Pixel shift Voorbij de megapixelgrenzen

Tekst: Dré de Man

 

Het idee is veelbelovend. Je kunt als fabrikant als je meer megapixels wil, gewoon het aantal pixels op een sensor vergroten. Dat is echter erg duur en als je niet je eigen sensoren maakt of ontwerpt, waarschijnlijk onmogelijk. Bovendien heeft het nadelen op het punt van diffractie en ruis. Maar als de camera over IBIS (stabilisatie in de camerabody) beschikt, kun je ook de sensor tussen het maken van opnamen laten bewegen en verschillende opnamen samenvoegen. Dat geeft dan hetzelfde effect als van meer (mega)pixels. Laat je de sensor in totaal de afstand van één pixel bewegen, dan zie je in één richting dubbel zoveel details en dus in beide richtingen samen vier keer zo veel. Je krijgt dus een beeld met vier keer zo veel megapixels. 

En de nadelen van een grotere sensor, heb je die bij pixel shift niet? Het levert een flinke vermindering van ruis op vergeleken met een even grote opname gemaakt zonder pixel shift. Het voordeel vergeleken met een grotere sensor met meer megapixels is duidelijker en kleiner. Je komt op die manier ook niet van de diffractie af. Weliswaar hebben de afzonderlijke opnamen er niet veel last van, maar wanneer je ze gaat combineren, dan vergroot je zowel het beeld als de diffractie. Je kunt ook zeggen: de diafragmaopening blijft fysiek hetzelfde en wordt dus relatief kleiner. In theorie zou je die opnamen dan kunnen maken met een groter diafragma, dan verlaag je de diffractie weer. Of dat een reële mogelijkheid is, zullen we straks zien. Het voordeel van een veel lagere prijs voor de sensor is in ieder geval reëel en dat is op zich aantrekkelijk genoeg.

Dat wil zeggen: áls je dan ook een echte winst qua scherpte krijgt. Diffractie zal die winst flink verkleinen en er zijn ook andere spelbedervers. Diffractie wordt uitvoerig behandeld in het artikel verderop in dit nummer, dus hier wordt het bekend verondersteld.

In de praktijk hebben objectieven allerlei beeldfouten. Die beeldfouten corrigeer je weer door te diafragmeren, dus een objectief heeft een diafragmawaarde, waarbij de scherpte maximaal is. Voor vrijwel alle objectieven (op die paar lange teleobjectieven na) geldt: dat optimale diafragma verschilt voor de hoeken en het centrum. In het centrum is een heel goed objectief al vaak na één of twee stops optimaal, in de hoeken pas na drie of meer stops. 

In de volgende grafiek heb ik daarom drie lijnen weergeven: één lijn voor het ideale objectief, een tweede voor een heel erg goed objectief in het centrum het de derde voor een goed objectief in de hoeken.

Verder heb ik dan vijf camera’s of camera-instellingen weergegeven, van links naar rechts:

De Canon R5 met pixel shift (400 megapixels), de Nikon Z f met pixel shift (98 megapixel) en de Sony 7r5 (60 megapixel), Nikon Z 8 (45 megapixel) en de Nikon Z f zonder pixel shift (24 megapixel).

 

<<<Reeks 1 moet worden: ideaal, reeks 2 centrum, reeks 3 hoek>>>

 

De waarden van alle camera’s zijn berekend op basis van bestaande gegevens, deels op basis van eigen tests. Bij de Nikon Z f met pixel shift heb ik het ook nog eens getest. Voor de test met de Z f heb ik een objectief gebruikt dat ik vaak als referentie-objectief heb gebruikt bij andere tests. Bij deze AF-S Nikkor 14-24mm f/2.8 bij 21mm) kwam ik vrijwel precies op de berekende waarden uit. Het optimale diafragma bleek (tussenliggende waarden heb ik deze keer niet getest) f/8 en bij f/5,6 en bij f/4 bleek de centrumscherpte nog groter te zijn. Bij f/5,6 hielp het echter niet omdat de hoeken nog niet optimaal waren. Bij f/4 zag ik dat fenomenale waarden worden bereikt van bijna 500 lp/mm maar ook daar heb je weinig aan: je ziet het pas wanneer je tot 300% inzoomt en in combinatie met de sensor verlies je weer veel. 

