发布时间：2024年5月31日
作者： Pawel Achtel
1 | 测试目的
测试的目的是确定 Arri平面端口镜头和Nikon Nikonos 15mm镜头在水下的光学性能差异。
2 | 测试执行
使用RED Epic相机以5k模式（5120×2560）进行测试。SFR（空间频率响应）测试卡被放置在水下。
3 | 分析SFRplus 测试卡的过程
SFR分析过程使用Imatest Master软件完全自动化分析，允许在图像框架的选定点，称为感兴趣区域（ROI），测量MTF（调制传递函数）和色差。
4 | 拍摄方式
每次使用1:1放大和最大光圈设置焦点，捕获了几次拍摄。选择了最清晰的图像进行比较。
5 | 测试配置
测试了四种配置：
- 使用Arri Zeiss Master Prime 14mm镜头的平面端口，近似视场：约79°
- 使用Arri Zeiss 14mm MK II镜头的圆顶端口，近似视场：约90°
- 使用Arri Master Prime 14mm镜头的圆顶端口，近似视场：约90°
- Nikon Nikonos UW-Nikkor 15mm f/2.8镜头，水下视场（对角线）：约74°
6 | 设置
设置安装在刚性框架上，确保可重复的结果和图像与目标平面的完美对齐。
① 平面端口镜头
Arri Master Prime 14mm – 平面端口镜头
ROI选择在框架边缘（右上角的红色矩形）。
如我们所见，图像清晰度强烈受限于光学性能，并且在传感器解析限制（奈奎斯特）的不到15%处达到0%。边缘的对比度下降到50%时的分辨率仅为每画面高度120线宽（60线对），或每像素0.0236周期（线对），而传感器限制为每像素0.5周期。黑白过渡的“锐利”边缘需要21.8像素（理论上最佳为2.0像素）。
这低于标准清晰度质量。对比度达到0%意味着无法通过锐化恢复丢失的细节。
考虑到拍摄镜头能够超越传感器的解析度，很明显平面端口引入了由散光和色差引起的非常显著的对比度损失。随着视角的增加，这些畸变甚至更高。
除了清晰度和畸变的损失外，平面端口还会产生显著的几何径向畸变。这些畸变导致图像边缘被拉伸，也称为枕形畸变。
如果进行3D拍摄或从2D转换为3D，则需要校正所有径向畸变。需要校正这些畸变的原因是它们会导致立体图像中的垂直视差，这会导致眼睛疲劳和不适。
虽然这些畸变可以被校正，但校正涉及拉伸框架的中间部分。这会降低框架中心的清晰度，并使整个图像看起来模糊。
②. 圆顶端口镜头
ZEISS MK II 14mm f5.6 Aquatica圆顶端口
ROI选择在框架边缘（右上角的红色矩形）。
如我们所见，图像清晰度再次受限于光学性能，并且在传感器解析限制（奈奎斯特）的不到20%处达到0%。边缘的对比度下降到50%时的分辨率仅为每画面高度140线宽（70线对），或每像素0.0236周期（线对）。暗到亮区域的“锐利”边缘需要18.4像素（理论上最佳为2.0像素）。
这低于标准清晰度质量。对比度达到0%意味着无法通过锐化恢复丢失的细节。
圆顶端口引入了由散光和圆顶引入的图像平面曲率引起的非常显著的对比度损失。随着光圈的增加，这些畸变甚至更高。此外，较小的圆顶端口会产生更高的图像平面曲率和更多的分辨率损失。
Master Prime 14mm f5.6 Aquatica 圆顶端口拍摄
ROI选择在框架边缘（右上角的红色矩形），但不是在最角落。
如我们所见，图像清晰度再次受限于光学性能，并且在传感器解析限制（Nyquist)）的不到40%处达到0%。边缘的对比度下降到50%时的分辨率仅为每画面高度351线宽（175线对），或每像素0.069周期（线对）。暗到亮区域的“锐利”边缘需要8像素（理论上最佳为2.0像素）。
这低于高清质量标准。对比度达到0%意味着无论进行多少锐化处理，都无法恢复丢失的细节。
为了说明在更大光圈下边缘清晰度的急剧下降，这里是在f/2.8光圈下进行的相同测试。
这是在该光圈下从圆顶系统可以预期的最佳性能。分辨率的损失是由散光和图像平面曲率引起的。
③ Nikon Nikonos UW-Nikkor 15mm f/2.8镜头
Nikon Nikonos UW-Nikkor 15mm f/2.8镜头
ROI选择在画面边缘（右下角的红色矩形）。
如我们所见，MTF曲线一直延伸到传感器解析限制（奈奎斯特）。在框架边缘测量的50%对比度损失（MTF 50）的分辨率为每画面高度1434线宽，或每像素0.28周期（线对）。暗到亮区域的边缘过渡仅需要3.75像素，使边缘看起来锐利。
显然，镜头的解析度超越了传感器。实际上，我们确定它在框架的每个点，从角落到角落都能做到这一点。
