Ο μύθος των megapixel: Συσχετίζοντας το βαθμό της διαθέσιμης οπτικής πληροφορίας με την ανθρώπινη όραση*,**

*Το παρόν άρθρο αποτελεί εργασία που υποβλήθηκε στα πλαίσια του μαθήματος ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΙΙΙ(Θ) και δημοσιεύεται με την άδεια του συγγραφέα.
**Άλλες αντίστοιχης θεματικής εργασίες, είναι επίσης διαθέσιμες εδώ και εδώ.

ΤΜΗΜΑ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑΣ & ΟΠΤΙΚΟΑΚΟΥΣΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΩΝ

Ε01-Ο ΜΥΘΟΣ ΤΩΝ MEGAPIXEL

μια εργασία του

ΜΙΧΑΛΗ ΜΑΣΟΥΡΗ-09116

για το θεωρητικό μέρος του μαθήματος ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΙΙΙ

Διδάσκων: ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΚΟΚΚΟΡΗΣ

Εαρινό Εξάμηνο 2010-2011

Με την διατράνωση του διαδικτύου και την πραγμάτωση του “παγκόσμιου χωριού” όπως το οραματίστηκε ο Marshall McLuhan, ο κυβερνοχώρος γέμισε από χιλιάδες “επαναστατικές” τοποθετήσεις των οποίων η εγκυρότητα δεν μπορεί να επικυρωθεί. Σε αυτά τα πλαίσια και με τη βοήθεια ενός φαινομενικά πρόχειρου πειράματος που περιλάμβανε την σύγκριση εικόνων που προέρχονταν από μηχανές με ικανοποιητικές διαφορές στο πλήθος των megapixel (δηλαδή των εκατομμυρίων ελάχιστων εικονοστοιχείων) που προσφέρει ο ψηφιακός τους αισθητήρας, ένας μεσήλικας Αμερικάνος αποπειράθηκε με ένα δισέλιδο άρθρο να καταρρίψει τον “μύθο των megapixel”. Το σχετικά απλοϊκό αυτό άρθρο θα αποτελούσε μια αδιάφορη προσπάθεια αποσύνδεσης της ανάλυσης από την δυνητική ποιότητα εικόνας αν δεν είχε προέλθει από τον David Pogue, έναν βραβευμένο δημοσιογράφο με τεράστιο συγγραφικό έργο, και εν συνεχεία δημοσιευτεί σε μια εφημερίδα με κυκλοφορία άνω του ενός εκατομμυρίου φύλλων ημερησίων, τους Times της Νέας Υόρκης. Η γλαφυρή και κατανοητή γραφή του Pogue, προκάλεσε τεράστιες αντιδράσεις στους αναγνώστες του άρθρου, κάποιοι εκ των οποίων συμφωνούσαν οτι η μεγαλύτερη ανάλυση του CCD (ψηφιακού σενσορα) της μηχανής δεν βελτιώνει πρακτικά το τελικό αποτέλεσμα σε μεσαίου μεγέθους εκτυπώσεις, ενώ άλλοι έτειναν να ειρωνευτούν τις απόψεις του δημοσιογράφου.

Πρακτικά, αυτό που έκανε ο Pogue, ήταν να δημιουργήσει ψηφιακά τρεις εκδόσεις της ίδια φωτογραφίας που αντιστοιχούσαν σε αναλύσεις των πέντε, οκτώ και δεκατριών megapixel, να τις εκτυπώσει σε διάσταση 40 επί 60 εκατοστόμετρων και να τις βγάλει σε κοινή θέα ώστε να ελέγξει εάν οι περαστικοί μπορούν να εντοπίσουν διαφορά στην ποιότητα. Μόνο σε μια περίπτωση κατάφερε κάποιος να κατηγοριοποιήσει σωστά τις φωτογραφίες ως προς την προέλευση τους, επικυρώνοντας έτσι, σε πρώτο στάδιο, τους ισχυρισμούς. H ψηφιακή προέλευση των τριών εικόνων από ένα πρωτότυπο , προκάλεσε αντιδράσεις στο κοινό και έτσι το πείραμα επαναλήφθηκε, αυτή τη φορά με την χρήση μια επαγγελματικής full frame μηχανής, λαμβάνονταν τρεις φωτογραφίες από το ίδιο αντικείμενο με διαφορετικό ζουμ, ώστε μετά το απαραίτητο κροπάρισμα να προκύψουν εικόνες των 7, 10 και 16.7 megapixel. Και πάλι, μόνο το 6% όσων βρέθηκαν μπροστά στις εκτυπώσεις των τριών εικόνων κατάφεραν να τις χαρακτηρίσουν ορθά, οδηγώντας τους αναγνώστες σε έναν ενδιαφέρων προβληματισμό: “Μήπως τελικά έχει δίκιο αυτός ο ιδιόρρυθμος αρθρογράφος όταν λέει ότι η όποια επιπλέον ποιότητα που μπορεί να προσφέρει μια μηχανή άνω των έξι megapixel δεν μπορεί πρακτικά να ανιχνευθεί”;

