Il rumore nella foto digitale è una delle caratteristiche più importanti per determinare la qualità di un’immagine. I fattori che lo determinano sono vari, ma essenzialmente dipendono dalle caratteristiche tecnologiche del sensore e dalle sue dimensioni, dalla luminosità dell’obiettivo e dalla conversione o traduzione dell’immagine da raw in jpeg o tiff. Nell’articolo l’autore, schinellato,  esamina in dettaglio questi fattori e come influenzano la qualità delle foto.

Introduzione

 Il rumore nella fotografia determina la qualità del dettaglio di un’immagine (a differenza della composizione, che determina la qualità dell’insieme) ed è influenzato da diversi fattori:

• caratteristiche del sensore (dimensioni, tecnologia, range dinamico, profondità di colore)
• luminosità dell’ottica
• traduzione dell’immagine per renderla più simile alla percezione dell’occhio umano (bilanciamento del bianco, correzione dell’esposizione, curve di esposizione, saturazione dei colori)

E’ esperienza comune che, aumentando l’ISO (la sensibilità del sensore alla luce) aumenta il rumore. Tuttavia questo non è l’unico fattore in gioco, e il rumore generato da una macchina reflex è inferiore a quello generato da una compatta. Per la spiegazione utilizzerò molto frequentemente il concetto di “stop” come misura della luce, quindi è opportuno averne ben chiaro il significato: +1 stop equivale ad un raddoppio della quantità di luce, -1 stop equivale ad un dimezzamento della quantità di luce. Una scena caratterizzata da una luce tenue può misurare, dalla zona più buia a quella più luminosa, un intervallo di 7 o 8 stop, cioè considerando 1 (1=2^0) la quantità di luce minima, quella massima sarà circa 128 volte più forte (128=2^7) o 256 volte più forte (256=2^8). Una scena caratterizzata da forti contrasti tra luce ed ombra, come accade a mezzogiorno d’estate, può misurare un intervallo di 20 stop e oltre con la luce massima oltre un milione di volte più potente di quella minima (1048576=2^20). Il limite principale del sensore è quello di poter catturare soltanto una differenza limitata tra la luce massima e minima (generalmente da 8 a 12 stop), cosicché oltre questa “finestra” occorre impostare i tempi di esposizione, l’apertura del diaframma, la sensibilità del sensore per cercare di catturare la maggior parte della scena visibile all’occhio umano: 

• ad un raddoppio della sensibilità ISO corrisponde un aumento di +1 stop di sensibilità e di presenza di rumore, cosicchè da ISO 100 a ISO 400, per esempio, c’è una differenza di 2 stop (4=2^2)
• ad una moltiplicazione di apertura del diaframma di 1,4142 corrisponde un dimezzamento della luce in ingresso e quindi una diminuzione di -1 stop, cosicchè da f1.8 a f7.2, per esempio, c’è una differenza di 4 stop
• ad un raddoppio del tempo di esposizione corrisponde un raddoppio della luce in ingresso e quindi un aumento di +1 stop, cosicchè passando da un’esposizione di 1/128” a 1/16” c’è una differenza di 3 stop

 Ma questo lavoro è svolto egregiamente dagli automatismi della macchina, con rare esigenze di intervento manuale: è importante comprenderne grossomodo il funzionamento per comprendere la spiegazione seguente. Tralascerò alcuni concetti importanti per la fotografia, come l’uso dei flash e i problemi della fotografia sportiva, perché vorrei affrontare il tema in modo generico mentre questi argomenti richiederebbero una spiegazione molto più approfondita e specialistica. Tralascerò anche alcune differenze tra macchine fotografiche legate alla profondità di campo e ad applicazioni specialistiche, come le ottiche basculanti e decentrabili, o le tecniche di post-produzione più avanzate. Talascerò infine la demosaicizzazione, che produce effetti limitati sul rumore, e che riguarda quasi tutti i sensori per macchine fotografiche (esclusi i Foveon, che tuttavia presentano al momento altre limitazioni).

Le caratteristiche del sensore

Le caratteristiche del sensore sono forse il fattore più importante per determinare il rumore. Le dimensioni, soprattutto, giocano un ruolo fondamentale perché il rapporto segnale/rumore è strettamente legato alla quantità di luce raccolta dal sensore, quindi alla sua superficie: si può affermare con una certa approssimazione che un sensore di superficie doppia, raccogliendo nello stesso tempo una quantità di luce doppia, genera la metà del rumore rispetto al sensore di superficie inferiore. Il sensore di una reflex APSC di dimensioni 23x16mm e superficie di 370mm raccoglie 15 volte la luce del sensore di una compata in formato 1/2.5” che ha una superficie di 25mm, e genera un rumore pari a circa -4 stop a pari sensibilità: grossomodo il rumore generato da una compatta a iso 100 corrisponde a quello generato da una reflex a iso 1600, quello a iso 400 corrisponde a iso 6400 della reflex, e così via.

