DX ali FX?
(Kateri format slikovnega senzorja je primernejši za podvodno fotografijo?)
(marec 2011)
   
 
Uvod
 

Med podvodnimi fotografi se večkrat razvije debata o tem, kateri format slikovnega senzorja je bolj primeren za podvodno fotografijo - mali format (imenovan DX pri Nikonu) ali veliki "full frame" format (imenovan FX pri Nikonu). FX (veliki) format ima številne prednosti v splošni fotografiji in na sploh ga pojmujemo kot "profesionalni" format. Njegovi glavni prednosti sta predvsem višja kvaliteta slike v slabih svetlobnih razmerah (kadar uporabljamo visoke ISO nastavitve) in "ohranjanje" zornih kotov objektivov. Besedo "ohranjanje" sem namenoma napisal v narekovajih, kajti asociacija goriščne razdalje z zornim kotom se nahaja zgolj v naših glavah, kamor se nam je vtisnila skozi dolgo obdobje uporabe 35 mm filma. Ob prihodu prvih komercialno dostopnih digitalnih SLR kamer je majhen senzor res predstavljal problem v širokokotni fotografiji, kajti objektivi so "izgubili" svoj široki kot. Danes je ta problem dobro rešen, saj tržišče ponuja že veliko širokokotnih objektivov za male senzorje.

Tudi sam se strinjam, da ima FX format zares veliko prednosti pred DX formatom in ga danes skoraj izključno uporabljam pri svoji kopenski fotografiji. Po drugi strani pa že od samega začetka (svojega prehoda iz filmske na digitalno tehniko leta 2006) menim, da je DX (mali) format bolj primeren za podvodno fotografijo kot FX format. O tem sem že neštetokrat debatiral s svojimi kolegi in jim to skušal (bolj ali manj neuspešno) dokazati na osnovi teoretičnih dejstev. Končno sem se odločil, da bom svoje trditve skušal dokazati s praktičnim testom (ali pa morda samemu sebi pokazati, da sem živel v zmoti...). Nenazadnje je moj stari D2x danes že močno zastarel in rezultati tega testa bodo tudi odločno vplivali na mojo odločitev, kakšen bo njegov naslednik.
 
 

Tako kot se podvodna fotografija v svoji osnovi loči na dve veliki poglavji - makro in širokokotno, sem tudi svoj test izvedel ločeno. Glede makro fotografije mislim da se bodo vsi strinjali z menoj, da je mali format primernejši od velikega, kajti kadar fotografiramo pri preslikovnem razmerju 1:1, dobimo z malim formatom senzorja manjši izsek iz narave, kar je zaželeno. Ob temu pa je treba upoštevati še dve dejstvi: globinska ostrina in zmanjševanje ostrine pri zapiranju zaslonke zaradi uklona (difrakcije) svetlobe na lamelah zaslonke. Prva govori v prid malemu formatu, druga pa velikemu. S praktičnim testom sem želel ugotoviti kateri učinek je močnejši.
Veliko več pozornosti sem posvetil širokokotni fotografiji, kajti prav tu sem naletel na največ nestrinjanj s strani mojih kolegov, ki so zagovarjali FX format. Tu sem se skliceval predvsem na svoje poznavanje teorije kupol, manjkali pa so mi trdni dokazi, podkrepljeni z eksperimentom.

 
 

Material

 

V tem testu me je zanimalo predvsem kako velikost slikovnega senzorja vpliva na kvaliteto slike (prvenstveno na ostrino!), ki jo narišejo različni optični sistemi pod vodo. Pod optični sistemi so mišljeni makro objektiv za planparalelnim steklom in širokokotni objektiv za kupolo (prvenstveno ribje oko objektiv, ki se največ uporablja v podvodni ambientalni fotografiji). Zaradi tega sem namenoma izbral kameri z različno velikima senzorjema in enako resolucijo (12 Mpix): Nikon D2x (DX ali mali format) in Nikon D3 (FX ali "full frame" format). Če bi uporabil kamere z različnimi resolucijami (npr. D2x in D3x), bi veliko težje evaluiral rezultate testov.

Za makro fotografijo sem uporabil pri obeh sistemih objektiv AF-S Nikkor 105mm f/2,8 VR, kajti ni me zanimala razlika v zornih kotih (ta je itak znana), temveč v kvaliteti slike pri preslikovnem razmerju 1:1 ali blizu njega.

 

 

 

         

Za širokokotno fotografijo sem uporabljal ribje oko objektive (AF Nikkor 10,5mm f/2,8DX na D2x in AF Nikkor 16mm f/2,8 na D3) in širokokotne zum objektive (AF-S Nikkor 10-24mm f/3,5-4,5DX na D2x in AF-S Nikkor 16-35mm f/4 VR na D3). Objektiva znotraj obeh parov sta si med seboj primerljiva in zelo podobna po zornih kotih. Kot že rečeno, je bil poudarek predvsem na ribje oko objektivih.

 
 
Za test sem uporabil odgovarjajoča Seacam podvodna ohišja in kar je najpomembnejše: pri širokokotni fotografiji sem uporabil enake kupole. Velikost kupole namreč odločno vpliva na kvaliteto slike, zato je bilo nujno, da sem pri ekvivalentnih testih uporabljal enake kupole (z enakim krivinskim radijem). Za osvetljevanje sem uporabljal Seacam podvodne bliskavice.
 
 

Na obeh kamerah sem uporabil čim bolj ekvivalentne nastavitve, ki so blizu tistim, ki jih uporabljam pri podvodni fotografiji (Nikon D2x, ki je starejše generacije, ima žal drugačne nastavitve kot novejši D3, vendar mislim, da sem bil pri izboru slikovnih parametrov, predvsem stopnji ostrenja, zelo blizu).

Nastavitve so bile sledeče:

 

Nikon D2x

Nikon D3

Image quality

RAW + JPG Large Fine

RAW + JPG Large Fine

White balance

5600 K           

5560 K

ISO

100

200

Image sharpening*

+1

5

Color space

Adobe RGB

Adobe RGB

Color mode

III

Vivid

*Image sharpening pri Nikonu D2x je od -2 do +2, pri Nikonu D3 pa od 0 do 9, kjer je 9 močneje kot +2, zato mislim, da sta stopnji ostrenja glede na moje izkušnje približno ekvivalentni.