Για να αναλυθεί η πορεία της ποιότητας της εικόνας από την στιγμή που καταγράφεται το είδωλο του αντικειμένου στην πλάτη της μηχανής, μέχρι να εκτυπωθεί και να καταλήξει στα οπτικά νεύρα του ανθρώπινου εγκεφάλου, πρέπει να καταγραφούν και να αξιολογηθούν τα πιθανά στάδια υποβάθμισης της εικόνας. Το παρακάτω σχηματικό διάγραμμα ροής μπορεί να διευκολύνει τον εντοπισμό των παραγόντων που επηρεάζουν αυτό που τελικά αντιλαμβάνεται ο άνθρωπος από μια εικόνα.

Σε κάθε περίπτωση όμως πρέπει να υπογραμμιστεί ότι κάθε νέα γενιά εικόνας που προκύπτει, θα είναι μειωμένης ποιότητας σε σχέση με την αντίστοιχη προηγούμενη χάρη σε έναν βασικό κανόνα της φυσικής, που όμως μπορεί να εφαρμοστεί και εδώ, την εντροπία. H εντροπία είναι η φυσική τάση μεταβίβασης των πραγμάτων κάθε φορά προς μια κατάσταση μεγαλύτερης αταξίας. 'Έτσι, η πληροφορία μπορεί μόνο να περάσει σε κατώτερα στάδια, οδηγώντας σε απώλεια τόσο της οξύτητας (acuteness), όσο και της διαχωριστικής ικανότητας (resolving power) του συστήματος. Με βάση τα παραπάνω, ακόμα και η βέλτιστη μηχανή δεν μπορεί να αναπαραστήσει πλήρως την πραγματικότητα, η υποθετική ύπαρξη ενός τέλειου εκτυπωτή δεν θα μπορούσε να αποδώσει αψεγάδιαστα μια εικόνα και το κυριότερο, το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες να μεταφέρει το σύνολο της πληροφορίας στον εγκέφαλο. Αυτό που σχετίζεται αμεσότερα με την τοποθέτηση του Pogue, είναι αυτά ακριβώς τα όρια της ανθρώπινης όρασης, που μέσα από την αξιολόγηση της διακριτικής ικανότητας του οπτικού συστήματος, μπορούν ή όχι να εκμεταλλευτούν την πληροφορία που προσφέρει η επιπλέον ανάλυση μιας ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής, κάτω από ιδανικές συνθήκες φωτογράφησης και εκτύπωσης.

Η κατανόηση των βασικών άρχων λειτουργίας του ανθρώπινου οφθαλμού συνδυασμένη με βασικές γνώσεις γεωμετρίας μπορεί να ξεκλειδώσει το προαναφερθέν αίνιγμα. Το ανθρώπινο μάτι αποτελεί μια πολύπλοκη φυσική μηχανή που επιτρέπει στο φως να ενεργοποιήσει το κατάλληλο οπτικό νεύρο στέλνοντας σήμα στον εγκέφαλο. Πιο συγκεκριμένα, το φως διερχόμενο από τον κερατοειδή χιτώνα και τον κρυσταλλοειδή φακό, ακολουθεί τον οπτικό άξονα σχηματίζοντας το κατάλληλο είδωλο στον αμφιβληστροειδή,την φωτοευαίσθητη επιφάνεια που βρίσκεται στο πίσω μέρος του οφθαλμού. Στον ανθρώπινο αμφιβληστροειδή υπάρχουν δύο ειδών φωτοευαίσθητοι υποδοχείς: τα ραβδία και τα κωνία. Στην περιοχή όμως του αμφιβληστροειδή που η όραση είναι βέλτιστη, στην ωχρά κηλίδα, υπάρχουν μόνο κωνία, σε μεγάλο πλήθος και σε ξεχωριστή το καθένα σύνδεση με το αντίστοιχο οπτικό νεύρο. Ως αποτέλεσμα της περίθλασης, για να γίνουν οριακά αντιληπτές δυο διακριτές φωτεινές σημειακές πηγές θα πρέπει ανάμεσα στα είδωλα που δημιουργούνται στον αμφιβληστροειδή να παρεμβάλλεται τουλάχιστον ένα κωνίο. Το παραπάνω δεδομένο σε συνδυασμό με το κριτήριο του Rayleigh , σύμφωνα με το οποίο “η ελάχιστη γωνία υπό την οποία δύο σημεία αντιλαμβάνονται ως ξεχωριστά, επιτυγχάνεται όταν οι φωτεινές πηγές των δύο σημείων διαχωρίζονται με μια απόσταση ίση με το μισό της διαμέτρου τους”, οδηγεί στον υπολογισμό του γωνιακού διακριτικού ορίου δ για τον ανθρώπινο οφθαλμό.