 La tecnologia dei sensori si è evoluta con il tempo in modo da sfruttare la maggior quantità di superficie come superficie sensibile, ma la regola è sufficientemente valida per sensori di pari tecnologia, o della stessa generazione. Inoltre la tecnologia influisce sulla capacità del sensore di catturare un intervallo di luce più ampio: per esempio la Fujifilm ha prodotto in passato dei sensori per reflex “SuperCCD” dotati di pixel più piccoli capaci di catturare le luci più alte alternati a pixel più grandi capaci di catturare le ombre, estendendo il range dinamico. Le dimensioni del sensore hanno un’influenza limitata sul “range dinamico”, tanto che il modello di punta Canon, la EOS 1D Mark IV, presenta un range dinamico di “soli” 2 stop superiore a quello di una compatta come la Panasonic FZ28, e inferiore a macchine con sensore più piccolo. Esiste comunque un trucco chiamato HDR (High Dynamic Range) che consiste nel prendere diverse foto della stessa scena con esposizioni differenti e combinarle insieme successivamente. E’ bene notare anche che, all’aumentare della sensibilità ISO, solitamente diminuisce il range dinamico che il sensore riesce a catturare.

 Un parametro che invece è molto sensibile alla variazione di dimensione del sensore è la profondità del colore: sembra andare di pari passo con la superficie, cosicché un raddoppio di superficie corrisponde ad un raddoppio della profondità del colore, e il legame con la tecnologia è molto meno evidente.

E’ molto chiaro come le dimensioni del sensore influiscono sul rumore, ma nell’ultima sezione mostrerò come anche il range dinamico e la profondità del colore giocano un ruolo importante.

La luminosità dell’ottica

Un’ottica molto luminosa permette, a parità di tempi di esposizione, di mantenere una sensibilità ISO inferiore per ritrarre la stessa scena: per esempio ci sono compatte “evolute” la cui ottica ha un’apertura massima di F2.0 o addirittura F1.8. Paragonata all’ottica venduta normalmente con una reflex base, che ha un’apertura massima di F3.6, c’è un guadagno di quasi 2 stop nella luce catturata che permetterà, per esempio, di utilizzare con le prime macchine un iso 100 quando con le ultime occorrerà impostare un iso 400 per ottenere gli stessi tempi di esposizione. Questa considerazione ha senso se occorre mantenere un budget limitato: diversamente, le reflex possono montare ottiche con aperture maggiori ma dai costi molto superiori (è molto costoso realizzare un’ottica luminosa, magari zoom e con dimensioni abbastanza contenute per un sensore grande). Una buona alternativa per le reflex sono le ottiche a focale fissa, per esempio 50mm f2.0 o f1.4 che mantengono prezzi accessibili e dimensioni contenute. Le ottiche zoom e tele con aperture ampie raggiungono costi proibitivi (oltre i 1000 euro). La scelta sarà quindi determinata il più delle volte da un compromesso economico.

 Traduzione dell’immagine o post-produzione

 Ho preferito utilizzare il termine “traduzione” dell’immagine perché i processi di post-produzione che descriverò di seguito sono utilizzati allo stesso modo all’interno della macchina per generare l’immagine Jpeg, e influenzano il rumore allo stesso modo.

 L’occhio umano, diversamente dal sensore, opera delle elaborazioni sulle immagini: bilancia il bianco, cosicché la luce dominante di una scena tende ad apparire bianca; riduce o amplifica il contrasto di una scena; satura o desatura i colori a seconda del contesto. Senza scendere in dettagli che interessano la psicologia evoluzionistica e riguardano la sopravvivenza dell’individuo e della specie, in questo contesto ci interessa sapere che anche la macchina fotografica applica simili correzioni per rendere l’immagine simile a quella percepita dall’occhio umano: questo avviene anche nella traduzione in formato Jpeg, oppure nella post-produzione delle immagini in formato Raw sul computer.