Posnetemu materialu sem v Photoshopu korigiral samo tonske vrednosti, predvsem pa nisem nič ostril ali kako drugače popravljal slik.

 
 
Kupole uporabljene na testu: "Fisheye" kupola, mala "Fisheye" kupola in modificirana "Superdome"
 

Pri testiranju širokokotnih objektivov sem uporabil tri različne kupole:

Prva je bila modificirana Seacam "Superdome". Modificirana pomeni, da je krivinski radij ostal enak, le premer stekla je malo manjši. Kvaliteta kupole je odvisna od krivinskega radija, premer pa določa maksimalni zorni kot. Zaradi nespremenjenega krivinskega radija je moja kupola po kvaliteti popolnoma enaka originalni Seacamovi "Superdome". Kupolo sem s kombinacijo različnih vmesnih obročev spojil s podvodnim ohišjem, tako da se je objektiv nahajal na čim bolj optimalni razdalji glede na položaj stekla kupole. Za 10-24mm f/3,5-4,5 objektiv sem uporabil 45 mm širok vmesno obroč, za fizično precej daljši 16-35mm f/4 objektiv pa kar 85 mm. S to kupolo in zum objektivoma sem izvedel teste samo v bazenu.

Druga kupola je bila Seacam "Fisheye" kupola - steklena polkrogla s krivinskim radijem približno 80 mm (premer cca. 160 mm), ki je optimirana prav za 180° ribje oko objektive. Zaradi istočasnih testov v morju sem uporabljal dve enaki kupoli, vsako na svojem ohišju. S to kupolo sem izvedel teste v bazenu in v morju.

Tretja kupola pa je bila mala "Fisheye" kupola, s krivinskim radijem 50 mm (premer cca. 100 mm), ki postaja zadnje čase zelo popularna zaradi fotografiranja ekstremnih bližinskih širokokotnih posnetkov. Do izraza pride predvsem z objektivi, ki ostrijo zelo na blizu (npr. 10,5mm f/2,8). Zaradi njenega majhnega krivinskega radija pa naredi sliko manjše optične kvalitete, kot običajna večja "Fisheye" kupola. S to kupolo sem izvedel teste samo v bazenu.
 
 
Nikon D2x, AF Nikkor 10,5mm f/2,8DX in mala kupola. Jajce morske mačke je bilo približno 10 cm veliko.
 
 

Kromatska aberacija

 

Nikon D2x, ki je danes že zastarela kamera starejše generacije, ne zna avtomatsko odpraviti kromatske aberacije, ki jo povzročajo objektivi sami ali v kombinaciji s kakšnim drugim optičnim elementom (npr. planparalelnim steklom, kadar fotografiramo pod vodo). Če želimo čisto sliko, brez kromatske aberacije, moramo fotografirati v surovem (NEF) formatu in sliko procesirati v nekem ustreznem programu (najbolje kar v originalnem Nikonovem Capture NX). JPG slike, ki jih dobimo direktno iz Nikon D2x, imajo vse kromatsko aberacijo.
Nikon D3, ki je kamera novejše generacije, kromatsko aberacijo avtomatsko odpravi z istimi algoritmi, kot so v programu Capture NX (tako delujejo danes že vse Nikon kamere, tudi najcenejši vstopni modeli). JPG slike iz Nikona D3 so torej brez kromatske aberacije, zato niso direktno primerljive z JPG slikami iz D2x.
Moj namen je bil dobiti najvišjo možno kvaliteto iz obeh sistemov. Zato sem na obeh kamerah nastavil kvaliteto slike na RAW + JPG large fine. RAW (NEF) slike sem procesiral v Capture NX in med seboj primerjal slike brez kromatske aberacije. V nekaterih primerih pa sem namenoma slike tako procesiral, da sem kromatsko aberacijo pustil (tudi slike iz D3!) in primerjal med seboj "surove" optične rezultate.

 
 
Makro fotografija
 

Glavna in najbolj očitna prednost majhnih senzorjev (DX formata) pred velikimi (FX formati) je ravno v makro fotografiji. Kadar fotografiramo z makro objektivi v preslikovnem razmerju 1:1, dobimo z DX senzorjem izrez v naravi približno 24 x 16 mm (in celo malenkost manj!), z FX senzorjem pa 36 x 24 mm.

To je v zadnjem času še posebej pomembno, ko je postala tako imenovana "supermakro" fotografija izredno popularna. V filmskih časih smo zaradi potrebe po povečavah uporabljali 1,4x telekonverterje (dobili smo približno 26 x 17 mm, kar je še vedno več, kot z golim objektivom in DX senzorjem!). Uporaba telekonverterjev pa je zmanjševala splošno ostrino objektiva in mu vzela eno zaslonko svetlobne moči. Zaradi slednjega je postal tudi avtofokus manj zanesljiv in veliko počasnejši. S prihodom DX slikovnih senzorjev smo torej podvodni makro fotografi veliko pridobili, saj smo ponovno lahko pričeli uporabljati "gole" makro objektive (z boljšo ostrino in hitrejšim ter zanesljivejšim avtofokusom) ob "brezplačnem 1,5x telekonverterju".
 
 

Glavna tehnična problema pri makro fotografiji sta globinska ostrina in uklon (ali difrakcija) na lamelah zaslonke. Globinska ostrina je zaradi majhnega preslikovnega razmerja zelo majhna. Da bi jo povečali, zapiramo zaslonko, vendar pri zelo zaprtih zaslonkah naletimo na problem uklona, ki sliki ponovno zmanjšuje ostrino.

Globinska ostrina je odvisna samo od razmerja preslikave in zaslonke (in ne od razdalje fotografiranja ali zornega kota objektiva, kot veliko ljudi napačno misli!). Pri makro fotografiji jo lahko približno izračunamo po zelo poenostavljeni formuli:

G = 2 . k . f . (1/X + 1) . X^2

Kjer je:
G = globinska ostrina
k = dopustni krogec neostrine (0,03 mm pri FX formatu in 0,02 mm pri DX formatu)*
f = zaslonka
X = razmerje preslikave

* Dopustni krogec neostrine je pri DX formatu 1,5x manjši, ker moramo sliko pri tiskanju zaradi 1,5x manjšega senzorja 1,5x bolj povečati.

