Lezioni di Fotografia: Sensori digitali

Lezioni di Fotografia: Sensori digitali

Corso Fotografia Digitale – Lezione 4

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I Sensori digitali

Le fotocamere tradizionali a pellicola sono solo delle scatole nere in cui potete inserire qualsiasi tipo di film sensibile. Sono questi film che danno alle fotografie quei particolari colori, toni o qualità di grana. Se vi sembra che una determinata pellicola renda troppo dominante il blu o il rosso, potete sempre cambiarla con un altra. Con le camere digitali il “film” (sensore in questo caso) è parte integrante della fotocamera e non può da questa essere scisso, perciò scegliere una camera piuttosto che un’altra è in parte come scegliere un particolare tipo di sensore.

Come le pellicole, sensori diversi restituiscono colori diversi, hanno una diversa grana, diversa sensibilità alla luce, e così via. Il solo modo di valutare questi parametri è quello di esaminare alcune fotografie riprese con quella determinata fotocamera digitale o leggere articoli sulla stampa specializzata che trattano questi argomenti.

Tipologie di sensori

Fino a pochi anni fa, i sensori tipo CCD (Charge-Coupled Device) erano gli unici sensori usati nelle fotocamere, avendo raggiunto un buon grado di sviluppo ed un ottimo livello qualitativo in anni di impiego in telescopi ottici, scanner, videocamere ecc. ma ormai quasi completamente sostituiti dal sensore CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) divenuto il sensore di prima scelta in un vasto segmento del mercato. Sia i sensori CCD che i CMOS catturano la luce in una griglia di pixel, ma differiscono quanto a processi di produzione dei file digitali e per il modo di gestire le immagini.

I sensori CCD

Il sensore CCD deve il suo nome alla modalità di lettura dei pixel. Dopo l’esposizione, le cariche elettriche generate dai singoli pixel vengono trasferite una per volta in una sezione del sensore chiamata registro di lettura. Da qui, i segnali sono inviati ad un amplificatore e poi ad un particolare circuito che converte le grandezze elettriche analogiche in valori numerici digitali.

Finita la lettura della prima riga, le cariche nel registro di lettura vengono azzerate, tutte le altre righe scendono di un posto ed il processo riprende fino alla lettura dell’ultima riga. Le cariche di ogni riga sono “accoppiate” (coupled) a quelle della riga soprastante, così quando una riga si sposta in basso la successiva prende il suo posto. In questo modo le righe possono essere lette ed elaborate una alla volta.

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I segnali prodotti dai pixel della prima riga in basso vengono letti.

Dopo la lettura, il registro invia all’amplificatore i valori letti e poi li trasferisce al convertitore analogico-digitale.

La prima riga si libera, tutte le righe scendono di un passo ed il processo riprende fino alla lettura di tutte le righe.

I sensori CMOS

Il grande problema dei sensori CCD è di carattere economico, dato che i volumi di produzione non consentono soddisfacenti economie di scala. Gli impianti di produzione sono altamente specializzati, cioè sono adatti solo alla produzione di CCD mentre i sensori CMOS sono prodotti nelle stesse fabbriche e con le stesse attrezzature usate per fabbricare i milioni di microchip impiegati ormai ovunque come processori per computer o memorie. Tradizionalmente un sensore CCD offre una resa dell’immagine molto elevata ma risulta essere meno sensibile alla luce di un CMOS

Il processo di produzione CMOS è di gran lunga il più comune ed economico e usare lo stesso processo e le stesse attrezzature per produrre sensori di immagine taglia i costi di circa un terzo, rispetto ai costi dei CCD. Costi che sono ulteriormente ridotti dal fatto che i CMOS contengono i circuiti di processo delle immagini nello stesso chip, mentre nel caso dei CCD tali circuiti devono essere alloggiati in un chip separato.

Se le prime versioni dei sensori CMOS erano afflitti da problemi di “rumore” ed erano impiegati in fotocamere a basso costo, ora grandi progressi sono stati compiuti e le loro prestazioni sono paragonabili a quelle dei CCD, tanto da essere impiegati in alcune fra le migliori fotocamere oggi disponibili, anche per la loro maggiore velocità di esecuzione dei processi.

La risoluzione del sensore

Come abbiamo visto, con il termine risoluzione si intende la capacità di un’immagine di rendere i dettagli più minuti. I sensori presenti nelle fotocamere di basso livello hanno una risoluzione intorno ai 3-5 milioni di pixel, anche se il numero tende costantemente ad aumentare. Le fotocamere di alto livello hanno dai 5 ai 12 milioni di pixel, mentre gli apparecchi professionali vantano fino a 24 milioni di pixel. Può sembrare impressionante, ma anche queste ultime cifre non sono paragonabili ai 20 milioni di granuli d’argento che si stima siano compresi in un fotogramma di film 24×36, o ai 120 milioni di recettori presenti nei nostri occhi.

