{"id":1424,"date":"2009-05-06T23:10:34","date_gmt":"2009-05-06T22:10:34","guid":{"rendered":"http:\/\/francescophoto.wordpress.com\/?p=1424"},"modified":"2009-05-06T23:10:34","modified_gmt":"2009-05-06T22:10:34","slug":"sfatiamo-i-miti-piu-pixel-piu-rumore","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/2009\/05\/06\/sfatiamo-i-miti-piu-pixel-piu-rumore\/","title":{"rendered":"Sfatiamo i miti: pi\u00f9 pixel pi\u00f9 rumore"},"content":{"rendered":"

\"bayer-001\"<\/a>Una delle convinzioni pi\u00f9 diffuse fra i fotografi “esperti” \u00e8 che pi\u00f9 pixel ha un sensore e pi\u00f9 questi sono piccoli pi\u00f9 \u00e8 alto il rumore che questo produce e quindi minore \u00e8 la qualit\u00e0 di immagine in particolare alle alte sensibilit\u00e0.
\nQuesta \u00e8 una nozione che li fa sentire superiori a coloro che, non esperti di fotografia, giudicano le fotocamere solo in base al numero di megapixel e pensano che quella che ne ha di pi\u00f9 sia la migliore.
\nPurtroppo per\u00f2 questa idea promossa dal 99 % delle riviste, dei siti web e dei fotoamatori non \u00e8 vera. E se non \u00e8 sempre vero che una fotocamera che ha pi\u00f9 megapixel sia migliore di una che ne ha meno, in molti casi \u00e8 proprio cos\u00ec.<\/p>\n


\nSpesso quando i produttori presentano nuove fotocamere con pi\u00f9 megapixel del precedente modello le maggiori critiche che si leggono sui forum e anche sui test on-line riguardano il fatto che il maggior numero di pixel, pi\u00f9 piccoli, degradano la qualit\u00e0 d’immagine e soprattutto aumentano il rumore. E’ successo recentemente per le Canon 40D e 50D e per molte altre fotocamere.<\/p>\n

Vediamo perch\u00e8 e come si \u00e8 generata questa credenza.
\nIl ragionamento usato per concludere che pixel piccoli sono peggiori di pixel grandi \u00e8 basata su due affermazioni:
\n\u00a01) un singolo pixel isolato, quando \u00e8 ridotto come dimensioni, ha una sensibilit\u00e0 inferiore, pi\u00f9 rumore e minore capacit\u00e0 di assorbire luce.
\n\u00a02) quindi un sensore di una determinata dimensione contenente molti pixel piccoli ha pi\u00f9 rumore e minor gamma dinamica che un sensore della stessa dimensione contenente meno pixel pi\u00f9 grandi.
\nQueste affermazioni sono sbagliate.
\nIl rumore di una foto \u00e8 nei fotoni incidenti e non nei pixel. Se si considerano i fotoni incidenti in una determinata area il rumore sar\u00e0 sempre lo stesso indipendentemente se questa \u00e8 divisa in 1, 2, 4 o 1000 pixel. Poich\u00e8 il esgnale di output si somma linearmente, mentre il rumore si somma secondo la radice quadrata, il risultato finale per una determinata area \u00e8 sempre lo stesso a livello di rumore. Anche il voltaggio in uscita \u00e8 lo stesso indipendentemente dalla grandezza dei pixel. Infatti il voltaggio all’uscita del pixel e transistor associato dipende del numero di fotoni raccolti, cio\u00e8 dalla sua grandezza, ma anche la capacit\u00e0 del pixel \u00e8 proporzionale alla sua grandezza, quindi il voltaggio di uscita \u00e8 sempre lo stesso e non dipende dalla grandezza del pixel. I pixel pi\u00f9 piccoli non richiedono perci\u00f2 una maggior amplificazione del segnale e di conseguenza non producono maggior rumore.
\nIn realt\u00e0 il concetto \u00e8 che il rumore \u00e8 funzione della frequenza spaziale. Una breve spiegazione di quanto accade \u00e8 che la quantit\u00e0 di luce che cade su un sensore non cambia a secondo della grandezza dei pixel. Pixel grandi o piccoli registrano indifferentemente la luce che cade in certe posizioni. Entrambi riproducono lo stesso ammontare totale di luce. Quando pixel piccoli e pixel grandi sono messi a confronto sullo stesso output finale, i pixel piccoli hanno le stesse prestazioni di quelli grandi.
\nLa frequenza spaziale \u00e8 il livello di dettaglio di un’immagine. Per esempio un crop al 100 % di un’immagine da 15 Mpx ha una frequenza spaziale molto alta (dettagli fini), mentre il crop di un’immagine da 6 Mpx ha una frequenza spaziale pi\u00f9 bassa (dettagli pi\u00f9 grandi). Le frequenze spaziali pi\u00f9 alte hanno un maggior rumore di quelle pi\u00f9 basse, ma alla stessa frequenza il rumore \u00e8 lo stesso, indipendentemente dalla grandezza dei pixel. Una immagine con molti megapixel pu\u00f2 essere sempre ridimensionata allo stesso livello di dettaglio di una immagine con pochi megapixel. E’ quindi sempre possibile ottenere un’immagine con molti megapixel con lo stesso livello di rumore di un immagine con pochi, quindi \u00e8 sempre possibile ottenere un’immagine ad alta risoluzione con lo stesso livello di rumore di un immagine a bassa risoluzione.
\nL’idea che i pixel pi\u00f9 piccoli producano maggior rumore deriva da una serie di valutazioni eseguite in modo sbilanciato su elementi differenti e precisamente:
\n– diverse frequenza spaziale
\n– dimensioni del sensore differenti
\n– elaborazione differente
\n– aspettative errate
\n– tecnologia differente<\/p>\n