Če fotografiramo tako, da nam daljša stranica v naravi meri 36 mm, je razmerje preslikave pri FX formatu senzorja (36 x 24 mm) 1:1, oziroma X = 1.
Če želimo dobiti enako sliko z DX senzorjem (cca. 24 x 16 mm) in uporabimo isti objektiv, se moramo pomakniti za faktor 1,5 bolj nazaj, razmerje preslikave pa je 1:1,5, oziroma X = 1,5. Če uporabimo isto zaslonko (npr. f/22) in v formuli upoštevamo različna dopustna krogca neostrine, dobimo globinsko ostrino za FX format 2,64 mm, oziroma 3,30 mm za DX format, kar je približno 25% več, kar odgovarja malo več kot pol zaslonke.

Žal pa smo pri zapiranju zaslonke (z namenom, da bi povečali globinsko ostrino) omejeni zaradi problema uklona svetlobe na lamelah zaslonke. Le-ta se pojavi pri neki mejni zaslonki in od tam dalje praktično linearno zmanjšuje splošno ostrino in kontrast v sliki. Zelo poenostavljeno mejno zaslonko izračunamo tako, da število 2000 pomnožimo z velikostjo piksla (izraženo v mm).
Za primer se omejimo na testni kameri (Nikon D2x in D3), ki imata obe 12 megapikslov:
Nikon D2x (DX format) ima piksle velike 5,6 µm (0,056 mm), D3 (FX format) pa 8,4 μm (0,084 mm). Mejna zaslonka za DX senzor Nikona D2x je torej
0,056 x 2000 = 11,2 oziroma f/11,
mejna zaslonka FX senzorja Nikona D3 pa 0,084 x 2000 = 16,8 oziroma f/16.
To pomeni, da bodo pri Nikonu D2x slike začele izgubljati ostrino pri bolj zaprtih zaslonkah od f/11 oziroma f/16 pri Nikonu D3.
Še enkrat je treba poudariti, da problem uklona ni odvisen od formata senzorja, ampak od velikosti piksla. Ker imata obe kameri približno enako število pikslov, so piksli Nikona D3 zaradi večjega senzorja večji. Po drugi strani pa ima Nikon D3x za približno 40% manjše piksle od Nikona D3, torej je za 40% (približno ena zaslonka) bolj občutljiv na problem uklona in je v tem pogledu zelo podoben Nikonu D2x..

Optimalna zaslonka za makro fotografijo pri Nikonu D2x bi bila torej f/11, pri Nikonu D3 f/16 in pri Nikonu D3x ponovno f/11. Žal pa nam v praksi vse te zaslonke dajejo pri preslikovnem razmerju 1:1 premajhno globinsko ostrino, zato običajno zapiramo za eno do dve vrednosti več (na račun nekoliko manj ostre slike!). Mislim, da je v praksi najboljši kompromis med globinsko ostrino in uklonom zaslonka f/16 do f/22 za Nikon D2x in f/22 do f/32 za Nikon D3.

Za testiranje makro posnetkov sem uporabil poseben aluminijast prisekani kvader, ki sem ga izdelal že v času filmske fotografije za testiranje oziroma iskanje optimalnega razmerja med globinsko ostrino in uklonom. Kvader je nameščen na posebne nosilcu, ki se ga na poljubni razdalji pritrdi na ohišje in s tem zagotavlja konstantno razdaljo in izrez. Na kvadru je prilepljena nalepka z milimetrsko skalo, površina kvadra pa je namenoma hrapava, da se bolje vidi ostrina oziroma neostrina na sliki. Desna polovica kvadra je prisekana pod kotom 11o in je namenjena študiju globinske ostrine. Teste sem izvedel v bazenu, osvetljeval pa sem z dvema bliskavicama. Z obema kamerama sem fotografiral z zaslonkami od f/5,6 do f/45 s korakom 1. Uporabljal sem čas 1/250 s, da sem eliminiral ambientalno svetlobo in s tem tresljaje. Z Nikonom D3 sem slikal samo v razmerju 1:1, z D2x pa v razmerju 1:1 in približno 1:1,5, tako da sem dobil enak izrez, kot pri D3 pri 1:1.
 
 
 

Makro fotografija - rezultati in diskusija

 
Kot že rečeno, sem pri nastavitvi 105 mm makro objektiva na najkrajšo razdaljo ostrenja dobil z Nikonom D2x izrez na kvadru širok približno 24 mm in z Nikonom D3 približno 36 mm, kar dejansko odgovarja širinam njunih senzorjev.
 
 

Vse slike sem iz surovega NEF formata procesiral v programu Capture NX v TIF format na dva načina: da sem namerno pustil in da sem namerno odstranil kromatsko aberacijo. Rezultate sem primerjal z direktnimi JPG posnetki iz kamere. Vzorčne slike (100% izrezi) so iz roba slike, kjer je efekt kromatske aberacije najmočnejši. Vidimo, da ima JPG posnetek iz D2x zelo močno kromatsko aberacijo, ki je popolnoma enaka nekorigiranemu NEF posnetku. K sreči pa program Capture NX popolnoma uspešno odstrani kromatsko aberacijo, tako da je ne zasledimo več niti v sledovih. Zaradi tega vsem lastnikom starejših Nikon digitalnih kamer toplo priporočam, da fotografirajo v NEF formatu in slike procesirajo v programu Capture NX, ki kromatsko aberacijo hitro, popolnoma avtomatsko in zelo uspešno odstrani.
Pri Nikonu D3 je seveda čisto druga zgodba, vendar tu nastopi čisto majceno razočaranje. Očitno namreč njegovi vgrajeni algoritmi za odpravo kromatske aberacije le niso tako agresivni, kot v programu Capture NX. V njegovih JPG posnetkih namreč opazimo sledove zelo šibke kromatske aberacije, ki se seveda nikakor ne more primerjati s tisto iz D2x. Ta je tako šibka, da je v večini posnetkov sploh ne bi opazili, zato lahko mirno fotografiramo v JPG formatu. Izgleda, da Nikon D3 uspešno odpravi kromatsko aberacijo ki izhaja iz samih objektivov, tiste dodatne, ki nastane kadar fotografiramo pod vodo skozi planparalelno steklo, pa le ne more v celoti.