Come ci si può aspettare, i costi aumentano proporzionalmente alla risoluzione ed alla dimensione del sensore, a parità degli altri fattori. L’alta risoluzione però comporta anche alcuni problemi. Ad esempio più pixel significa file più grandi, più spazio occupato in memoria, maggiore difficoltà di editing, ecc.

Risoluzioni minori come 640 x 480 sono perfette per la pubblicazione sul Web, allegati di e-mail o immagini inserite in documenti e presentazioni. Per tali usi una maggiore risoluzione significa solo maggiore dimensione del file senza migliorare la qualità delle immagini in modo significativo.

Alte risoluzioni (10 milioni di pixel e oltre), sono più adatte per la stampa di fotografie di dimensioni 20×30 cm o maggiori.

La Kodak dichiara che con circa 1 milione di pixel si ottengono stampe foto-realistiche da 13×18 cm. Tuttavia un numero maggiore di pixel significa anche più dettaglio e colori più brillanti. Per stampe fino a 30×40 cm si hanno buoni risultati con 8 megapixel ed in alcuni casi le stampe sono superiori a quelle basate su film. In parte ciò si spiega col fatto che le stampe a basso costo e prodotte in serie da film negativi sono spesso orribili. Al loro confronto le stampe digitali sembrano opere d’arte.

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La risoluzione del sensore determina le dimensioni ottimali dell’immagine.

Risoluzione ottica e risoluzione interpolata

Occorre fare attenzione quando il venditore vanta la risoluzione di fotocamere o scanner, perché vi sono due tipi di risoluzione: ottica e interpolata. La risoluzione ottica è rappresentata da un numero assoluto riferito al numero dei pixel di un sensore, elementi fisici che possono essere contati. Per aumentare le dimensioni di un’immagine, la risoluzione originale può essere aumentata entro certi limiti usando un software.

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L’immagine originale.

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Immagine ridimensionata, con perdita di molti pixel e poi interpolata in ingrandimento aggiungendo nuovi pixel (in basso).

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L’aggiunta dei nuovi pixel non ripristina la qualità dell’immagine.

Per rimpicciolire un’immagine, molti pixel sono rimossi per sempre. Per poterla ingrandire, i pixel aggiunti devono essere creati dal software “copiandoli” dai pixel adiacenti. Poiché questi nuovi pixel non aggiungono alcuna nuova informazione, si tratta di una forma di ingrandimento “a vuoto”.

Questo processo, chiamato interpolazione, aggiunge pixel all’immagine per aumentarne il numero totale. Per fare questo, il software valuta i pixel che circondano il nuovo pixel per determinare quale dovrebbe essere il suo colore e luminosità. E’ importante comprendere che la risoluzione interpolata non aggiunge alcuna nuova informazione all’immagine, semplicemente aggiunge pixel e rende il file più grande. Questo aumento si ottiene con programmi di foto-editing come Photoshop.

Meglio diffidare di quelle compagnie che promuovono i loro prodotti enfatizzando una risoluzione “migliorata”. Controllate sempre la risoluzione ottica, e se non si riesce a conoscerla, lasciate perdere, state trattando con venditori che non hanno il vostro interesse in cima alle loro priorità.

Il rapporto d’aspetto

I sensori in uso hanno differenti rapporti d’aspetto (rapporto tra base e altezza). Il rapporto di un quadrato è 1:1 (larghezza e altezza uguali), e quello del film da 35mm è 1,5:1 (la larghezza è 1,5 volte maggiore dell’altezza). La maggior parte dei sensori sono compresi tra questi due estremi.

Il rapporto d’aspetto di un sensore è importante perché determina la forma e le proporzioni delle fotografie ottenute. Quando un’immagine ha un rapporto d’aspetto diverso dallo schermo su cui è riprodotta o dalla carta su cui è stampata, deve essere ritagliata o modificata nelle proporzioni. Si deve scegliere tra perdere parte dell’immagine o sprecare parte della carta.

Per calcolare il rapporto d’aspetto di una camera, si divide il numero maggiore della sua risoluzione per il numero minore. Per esempio, su un sensore ha una risoluzione di 3000 x 2000, si divide 3000 per 2000. In questo caso il rapporto è di 1,5, lo stesso del film 35mm.

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