Nog meer gegevens

Nu nog enkele gegevens, maar dan in een tabel en met enkele camera’s met respectievelijke grotere en kleinere beeldformaten. Een Hasselblad met middenformaat (in de dagen van film zouden we het 4,5 x 6 noemen) en een Fujifilm met het formaat 33 x 44 mm. Daarnaast nog een Fujifilm camera, maar dan APS-C camera. Alle camera’s zijn berekend met pixel shift, behalve de Nikon Z f en de Fujifilm Xh2  die óók zonder opgevoerd zijn en de Nikon Z 8 helemaal zonder pixel shift omdat die daar (nog) niet over beschikt.

 

<<<Tabel beschikbaar als InDesign-bestand, kan dus aangepast worden>>>

 

Sensor lp/mm wil zeggen de resolutie van de sensor, combinatie lp/mm is de resolute van de combinatie van het objectief en de sensor (de waarde voor de combinatie ligt altijd lager, soms zelfs aanzienlijk lager dan die van de afzonderlijke resoluties van de sensor en het objectief). Lp totaal (breedte) geeft de werkelijke scherpte aan: daarbij is gecorrigeerd voor het beeldformaat. Aan hele hoge aantallen lp/mm heb je namelijk weinig als het beeld maar een paar mm breed is en omgekeerd kunne minder hoge aantallen bij een groter formaat nog een behoorlijke scherpte opleveren.

De waarden voor f/4 hebben betrekking op het centrum, maar een enkel uitzonderlijk objectief zoals de Noct Nikkor en de Nikkor Z 50mm f/1.2 en 85 mm f/1.2 halen die waarden ook in de hoeken. De waarden zijn berekend, maar in enkele gevallen bevestigd door testresultaten. De berekeningen kloppen dus heel aardig.

De waarden voor f/8 en f/11 kunnen ook betrekking hebben op de hoeken, maar alleen in het geval dat de camera’s werkelijk van een uitstekend objectief voorzien zijn

Zelfde conclusies

De conclusies uit deze tabel zijn dezelfde als die uit de grafiek: alles draait om het diafragma waarbij het objectief aan de randen en in de hoeken optimale resultaten behaalt. De Nikon Z f haalt met pixel shift een grotere scherpte over de totale beeldbreedte bij f/4 dan de andere camera’s - op de Hasselblad na die het net ietsje beter doet - bij f/11. Gebruik je dus omgekeerd bij de camera’s met grotere beeldformaten objectieven die pas bij f/11 optimale resultaten in de hoeken behalen, dan bieden ze dus geen voordeel. Zelfs bij objectieven die bij f/8 hun optimum behalen is het voordeel niet groot. Vergelijk je de Canon R5 met de camera’s met grotere beeldformaten, dan geldt iets soortgelijks, maar dan met nog grotere resolutie over de totale beeldbreedte. Daarbij moet wel worden opgemerkt dat ik nog geen Canon-objectieven getest heb, die bij f/4 in de hoeken optimaal waren. 

Nog een belangrijke constatering: wanneer een objectief duidelijk minder goed presteert dan de diffractielimiet bij gemiddelde diafragma’s, beeldfouten of diffractie, dan daalt de resolutie verder dan berekend. Dat is te verklaren uit de manier waarop de camera de beeldgegevens verwerkt en verscherpt: dat werkt alleen goed wanneer het beeld ook scherp genoeg is. Nog eentje: de Z f heeft een zeer zwak anti-moiré-filter (ook: olpf), dat alleen in horizontale richting werkt. Maar bij camera’s met een gewoon anti-moiré-filter gaat er weer van 10 tot 20% van de resolutie verloren. Sommige camera’s hebben helemaal geen filter, dan gaat er uiteraard niets verloren.

Collega’s van The slanted lens hebben geen berekeningen uitgevoerd maar praktische tests gedaan. Zij komen tot dezelfde conclusies: pixel shift in combinatie met m43 stoot op de beperkingen van de kleinere sensor terwijl omgekeerd het verschil tussen het kleine middenformaat van de Fujifilm GFX 100 (en 50)-serie en fullframe te klein is om zichtbaar verschil te maken met betrekking tot diffractie. Zie verder het artikel over diffractie. 