 
 
Veliko pomembnejši test pa je bil zame primerjava globinske ostrine in problema uklona. Za ta test sem z Nikonom D2x fotografiral iz 1,5x večje razdalje kot z Nikonom D3, tako da sem dobil enak izrez širine 36 mm. Za test uklona sem izbral točko, na katero je sem ostril z izbranim senzorjem. Vzorčne 100% izreze za test globinske ostrine pa sem vzel iz točke, oddaljene 15 mm od sredine posnetka (in kvadra), ki je točno 3 mm odmaknjena za ravnino ostrenja. Fotografiral sem z zaslonkami od f/5,6 do f/45 s korakom 1. Ostril sem z avtofokusom (AF-S - single servo), izbran je bil eden senzor (levo od sredinskega). Vsak posnetek sem naredil dvakrat in izbral bolj ostrega.
 
 
 

Pri Nikonu D2x resnično vidimo, da je ostrina do f/11 praktično enaka, pri f/16 komaj opazno slabša, nato pa skoraj linearno pada in slika pri f/45 je že popolnoma neuporabna. Podobno padanje ostrine opazimo tudi pri Nikonu D3, le da je zamaknjeno za približno eno zaslonko: slike so enako ostre do f/16, pri f/22 pa se že pojavi komaj opazna neostrina. Neostrina pri f/32 je denimo zelo podobna neostrini pri f/22 pri Nikonu D2x. Vidimo, da v praksi uklon zelo dobro sledi preprosti zgoraj omenjeni formuli.
Globinsko ostrino je malce težje ocenjevati, vendar mislim, da so v praksi razlike precej večje, kot smo jih dobili po zgoraj omenjenem teoretičnem izračunu. Nikon D2x ima opazno večjo globinsko ostrino, ki pride do izraza še posebej pri bolj odprtih zaslonkah. Iz rezultatov testa bi si skoraj upal trditi, da ima za skoraj dve zaslonki prednosti. Seveda pa je to lahko tudi posledica napake pri ostrenju. Opazil sem namreč, da je avtofokus Nikona D2x nekoliko manj natančen zaradi občutno večjih AF senzorjev, kot jih ima D3. Pri obeh kamerah globinska ostrina z zapiranjem zaslonke linearno narašča, s tem da največjo ostrino pri D2x dosežemo pri zaslonki f/22. Pri še bolj zaprtih zaslonkah je učinek uklona že tako močno izražen, da izniči pozitivni učinek večje globinske ostrine. Slika pri f/45 je opazno manj ostra, kot pri f/22. Pri Nikonu D3, ki ima manjše oboje - tako globinsko ostrino, kot problem uklona, slike ves čas pridobivajo na ostrini, ki je največja ravno pri f/45.

Kot zaključek primerjalnega makro testa lahko rečem, da se učinka globinske ostrine in problema uklona izničita. Kolikor DX format pridobi na globinski ostrini glede na FX format, približno toliko izgubi zaradi uklona. Če želimo z obema kamerama dobiti približno enako ostre slike, moramo pri FX formatu uporabiti približno za eno vrednost bolj zaprto zaslonko. Seveda pa to vse velja samo takrat, kadar imata oba senzorja približno enako število pikslov! Če bi uporabili kamero z večjim številom pikslov (npr D3x), bi izgubili: zaradi FX formata bi imeli manjšo globinsko ostrino, zaradi manjših pikslov pa tudi bolj izražen problem uklona...

Brez vsakega dvoma pa lahko še enkrat poudarim, da ima v makro fotografiji DX format veliko prednost pred FX formatom kadar želimo fotografirati čim manjši izrez v naravi ("supermakro" fotografija).
 
 

Nikon D2x + AF-S Nikkor 105mm f/2,8VR - "Supermakro" portret 3 cm velikega golega polža. Tak posnetek bi z FX formatom veliko težje naredili.

 
 

Širokokotna fotografija

 
Vse širokokotne objektive sem testiral na zraku in pod vodo v bazenu s pomočjo testne karte. Ribje oko objektive sem testiral tudi v "realnih pogojih" v morju. Za testno karto sem uporabil testno sliko velikosti 120 x 80 cm, kaširano na dibond ploščo, plastificirano zaradi zaščite pred vodo in pritrjeno na nosilec iz aluminijastega ogrodja. Zunaj in v bazenu sem fotografiral tako da sta bili kameri oziroma ohišji pritrjeni na stabilno trinožno stojalo. Osvetljeval sem z dvema bliskavicama (tudi zunaj sem uporabljal podvodne Seacam bliskavice) in fotografiral pri vseh zaslonkah ter času 1/250 s, tako da sem eliminiral vpliv ambientalne svetlobe in morebitno neostrino zaradi tresenja kamere. Seacam bliskavice imajo zelo velik razpon moči svojih bliskov, zato sem lahko pri vseh zaslonkah dobil optimalne osvetlitve.
 
 

Številke na testni karti nimajo nobenega kvantitativnega pomena in služijo zgolj za relativno primerjavo ostrine - enaka številka pomeni enako ostrino. V nekaterih redkejših primerih so se črtice na testni karti združilo v sivino preko barvnega moire efekta - to pomeni, da je ostrina objektiva presegla resolucijo slikovnega senzorja, ki je zato napačno interpretiral sliko objektiva. V večini primerov pa so se črtice lepo zlile v enakomerno sivino, kar pomeni da je resolucija slikovnega senzorja presegla resolucijo optičnega sistema.

 
 

Moj test je popolnoma neznanstven in bazira na subjektivnemu ocenjevanju ostrine. Z natančnim opazovanjem slik pri 100% povečavi na velikem 24" monitorju (resolucije 1920 x 1200) sem ocenjeval pri kateri vrednosti se črtice zlijejo v celoto. Kljub temu, da je bilo moje ocenjevanje subjektivno, pa menim, da nisem v svojih ocenah nikjer odstopal za več kot +/- 10%. Ko sem rezultate vpisal v Excel tabelo in narisal grafe, sem prijetno presenečen ugotovil, da sem dobil zelo lepe krivulje z jasno nakazano tendenco, ki lepo sledi teoriji in zdravi logiki. Z drugimi besedami: če sem ugotovil, da je sistem A pri določenih pogojih ostrejši od sistema B, je v resnici lahko razlika malo manjša ali malo večja, v vsakem primeru pa sem prepričan, da je A boljši od B.