Λαμβάνοντας υπόψιν ότι η διάμετρος των κωνίων κοντά στην ωχρά κηλίδα είναι 2,5 μm και η διάσταση της κοιλότητας του βολβού είναι 15mm,   από το δεξιά (μικρότερο) τρίγωνο προκύπτει  ότι

και κατά συνέπεια , οτι

Δηλαδή στο μεγάλο τρίγωνο, αριστερά, ισχύει για το αντικείμενο μεγέθους L που βρίσκεται σε απόσταση α, η σχέση

που μας οδηγεί στο συμπέρασμα οτι “για να παρατηρήσει κάποιος ένα αντικείμενο μεγέθους L,  πρέπει να βρίσκεται σε απόσταση α μικρότερη από 3000 επί το L”.

Αφήνοντας στην άκρη τις αρχές τις οπτικής και κάνοντας κάποιους απλούς μαθηματικούς υπολογισμούς, είναι δυνατό να συσχετιστεί η πραγματική απόδοση μιας μηχανής με την ανάλυση του ψηφιακού της σένσορα. Μια τυπική ανάλυση φωτογραφίας των 10megapixel αντιστοιχεί περίπου σε 3900 οριζόντια και 2600 κάθετα εικονοστοιχεία. Θεωρώντας ως μέγεθος εκτύπωσης αυτό που επέλεξε ο Pogue για το “πείραμα” του, δηλαδή 60 x 40 εκατοστόμετρα, καταλήγουμε στο ότι το μέγεθος του κάθε εκτυπωμένου εικονοστοιχείου δεν έχει μεγαλύτερες διαστάσεις από 0,15x0,15mm . Σε αυτό το στάδιο, γίνεται απαραίτητη η σχέση μεταξύ μεγέθους αντικειμένου και απόσταση παρατήρησης που αποδείχθηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Εφαρμόζοντας αυτόν τον τύπο λοιπόν, η μέγιστη απόσταση που μπορεί το ανθρώπινο μάτι να ξεχωρίσει δύο διαφορετικά εικονοστοιχεία, σε μια εκτύπωση 60x40 των 10 megapixel, είναι τα 45 εκατοστά. Με αντίστοιχους υπολογισμούς, προκύπτει ότι στα 7 megapixel και μέγεθος εικονοστοιχείου 0,18x0,18εκ αναλογεί μέγιστη απόσταση παρατήρησης 54 εκατοστών, ενώ η απόσταση πέφτει στα μόλις 36 εκατοστά στην περίπτωση που η λήψη γίνεται από μηχανή των 16,7 megapixel (διάσταση εικονοστοιχείου 0,12x0,12εκ). Συνυπολογίζοντας το γεγονός ότι η βέλτιστη όραση στον άνθρωπο επιτυγχάνεται σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 25 – 30 εκατοστών, καταλήγουμε στο συμπέρασμα οτι επιτυχής χαρακτηρισμός των εκτυπώσεων θα μπορούσε να επιτευχθεί μόνο από ένα μάτι με τέλεια όραση που βρισκόταν σε απόσταση μεταξύ 30 και 36 εκατοστών από ένα φωτογραφικό θέμα με μέγιστη αντίθεση και υπό τέλειες φωτιστικές συνθήκες. Λαμβάνοντας όμως υπόψη ότι η μέγιστη αντίθεση και το τέλειο φως δεν αποτελούν προϋποθέσεις κανενός φωτογραφικού έργου, καθώς και το γεγονός οτι η ικανότητα όρασης του ανθρώπου φθίνει γραμμικά αντιστρόφως ανάλογα με την ηλικία του, οδηγούμαστε στην επιστημονική επαλήθευση των λεγόμενων του David Pogue.

