Cuối cùng, ngay cả khi một ống kính có biểu đồ MTF tồi tệ hơn một ống kính khác, thì các công cụ làm sắc nét và tăng cường độ tương phản cục bộ cũng có thể giúp cải thiện rất nhiều khi in ảnh, miễn là sự khác biệt với chất lượng ban đầu không quá lớn.

Đây là một nội dung trong loạt bài viết cùng tìm hiểu và nâng cao trình độ chụp ảnh!