 
 

Teorija kupol

 

Kupola je najpogostejši korekcijski sistem za podvodno širokokotno fotografijo. Kupolo omejujeta dve sferični površini, zunanja in notranja, katerih krivinski center (center krogle) mora biti popolnoma identičen (koncentrična kupola). Razlika krivinskih radijev obeh površin je debelina kupole, ki mora biti popolnoma enakomerna.
Osnovna ideja kupole je v tem, da svetlobne žarke pripeljemo v objektiv tako, da se nikjer ne lomijo na prehodu voda - steklo - zrak. Zaradi tega naj ne bi bilo kromatske aberacije, distorzije in povečave, ki so glavni optični problemi pri fotografiranju skozi planparalelno steklo. To je možno takrat, kadar žarki povsod padajo (skoraj) pravokotno na steklo. Ker vse premice, ki potekajo skozi središče krogle, sekajo krogelno površino pod pravim kotom, je osnovni pogoj uspešne korekcije s kupolo ta, da je objektiv nameščen točno v njenem centru, optična os objektiva pa mora popolnoma soupadati z optično osjo kupole. Žarki tako vstopajo skozi steklo približno pravokotno in se zato ne lomijo, kot objektiva pa se ohrani.

Zaradi tega so za fotografiranje s kupolo primerni samo tisti zum objektivi, ki le malo spreminjajo svojo fizično velikost med zumiranjem. Med Nikon FX objektivi je 16-35mm f/4 veliko bolj primeren od "legendarnega" 14-24mm f/2,8, ker slednji z zumiranjem močno spreminja položaj svojega sprednjega optičnega elementa.
 
 

Iz vsega omenjenega je jasno, da ene kupole na moremo uporabiti za več različnih objektivov, ker vsak potrebuje zelo natančno pozicioniranje, ki je odvisno predvsem od njegove fizične dolžine. V praksi imamo lahko eno kupolo in več vmesnih obročev, s katerimi prilagodimo razdaljo med kupolo in objektivom.

Čeprav kupola dobro odstrani aberacije planparalelnega stekla, predvsem kromatsko aberacijo, zorni kot in distorzijo, pa sama vnese nove napake. Kupola namreč ni afokalen sistem (brez dioptrije in goriščne razdalje), posledici sta v glavnem dve novi, bistveni napaki kupole: sprememba polja fokusa in krivina polja.
 
Sprememba polja fokusa
 
  Sprememba polja fokusa objektiva je posledica fokalnosti kupole. Kupola namreč tvori skupaj z vodo močno negativno lečo in manjši ko je krivinski radij kupole, močnejša je dioptrija te leče. Predmeti gledani skozi kupolo izgledajo mnogo bližje, kot so v resnici. Neskončno oddaljen predmet izgleda tako, kot da leži v zadnjem gorišču kupole. Manjši ko je krivinski radij kupole, bližje je njeno zadnje gorišče in bližje leži slika neskončno oddaljenega predmeta.
 

Predmeti ki so bližje kot neskončno, navidezno ležijo med zadnjim goriščem kupole in samo kupolo. Slika predmeta zato ne pade v njegovo goriščno ravnino, kot če bi ga fotografirali na zraku, ampak za to ravnino - sprememba polja fokusa. Razlika med obema fokusoma je zelo približno podana s formulo:

D = F^2 / R . (n - 1)

kjer je:
D je razlika med obema fokusoma,
F je goriščna razdalja objektiva
R je radij zunanje ploskve kupole
n je lomni količnik vode (približno 1,33)

V tabelici so podani rezultati za razliko fokusa za oba testirana ribje oko objektiva in obe Fisheye kupoli (vse vrednosti so v milimetrih):

Oprema

F

R

D

10,5 mm f/2,8 + velika kupola

10,5

80

0,45

10,5 mm f/2,8 + mala kupola

10,5

50

0,73

16 mm f/2,8 + velika kupola

16

80

1,06

16 mm f/2,8 + velika mala

16

50

1,69


Iz tabele je lepo razvidno, da manjša kupola ustvari večjo spremembo fokusa. Prav tako so objektivi z daljšo goriščno razdaljo bolj občutljivi na spremembo fokusa. Večje kot je razmerje med radijem kupole in goriščno razdaljo objektiva, večja je optična kvaliteta slike. Po teoriji ima torej velika kupola prednost pred malo in objektiv AF Nikkor 10,5mm f/2,8DX ima prednost pred AF Nikkor 16mm f/2,8. V skrajnem primeru (16 mm objektiv in mala kupola) je sprememba fokusa že tako velika, da je objektiv ne more več kompenzirati in zato s takim sistemom sploh ni več možno ostriti! Razliko fokusa 1,69 mm bi namreč lahko kompenziral tak 16 mm objektiv, ki bi ostril do približno 16 cm, najmanjša razdalja ostrenja AF Nikkor 16mm f/2,8 pa je 25 cm.
 
Krivina polja
 

Pri običajni fotografiji na zraku “vidi” fotografski objektiv oddaljene predmete tako, kot da ležijo na “neskončno” oddaljeni ravnini. Če pod vodo fotografiramo oddaljene predmete skozi kupolo, jih objektiv “vidi”, kot da ležijo na krogelni površini, ki je koncentrična s krivinskim središčem kupole in ne na ravnini.
Ker torej skozi kupolo fotografiramo navidezne, na krogelni površini ležeče predmete, tudi slika ki jo nariše objektiv, ne leži na ravnini. Slika leži na krogelni površini, ki se s temenom dotika ravnine fokusa objektiva. Krogelna površina slike ima svoj center za slikovnim senzorjem, torej se v vogalih efekt izkrivljenja polja sešteva s spremembo fokusa, kar še dodatno poslabša rezultate.

 
 

Pojav krivine polja progresivno (ne linearno!) narašča od sredine proti vogalom slike, zato ima velikost senzorja zelo pomembno vlogo. Tu se pokaže prednost manjših slikovnih (DX) senzorjev pred “full frame” (FX) senzorji. Z zapiranjem zaslonke in s tem povečevanjem globinske ostrine lahko obe napaki nekoliko omilimo.

 
 

Problem krivine polja je manj izražen pri velikih krivinskih radijih kupole. Na splošno velja, da obe napaki padeta pod dopustne meje, če je krivinski radij kupole 10 krat večji od goriščne razdalje osnovnega objektiva in če so stene kupole tanke.