 Devo tornare brevemente a descrivere il modo in cui il sensore cattura la luce per chiarire i concetti successivi: ho già menzionato come la diversa dimensione e la diversa tecnologia dei sensori determinano il range dinamico e la gamma tonale che il sensore riesce a catturare. Esiste un altro fattore che è invece comune a tutti i sensori delle macchine fotografiche digitali: il grafico che rappresenta il modo in cui il sensore mappa i toni di luce in valori numerici non è una retta, ma una curva molto simile ad una retta per i toni di luce medi e alti, che si appiattisce verso le ombre. Ne risulta che il sensore tende a “sfondare” le luci (cioè non riesce a rappresentare le zone più luminose) mentre “comprime” le zone d’ombra, cioè le rappresenta con un livello di dettaglio inferiore.

 Nella “traduzione” dell’immagine viene corretto il bilanciamento del bianco agendo direttamente o indirettamente sulle curve che rappresentano i toni rossi, verdi o blu della scena: per esempio, se la luce dominante tende al rosso, si bilancerà aumentando i toni verdi e blu. Se la luce dominante tende al blu, occorrerà aumentare i toni verdi e rossi. Per rendere l’immagine più accattivante, si potrà aumentare il contrasto, cioè si espanderanno i toni, o diminuirlo comprimendo i toni. Se l’immagine è troppo buia si potrà correggere l’esposizione spostando i toni verso l’alto. Se è troppo luminosa, ciccia… Come ho detto: il sensore tende a “sfondare” le luci, cioè a perdere completamente le informazioni sulle luci troppo alte. A parte gli scherzi, ammesso di non avere sfondato le luci, sarà possibile ridurre l’esposizione spostando i toni verso il basso. In alcuni casi viene anche modificata selettivamente l’esposizione, per esempio alzando i toni delle zone d’ombra senza modificare le zone di luce. Si possono saturare i colori, oppure desaturarli, oppure è possibile applicare un filtro del colore per ottenere un effetto simile a quello di una determinata pellicola. Tutte queste operazioni di traduzione vengono applicate dalla macchina fotografica durante la generazione dei files Jpeg.

 Tutto questo lavoro di traduzione o post-produzione implica che vengono accentuate delle limitazioni del sensore come la compressione delle ombre, il range dinamico e la gamma tonale, per ottenere un’immagine più vicina a quella percepita dall’occhio umano. Viene amplificata una parte di informazioni caratterizzate da un dettaglio limitato, evidenziandolo.

 Conclusione

 Le tecnologie evolvono e la qualità della fotografia digitale ha superato in molti casi quella della fotografia analogica, con costi sensibilmente inferiori. I processi di creazione e di distribuzione del prodotto fotografico sono fortemente cambiati nell’ultimo decennio con l’avvento del digitale e di internet. La grande varietà di formati di sensori (rapportata alla standardizzazione caratteristica della pellicola), la rapida evoluzione tecnologica dei circuiti elettronici (rapportata alla relativamente lenta evoluzione dei materiali chimici delle pellicole) e la vasta segmentazione del mercato della fotografia digitale creano una grande confusione e impongono forti compromessi.

 Come ho detto nell’introduzione, il problema del rumore influisce su uno solo degli aspetti della fotografia, cioè la qualità dei dettagli dell’immagine e la possibilità di stamparla in gradi dimensioni: invece, entro certi limiti, non influisce sulla qualità dell’immagine nel suo complesso. Per esempio, la possibilità di evidenziare un dettaglio e di sfuocare lo sfondo è strettamente legata alle dimensioni del sensore ed ai rapporti delle distanze tra l’osservatore, il soggetto e lo sfondo: le macchine compatte con sensori di piccole dimensioni sono limitate in questo, e possono produrre un buono sfuocato soltanto in modo macro o sfruttando le focali più lunghe. Inoltre esistono altri fattori come l’ergonomia e l’abitudine: la fotografia è un’arte complessa che si realizza nel rapporto tra il fotografo, l’attrezzatura, e la scena o il soggetto. Infine esistono strumenti come l’illuminazione stroboscopica, i cavalletti, i filtri, gli specchi, gli ombrelli che possono completare l’attrezzatura del fotografo e in alcuni casi assumere un ruolo più importante della stessa macchina fotografica.

 Se il rumore generato dal sensore è un fattore fondamentale per la vostra scelta della macchina fotografica, raccomando la consultazione del sito http://www.dxomark.com , che confronta accuratamente le caratteristiche di diversi sensori e ottiche.

 Spero che questo articolo abbia aggiunto un piccolo tassello di conoscenza per utilizzare al meglio la macchina fotografica e per interpretare con maggiore consapevolezza le valutazioni delle riviste di fotografia.