图像是直线的，不受几何畸变的影响。因此，这款镜头将产生“沉浸式”的运动画面。在3D中，这款镜头将产生很少或没有垂直视差，从而产生易于融合且不会引起眼睛疲劳的立体图像对。
分析结果：
取景图片中心的清晰度。
框架中心和边缘之间大约一半位置的清晰度。
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| 平面端口中间裁剪 （逐像素） | 圆顶端口中间裁剪 （逐像素） | Nikonos 15mm中间裁剪 （逐像素） |
画面角落的清晰度。
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| 平面端口镜头的角落位置裁剪 （逐像素） | 圆顶端口镜头角落位置裁剪 （逐像素） | Nikonos 15mm角落裁剪 （逐像素） |
Nikon Nikonos 15mm镜头是一款超广角潜水镜头。它不能在陆地上使用，但在水下，即使在高分辨率数码相机出现之前，它也一直被认为是最佳的水下光学设备。它具有现代的逆焦距设计，快速的f/2.8光圈和近距离聚焦能力。
但这款镜头最好的特性是其直线（无畸变）设计和从角落到角落的惊人清晰度 —— 这是即使将最好的陆地镜头放置在平面或圆顶端口后面也无法实现的。
正是因为这些直线特性，使得这款镜头非常适合电影工作。与鱼眼镜头和放置在玻璃端口后面的陆地镜头不同，Nikonos 15mm在水下产生完全平坦的图像。虽然这在静物摄影中可能不是很重要，但运动画面需要无畸变的图像以创造沉浸感。而且，无畸变的图像也是3D立体电影摄影的必须。任何由鱼眼镜头、平面或圆顶端口引起的几何镜头畸变都会导致垂直视差。垂直视差是左图像的等效部分与右图像的立体对的垂直位置发生偏移。这些畸变是我们的大脑无法忍受的，并且可能会引起观看使用具有几何畸变的镜头或端口拍摄的立体3D内容的观众的严重眼睛疲劳甚至恶心。
我们的MTF（调制传递函数）测量表明，Nikon Nikonos 15mm镜头是一款非常锐利的镜头 —— 它如此锐利，以至于可以超越当今使用的最高精度的数字传感器。实际上，它能够解析超过8K – 很少有陆地镜头能够在陆地上实现这一点 – 这是一个真正卓越的光学性能。相比之下，一个典型的9英寸光学玻璃圆顶端口与等效的广角陆地镜头配对时，无论拍摄镜头有多好，其在边缘的解析度都不能超过大约2K。在实践中，远低于2K。这是因为所谓的图像平面曲率 – 一个光学现象，导致平坦的图像在弯曲表面上投影得锐利，因此在平坦传感器的边缘而变得模糊。
平面端口的性能甚至更差，导致几何畸变、散光和严重的色差，通常在等效设置中导致不到1K的分辨率。
Nikon Nikonos 15mm镜头是唯一能够产生无畸变超高清晰度图像的超广角水下光学设备。
没有其他潜水镜头或任何其他放置在水下端口后面的陆地镜头可以提供这样的性能。即使是更新的RS Nikonos系列镜头也不提供超广角直线选项，并且仅限于宏距、中角和鱼眼选择，使它们对一般的水下电影
摄影不太有吸引力。
那么，这种光学性能在现实生活中的照片意味着什么？
这里有一个在低光条件下使用Nikonos 15mm镜头设置为f/2.8拍摄的广角镜头的示例，以高帧率拍摄。（点击图像查看全分辨率5K版本）
关于作者：
出生于波兰华沙，Pawel离开了悉尼的城市生活，在塔斯马尼亚建立了一个电影制作工作室。在过去的20年里，他一直在制作自然历史电影，大部分是水下的，拍摄地点从赤道到南极。他还曾作为DOP参与电影和现场表演，主要使用电影风格的摄影设置。1999年，Pawel制作并导演了他的第一部电影《海洋异形》。这部电影在纽约国际电影节（1999年）上获得了最佳纪录片奖；《海洋异形》在US International Film Festival获得了一等奖，金摄影机奖，并在2000年蒙大拿州国际野生动物电影节上获得了两个杰出电影摄影奖。
他的画面出现在许多旗舰自然历史制作中，包括国家地理、探索频道，最近的BBC的《第一生命》。Pawel还为第7频道报道了新闻，2013年和2014年，Pawel因制作《海洋之爱3D》IMAX电影的序列而获得了澳大利亚电影摄影师协会的银奖和金奖。
Pawel是世界首款2D和3D外壳的发明者和制造商，这些外壳能够记录无畸变的超高清晰度水下运动画面，他因此在2013年NAB展上获得了创新奖，与索尼、佳能、Blackmagic、Arri等公司竞争。
Pawel积极参与澳大利亚电影摄影师协会，并为其成员举办演讲和研讨会。这些演讲重点关注立体摄影、色彩科学以及光学和图像质量的定量评估。
联系我们：
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