Žal je ta zahteva tehnično skoraj neizvedljiva, ker bi bile take kupole prevelike, prenerodne za uporabo in predvsem predrage za izdelavo. Običajno velja kupola s krivinskim radijem, ki je 5 krat večji od goriščne razdalje osnovnega objektiva, že za precej dobro (in veliko).  Zaradi tega v praksi dosežemo boljše rezultate z objektivi s krajšimi goriščnimi razdaljami, predvsem z objektivi ribje oko, ker se bolj približajo zgornji zahtevi.
 
 
Širokokotni zum objektivi - rezultati in diskusija
 
  Širokokotna zum objektiva (DX 12-24mm in FX 16-35 mm) sem testiral samo v bazenu z veliko kupolo (Seacam Superdome) z ustreznimi odgovarjajočimi vmesnimi obroči in primerjal ostrino glede na ostrino slike posneto na zraku. Ostrino sem meril pri obeh skrajnih goriščnicah in sicer v sredini slike in v točki blizu skrajnega vogala.
 

Objektiv 10-24mm f/3,5-4,5DX je pri 10 mm pokazal v centru pod vodo veliko ostrino, primerljivo ostrini na zraku. Precej oster je bil že pri odprti zaslonki, ki je naraščala vse do f/11, nato pa zaradi uklona padala. Ostrina v skrajnem vogalu je bila opazno nižja od ostrine na zraku. Pri odprti zaslonki je bila precej nizka in je z zapiranjem skoraj linearno naraščala prav tako do f/11 in nato počasi padala. Optimalna zaslonka tega objektiva v kombinaciji s kupolo Superdome pri 10 mm je torej f/11.

Pri 24 mm imamo zelo podobno situacijo, le da je centralna ostrina malenkost višja že pri odprti zaslonki, nato zelo počasi narašča do f/11 in nazadnje pade zaradi uklona. Zelo podobno situacijo kot pri 10 mm imamo tudi pri 24 mm v skrajnem vogalu, vendar z nekoliko višjimi vrednostmi (večjo ostrino). Torej je tudi pri 24 mm optimalna zaslonka f/11.
 
 

Objektiv 16-35mm f/4 VR je pri 16 mm pod vodo že v sredini pokazal precejšen padec ostrine glede na ostrino na zraku. Ostrina v centru je zelo počasi naraščala, dosegla vrh pri f/11 in nato počasi padla. Ostrina v vogalu je z zapiranjem ves čas vztrajno naraščala in je bila precej nižja od ostrine 10-24 pri 10 mm. Optimalna zaslonka za 16-35 pri 16 mm je bila med f/11 in f/22.

Pri 35 mm imamo v centru zelo podobno situacijo, kot pri 16 mm, s tem da je vrh ostrine pri zaslonki f/16. Tudi pri 35 mm je ostrina v vogalih ves čas naraščala z zapiranjem zaslonke, s tem da so njene vrednosti višje kot pri 16 mm. Optimalna zaslonke za 16-35 pri 35 mm je f/16.
 
 

Če oba objektiva primerjamo pod vodo, vidimo da 10-24mm f/3,5-4,5DX vodi pred 16-35mm f/4 VR pri obeh skrajnih goriščnicah v centru in v vogalih pri vseh zaslonkah do vključno f/11 (pri širokem koncu sta pri najbolj odprtih zaslonkah sliki obeh objektivov v vogalih enako slabi). Pri širšem koncu se oba objektiva približno izenačita pri zaslonki f/22, pri ožjem koncu pa pri f/16, medtem ko pri f/22 16-35 celo malenkost preseže 10-24 (zaradi večjega uklona pri manjšem senzorju).

 
 
 

Kot zaključek lahko potegnemo sledeče:
Objektiv 10-24mm f/3,5-4,5DX je v kombinaciji s kupolo po skoraj vseh parametrih optično boljši od 16-35mm f/4 VR, kar je skladno s teorijo kupol.
Pri obeh objektivih opazimo vztrajno naraščanje ostrine z zapiranjem zaslonke in padec ostrine pri najbolj zaprtih zaslonkah kot posledice uklona.
Optimalna zaslonka za 10-24 je f/11 in za 16-35 je f/16.

 
 

Ribje oko objektivi - rezultati in diskusija

 

Ribje oko objektivom sem se precej bolj posvetil, kot zum objektivom, ker jih pod vodo veliko pogosteje uporabljam. Podobno kot pri makro fotografiji, sem tudi pri ribje oko objektivih najprej testiral razliko v kromatski aberaciji. Ker sem to delal v bazenu (z veliko Fisheye kupolo), moram na tem mesto poudariti, da fotografiranje skozi kupolo (pri pravilni poziciji objektiva) ne povzroča dodatne kromatske aberacije, tako kot fotografiranje skozi planparalelno steklo. Vsa kromatska aberacija izhaja iz objektivov samih in je pod vodo popolnoma enaka, kot na zraku. Presenečen sem ugotovil, da ima novejši 10,5mm f/2,8DX ribje oko objektiv veliko močnejšo kromatsko aberacijo, kot veliko starejši 16mm f/2,8! Stari objektiv je bil konstruiran "globoko" v filmskih časih, ko slike, ki je zabeležil film, nismo mogli več popravljati. Novi objektiv pa je "otrok" digitalne dobe in njegovim konstruktorjem se očitno ni zdelo vredno mučiti se s kromatsko aberacijo, ki jo je razmeroma lahko odpraviti z ustrezno programsko opremo...

 
 
 
 

Z ribje oko objektivi, ki imajo diagonalni zorni kot skoraj 180° in močno sodasto distorzijo je bilo precej težje kolikor toliko objektivno evaluirati rezultate. Tudi razmerje med horizontalnim in vertikalnim zornim kotom pri ribje oko objektivih ni 1,5 kot pri vseh linearnih objektivih, ampak večje. Zaradi tega sem uporabil še dodaten testni element s črticami, ki sem ga postavil desno od testne karte, vzporedno z njenim vertikalnim robom in v taki razdalji od karte, da se je znašel ravno na robu slike, posnete z ribje oko objektivom. Ostrino sem ocenjeval v točki v sredini testne karte in na dodatnem elementu, kar pomeni na skrajnem desnem robu slike.