Παραταύτα, η τεκμηρίωση μιας πειραματικής κατάστασης που σχετίζεται με την ανάλυση του ψηφιακού σένσορα δεν οδηγεί υποχρεωτικά σε κατάρρευση της χρηστικότητας των νεότερων τεχνολογιών καθιστώντας άχρηστες μια σειρά από φωτογραφικές μηχανές τελευταίας γενιάς. Ένα από τα δεδομένα του πειράματος ήταν η σύγκριση εκτυπώσεων διάστασης 60x40 εκατοστών. Είναι προφανές οτι ένας επαγγελματίας φωτογράφος συχνά θα χρειαστεί πολύ μεγαλύτερες εκτυπώσεις από 60x40, οπότε η μεγαλύτερη ανάλυση της φωτοευαίσθητης επιφάνειας αποτελεί απαραίτητο εργαλείο επίτευξης των όποιων στόχων. Αυτό όμως που πρέπει σε κάθε περίπτωση να αποφευχθεί είναι η παρανόηση ότι η ποιότητα της εικόνας μιας μηχανής είναι ανάλογη των megapixel που μπορεί αυτή να αναπαραστήσει. Για παράδειγμα, ανάμεσα στα μοντέλα που ακόμα παράγει η εταιρία Nikon, βρίσκεται η SLR D40 των 6megapixel και η Coolpix s2500 των 12 megapixel. Η πενταπλάσια τιμή της πρώτης έναντι της δεύτερης δικαιολογεί επαρκώς την ποιοτική διαφορά των δύο μηχανών σε τομείς μείζονος σημασίας όπως η ποιότητα των φακών, το μέγεθος του CCD, η ταχύτητα λήψης και το επίπεδο θορύβου. Αυτό που εντυπωσιάζει όμως είναι η έλλειψη ενός συστήματος αξιολόγησης που θα υιοθετείτο από τις μεγάλες εταιρίες παραγωγής για την ολοκληρωμένη κρίση των μηχανών τους. Κάτι ανάλογο έχει χρησιμοποιηθεί από ανεξάρτητους φορείς, όπως ο υποκειμενικός παράγοντας ποιότητας (Subjective Quality Factor – SQF) που εφαρμόζουν περιοδικά και ιστοσελίδες για να ελέγξουν την διακριτότητα των εικονοστοιχείων σε μια φωτογραφία, και την οπτική εμπειρία στο όλον της, αλλά φαίνεται ότι η αγορά απαιτεί έναν πιο ευκολονόητο και διαχειρίσιμο κριτή για τα προϊόντα που την κατακλύζουν , ρόλο που καλύπτει η ανάλυση σε megapixel του ψηφιακού σενσορα.

Συνοψίζοντας λοιπόν τα παραπάνω, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι επιβεβαιώνοντας το πείραμα του Pogue, όπως αυτό δημοσιεύτηκε το 2007 στους Times της Νέας Υόρκης, επιβάλλεται να καταρριφθεί το πλήθος των megapixel ως επαρκής μέθοδος κρίσης της παραγόμενης εικόνας. Η αναζήτηση των πραγματικών αναγκών του φωτογράφου, ερασιτέχνη ή επαγγελματία, μπορεί να τον οδηγήσει σε μια ισορροπημένη επιλογή φωτογραφικών εργαλείων και σε δεύτερο επίπεδο να του γλιτώσει κάποιες εκατοντάδες ευρώ. Αυτό που σε κάθε περίπτωση θα διευκόλυνε την κατάσταση θα ήταν η επιθυμία των κατασκευαστών να αφήσουν στην άκρη το στείρο κυνήγι των megapixel και να κινηθούν προς μια πολυδιάστατη βελτίωση των προϊόντων τους, διευκολύνοντας το κοινό να κατανοήσει την αξία των επιμέρους στοιχείων μιας φωτογραφικής μηχανής. H αντικατάσταση από την Canon της G10 των 14.7 megapixel απο την G11 και την G12 των μόλις 10 megapixel, βελτιώνοντας παράλληλα την μηχανή σε μεγάλο βαθμό στο σύνολο της, ίσως αποτελεί ένα πρώτο δείγμα αυτής της επιθυμητής τάσης.

Πηγές

1. Pogue, D. (2007): Breaking the Myth of Megapixels, www.nytimes.com/2007/02/08/technology/08pogue.html
2. Pogue, D. (2007): Last Notes on Megapixel Myth, http://pogue.blogs.nytimes.com/2007/02/15/deconstructing-the- megapixel-myth/
3. Αλεξόπουλος, Δ. Μαρίνος, Ι (1992): Γενική Φυσική - Οπτική, Εκδ. Κοκοτσάκης Σωκράτης 
4. Serway, R (1991): Physics for Scientists and Engineers – τόμος ΙΙΙ Θερμοδυναμική, Κυματική, Οπτική, Εκδ. Ρεσβάνης 
5. Αραβαντινός, Α (2007): Επιστημονική Φωτογραφία – Φωτοτυπίες Διαφανειών, ΤΕΙ Αθήνας
6. Πλαϊνής, Σ (2005): Διακριτική Ικανότητα του Οφθαλμού-Οπτική Οξύτητα, Πανεπιστημιο Κρήτης
7. Imatest (2011): Introduction to SQF, www.imatest.com/docs/sqf.html