Bij de grotere beeldformaten speelt nog een belangrijkere beperkende factor: omdat het grotere beeldformaat hoge eisen stelt aan de optische ontwerpen (bij dezelfde brandpuntsafstand moet die een groter beeldhoek scherp kunnen weergeven) is het gebruikelijk minder hoge eisen aan de resolutie te stellen. De objectieven halen dus minder lp/mm niet alleen vanwege de grotere diffractie maar ook doordat de optimale diafragma’s groter zijn door de geringere lichtsterkte. Dat is ook de reden waarom de PC Nikkor 19mm f/4 populair is bij camera’s met grotere beeldformaten als Cambo: het is niet lichtsterker maar wel scherper dan de objectieven voor technische camera’s terwijl het vanwege de shift-mogelijkheden, tóch de beeldcirkel van de grotere formaten uitvult. 

Wat kunnen we hieruit leren? 

1. De astronomische megapixelaantallen die de specificaties beloven, zijn van nul en generlei waarde. De scherpte is veel kleiner dan het aantal pixels, zelfs in het centrum. In de hoeken is die nog veel kleiner en je hebt weinig aan een landschapsfoto met onscherpe hoeken.
2. Ga je uit van een relatief bescheiden megapixelaantal en fullframe dan is de winst relatief groot én hij is te bereiken met zeer goede maar wel vrij gewone objectieven.
3. Het belang van het optimale diafragma is erg groot. Wanneer een objectief al bij f/5,6 of nog eerder de optimale (hoek)scherpte bereikt, is de diffractie klein en worden dus uitstekende prestaties bereikt. Omgekeerd: is het pas bij f/11 dan is dat juist bij pixel shift erg ongunstig. 
4. Werk je met een camera die grotere megapixelaantallen met pixel shift bereikt, dan kán dat zichtbare extra scherpte opleveren, maar dan moet je met een heel goed objectief werken én weten bij welk diafragma het de hoogste scherpte oplevert. 

Voetangels en klemmen

Kortom: pixel shift is minder mooi dan de marketingmensen ons beloven, maar weer interessanter dan sceptici zeggen. Hier moet je op letten:

 

1. Beweging. Alles wat beweegt tijdens je opnamen gaat rare effecten veroorzaken bij pixel shift. Je kunt het wel in het uiteindelijke beeld retoucheren (zie ook punt 5.). Dat geldt zelfs voor het effect van de beweging van de zon en glimlichten. Zorg er dus voor dat je de serie opnamen snel afrondt. Ook kun je proberen meerdere series te maken en die beelden bij elkaar zoeken die nauwelijks verschillen, als de software het toelaat. Anders moet je weer photoshoppen.
2. Een statief is onontbeerlijk. Enerzijds omdat je de camera niet wil bewegen tijdens de opnamen (zie punt 1) en anderzijds omdat je zoveel mogelijk scherpte moet bereiken (maar: zie ook punt 1, minimaal bewegingsonscherpte geeft ook artefacten, soms zelfs in een patroon van een kwart pixel). Pixelshift is een goed argument om statief te kopen dat ondanks een vrij gering gewicht zeer stabiel is.
3. Idealiter gebruik je een objectief dat bij een zo groot mogelijk diafragma al heel goed in de hoeken is. Je kunt hiervoor naar onze test kijken. Let wel op: de meeste andere tests tellen de uiterste hoeken niet mee.
4. Juist bij dit soort opnamen van zeer hoge kwaliteit is het belangrijk dat je in RAW werkt. Helaas kunnen veel camera’s bij pixel shift dat weer niet. Dat betekent dus weer verlies van scherpte en contrast etc. 
5. Programma’s’ zoals Photoshop kunnen ook de resolutie verhogen (met AI), maar het effect is geringer. Voorzichtigheid is ook geboden want op de meest onverwacht momenten en plaatsen kunnen artefacten ontstaan. Eén groot voordeel heeft deze techniek wel: bewegingen binnen de foto spelen geen rol. Ook zou je deze programma’s weer kunnen gebruiken om delen van een pixel-shift-foto waar wel beweging in is, te corrigeren. 

Conclusie

Pixel shift kán een handige manier zijn om veel scherpere foto’s te maken. De scherptewinst is wel een stuk minder groot dan de megapixelaantallen suggereren. Het gebruik van een objectief dat al bij vrij grote diafragma’s een goede hoekscherpte heeft, is essentieel, net als het gebruik van een statief. Ook belangrijk: de camera in kwestie moet de foto’s produceren met software die een uitstekende beeldkwaliteit produceert, anders verlies je wat je aan scherpte wint weer aan beeldkwaliteit.

 

Dit is een artikel uit DigifotoPro 1.2024 Lees hem hier digitaal