 
 

Pri testiranju obeh objektivov na zraku sem tudi opazil, da stari objektiv 16mm f/2,8 po ostrini skoraj nič ne zaostaja za svojim "mlajšim bratom", čeprav sem na internetu večkrat zasledil poročila o njegovi "optični zastarelosti". Za podvodnega fotografa je bistvena pomanjkljivost starega objektiva predvsem njegova nezmožnost ostrenja na bližje od 25 cm od ravnine senzorja. Novi 10,5 mm objektiv lahko ostri na 14 cm od ravnine senzorja, kar v praksi pomeni komaj 4 cm od prednje leče. Zaradi tega je možno z njim ustvarjati ekstremne bližinske ultraširokokotne posnetke, ki so v zadnjem času v podvodni fotografiji izredno popularni.

 
 

V bazenu sem oba objektiva testiral z veliko in malo Fisheye kupolo. Uporaba male kupole, ki je optično manj ugodna od velike, je na starem 16 mm objektivu sicer popolnoma nesmiselna, vendar sem test vseeno izvedel, če bi morda Nikon nekoč v prihodnosti predstavil novo verzijo objektiva, ki bi ostrila bližje.
Skladno s pričakovanji in s teorijo o kupolah, je ostrina 10,5 mm objektiva v centru slike z veliko kupolo malo slabša, kot na zraku in z malo kupolo še slabša. Pri obeh kupolah dosežemo vrh ostrine v centru slike z zaslonkama f/8 in f/11. Pri zaslonkah f/16 in f/22, ko ostrina pada zaradi uklona, so razlike med kupolama in zrakom minimalne.
Čisto drugačna situacija pa je na skrajnem robu slike. Ostrina je z obema kupolama bistveno slabša ko na zraku, čeprav tudi tu ni ravno impresivna. Ostrina doseže svoj vrh na zraku pri f/8, z veliko kupolo pri f/11 in z malo kupolo pri f/16. Pri f/22 so vse ostrine izenačene.

Na splošno lahko rečemo, da je optimalna zaslonka za 10,5 mm objektiv z veliko kupolo f/11. Pri mali kupoli pa dosežemo optimalno ostrino v centru slike pri f/11 in na robu pri f/16. Ker je slika pri mali kupoli pri f/16 po ostrini bolj izenačena, dajem prednost tej zaslonki.
 
 

Pri 16 mm objektivu je situacija v centru slike z veliko kupolo podobna kot pri 10,5 mm, s tem da je ostrina opazno nižja. Ostrina v centru slike z veliko kupolo z zapiranjem zaslonke zelo počasi narašča in doseže svoj vrh pri f/16. Čisto drugačna situacija pa je pri 16 mm objektivu z malo kupolo. Mala kupola navidezno toliko približa neskončno oddaljene predmete, da objektiv ni več zmožen ostriti (o tem smo že pisali višje zgoraj pri teoriji kupol!). Zaradi tega sem lahko slikal samo tako, da sem preklopil na ročno ostrenje. Slike niso bile nikoli v fokusu, vendar so z zapiranjem zaslonke počasi postajale ostre zaradi globinske ostrine. Največja ostrina se je pojavila šele pri zaslonki f/22.
Tudi na robu je situacija z veliko kupolo pri 16 mm objektivu podobna kot pri 10,5 mm, le da so slike ponovno opazno manj ostre. Višek ostrine dosežemo šele pri f/16 in pri f/22 le majhen padec. Če je slika z malo kupolo že v centru neostra, lahko na robu pričakujemo še toliko slabše rezultate. Tudi pri f/16 ne dobimo zadovoljive ostrine in šele pri f/22 opazimo velik skok v ostrini.

Na splošno lahko rečemo da je optimalna zaslonka s 16 mm objektivom in veliko kupolo f/16 - tako v centru, kot na robu. Mala kupola je za 16 mm objektiv popolnoma neuporabna in zadovoljivo ostrino dobimo šele pri skrajni zaslonki f/22.
 
 

Edina smiselna primerjava med obema objektivoma je pri uporabi velike kupole. V centru slike 10,5 mm objektiv prepričljivo vodi pred 16 mm pri vseh zaslonkah od f/2,8 do f/11, kjer doseže svoj vrh. Pri f/16 prične ostrina 10,5 mm objektivu padati zaradi uklona, 16 mm pa tu doseže svoj vrh in ostrini se izenačita. Tudi pri f/22 sta centralni ostrini izenačeni in nekoliko slabši kot pri f/16.
Situacija na robu je podobna, kot v centru, s tem da opazimo ogromno razliko v ostrini pri f/11. Tu 10,5 mm objektiv doseže svoj vrh, ostrina 16 mm pa je približno polovico slabša. Pri f/16 16 mm objektiv močno pridobi na ostrini in se skoraj izenači z 10,5 mm. Pri f/22 16 mm objektiv celo preseže 10,5 mm, ker je slednji zaradi manjših pikslov v D2x bolj podvržen uklonu.

 
 
 
 

Kot že rečeno, je optimalna zaslonka 10,5 mm objektiva f/11, 16 mm objektiva pa f/16. Če primerjamo fizične premere odprtin (goriščna razdalja deljena z zaslonko), vidimo, da imata oba objektiva pri optimalni zaslonki premer odprtine približno 1 mm. Očitno je 1 mm "luknjica" tista, ki je odgovorna za zadostno globinsko ostrino, da pokrije optično napako (krivino polja) kupole, tako da dobimo od roba do roba zadovoljivo ostro sliko.

Skrajni vogali so pri ribje oko objektivih še bolj problematični za ocenjevanje, zato se mi tam ni zdelo smiselno meriti ostrine. Namesto elementa s testnimi črticami, sem raje uporabil element z narisanim merilom (60 cm s polcentimetrsko delitvijo), da bi na njem ocenjeval kje je meja med ostrino - neostrino, ki jo povzroča kupola. Tega žal v praksi s tem merilom ni bilo možno oceniti, dobro pa je služilo kot prikaz ostrine, oziroma neostrine.

 
 
 

Teste v morju sem izvedel predvsem zato, da bi pokazal kaj številčne vrednosti za ostrino, ki sem jih dobil s slikanjem testne karte v bazenu, pomenijo v praksi. Oba ribje oko objektiva sem testiral v "zelo realnih" pogojih - februarja v Piranu, pri temperaturi vode 9 oC in vidljivosti največ 5 m. Izbral sem dva različna motiva morskega dna in vsakega fotografiral z obema sistemoma pri vseh zaslonkah. Prvi sistem je bil Nikon D2x + 10,5 mm f/2,8DX ribje oko objektiv + Seacam ohišje z veliko Fisheye kupolo + 2x Seacam 150 bliskavici. Drugi sistem pa je bil Nikon D3 + 16 mm f/2,8 ribje oko objektiv + Seacam ohišje s popolnoma enako Fisheye kupolo + 2x Seacam 250 bliskavici. Z vsako zaslonko sem naredil dva do tri posnetke in izbral najostrejše. Pri najbolj odprtih zaslonkah f/2,8 do f/5,6 so se pojavili problemi s premočno ambientalno svetlobo (zaradi tega so tudi slike bolj zelenkaste), zato sem na D3 znižal ISO na 100. Pri najbolj zaprtih zaslonkah f/16 in f/22 sem ISO na D2x dvignil na 200. Čas zaklopa je bil na obeh kamerah vedno 1/250 s, da sem s tem eliminiral vpliv neostrine zaradi stresljajev.

Vzorčne slike (100% izreze) sem vzel ob daljši stranici slike (bližje centru, torej največja ostrina), od krajši stranici (dlje od centra, torej slabša ostrina) in dvakrat v skrajnem vogalu (najslabša ostrina). Na robnih izrezih vidimo, da ima 10,5 mm objektiv približno za eno zaslonko prednosti v ostrini pred 16 mm. V vogalnih izrezih pa 10,5 mm objektiv vodi pred 16 mm skoraj za dve zaslonki. Slednje se sklada s teorijo o krivini polja: če pravokotnik (senzor) pritisnemo na krogelno površino (ploskev, kjer nastane slika) tako, da se sredina pravokotnika dotika krogle, so robovi pravokotnika bližje krogelni površini, kot njegovi vogali. Manjša ko je krogla, večja je razlika med razdaljami in bolj so vogali pravokotnika odmaknjeni od njene površine. Manjša ko je torej kupola, večja je krivina polja (manjša krogla) in s tem težje dobimo ostro sliko v vogalih.
 
 
 
 
 

Nazadnje sem naredil tudi primerjavo med JPG sliko direktno iz kamere in sliko, procesirano iz NEF formata v Capture NX. Vsi izrezi so iz vogala slik, slikanih z obema objektivoma pri f/16. Pri JPG sliki iz Nikona D2x opazimo precej močno kromatsko aberacijo, slika, ki je bila procesirana v Capture NX pa je brez kromatske aberacije in razmeroma zelo ostra. Iz Nikona D3 sta obe sliki  praktično identični, brez kromatske aberacije vendar opazno manj ostri.

 
 
Na tem mestu pa je potrebno omeniti še to, da ostrino od vogala do vogala potrebujemo samo takrat, kadar imamo v celi sliki veliko detajlov - npr. kadar fotografiramo koralni greben in imamo v sliki korale tudi v skrajnih vogalih. Kadar pa je glavni objekt skoncentriran predvsem v osrednjem delu slike, v vogalih pa nimamo nobenih pomembnih detajlov (npr. velika riba v modrem), si lahko privoščimo manjšo kvaliteto ostrine v vogalih, ker tega ne bo nihče opazil.
 
 

Podvodnim fotografom bi tudi priporočal, naj fotografirajo predvsem z veliko kupolo, ki daje optično boljše rezultate od male. Mala kupola naj bo rezervirana samo za specialne efekte, torej za ekstremno bližinsko širokokotno fotografijo.

 
 

Zaključek

 

Kateri format senzorja je torej boljši za podvodno fotografijo? Mislim, da se bo sedaj večina fotografov strinjala z menoj da je to DX (mali) format. V makro fotografiji ima brez dvoma mali senzor prednost, ker z njim lažje zajamemo zelo majhne izreze v naravi. Večja globinska ostrina pri malih senzorjih se žal ni izkazala za prednost, ker imamo zaradi manjših pikslov na malih senzorjih močnejši vpliv uklona. Slednji izniči pozitivni učinek globinske ostrine pri (preveč) zaprtih zaslonkah.
V zvezi z uporabo kupol pri širokokotni podvodni fotografiji je bilo več dvomov kateri senzor je primernejši. Toda tako teorija kot tudi rezultati praktičnih testov se ponovno pokazali prednost malega senzorja, kajti na njem so napake kupole (sprememba fokusa in krivina polja) manj izražene. Pri tem moramo upoštevati tudi nezanemarljivo dejstvo, da je edino z malim formatom senzorja možno tehnično uspešno fotografirati ekstremno bližinske širokokotne posnetke z malo kupolo in z ribje oko objektivi, ki ostrijo zelo na blizu (AF Nikkor 10,5mm f/2,8DX in pa tudi med podvodnimi fotografi zelo popularna Tokina 10-17mm f/3,5-4,5).
Do nedavnega so odlične karakteristike velikih FX senzorjev za fotografiranje pri slabih svetlobnih pogojih (nizek šum pri visokih ISO vrednostih) predstavljale veliko prednost pred malimi senzorji. Veliki senzorji so bili zaželeni predvsem pri podvodnih fotografih, ki so veliko delali v slabih svetlobnih pogojih, npr. pri fotografiranju razbitinah v velikih globinah. Toda z nedavnim prihodom Nikona D7000 se je vse spremenilo... Ta "veliki" mali Nikon je pokazal, da je tudi z malim senzorjem možno zadovoljivo fotografirati skoraj v temi.

Glede na vsa našteta dejstva mislim da ni več težko uganiti, kateri bo naslednik mojega starega D2x, ki danes šteje že krepko čez 50.000 podvodnih posnetkov. To bo brez vsakega dvoma "high end" DX kamera, torej naslednik D300s!
 
 

Zahvala

 

Za pomoč pri izvedbi testov se zahvaljujem:

Urošu Iliču (Syncomp) za izdelavo testne karte.
Gianniju Pečarju in Adrianu Morettinu (oba podvodna fotografa iz Trsta) za izposojo dodatne Seacam opreme.
Igorju Vrhovcu in Marjanu Makucu (Skupina Norik Sub) za logistično pomoč pri izvedbi testov v bazenu (Igor) in na morju (Marjan)