Analizziamo in dettaglio questi elementi.<\/p>\n

Diverse frequenze spaziali<\/strong><\/p>\n

Il confronto fra crop al 100 % da fotocamere con differente risoluzione \u00e8 l’errore pi\u00f9 comune. Ci\u00f2 comporta l’ingrandimento delle due immagini a livelli diversi. Sarebbe come esaminare una delle due con una lente con l’ingrandimento 2x e una con l’ingrandimento 8x. Ad esempio un’immagine da 12 Mpx visualizzata su uno schermo a 1024 pixel equivale ad una dimensione di visualizzazione di 120×80 cm, mentre una di 24 Mpx equivale a 180×120 cm.
\nE’ necessario quindi ridimensionare le immagini alla stessa grandezza per poterle confrontare. Questo \u00e8 ci\u00f2 che ho fatto, ad esempio, nel confronto fra la Nikon A700 e la Sony A900<\/a>.
\nLe misure standard per le caratteristiche di un sensore come il rumore, la sensibilit\u00e0, la gamma dinamica sono misurate a livello di pixel. Il problema con queste misure \u00e8 che pixel di dimensioni differenti hanno una differente frequenza spaziale. Non \u00e8 possibile quindi usare le misure fatte su un singolo pixel per un confronto fra sensori di differente risoluzione perch\u00e8 i loro pixel coprono frequenze spaziali completamente diverse.
\nUsare quindi crop al 100 % per confrontare due sensori con un numero di pixel differente \u00e8 come confrontare la MTF di due obiettivi a differenti frequenze. Se hanno la stessa curva MTF ma se ne misura uno a 50 l\/mm e l’altro a 100 l\/mm si pu\u00f2 avere l’impressione che uno sia migliore dell’altro. Pochi fanno quest’errore confrontando due obiettivi, ma il 99 % lo fa confrontando le immagini a livello di pixel. Le prestazioni a livello di pixel, come la MTF, non possono essere confrontate senza tener conto delle differenti frequenze spaziali. Se per esempio si confrontano due crop di immagini di fotocamere con lo stesso sensore, ma con differente risoluzione (numero di pixel) si vedr\u00e0 che il crop della fotocamera con pixel piccoli copre un’area molto pi\u00f9 piccola e frequenze spaziali pi\u00f9 alte (maggior risoluzione) del crop dalla fotocamera con pixel pi\u00f9 grandi. Entrambe sono confrontate alla loro frequenza di Nyquist, che non \u00e8 la stessa.<\/p>\n

Sensori di dimensioni diverse<\/strong><\/p>\n

E’ sempre necessario considerare l’impatto delle dimensioni del sensore. La pi\u00f9 comune forma di errore su questo argomento \u00e8:
\n\u00a01) le compatte hanno pi\u00f9 rumore che le DSLR
\n\u00a02) le compatte hanno pixel pi\u00f9 piccoli delle DSLR
\n\u00a03) perci\u00f2 i pixel piccoli sono la causa del maggior rumore.<\/p>\n

L’errore logico \u00e8 che questa \u00e8 una correlazione, non una casualit\u00e0. Il ragionamento pu\u00f2 essere corretto sostituendo l’espressione “pixel pi\u00f9 piccoli” con “sensori pi\u00f9 piccoli”. Non sono i pixel piccoli che causano maggior rumore, ma i sensori piccoli. Un sensore da compatta con pixel molto grandi (es. da 0,24 Mpx) non sar\u00e0 mai superiore ad un sensore fullframe con pixel molto piccoli (es. da 24 Mpx).<\/p>\n

Elaborazione differente<\/strong><\/p>\n

L’errore pi\u00f9 comune in questo caso \u00e8 affidarsi all’elaborazione della fotocamera che produce i Jpeg. Un altro \u00e8 pensare che qualunque convertitore raw tratter\u00e0 due immagini da differenti fotocamere nello stesso modo, mentre nessuno lo fa. Per esempio molti convertitori usano un differente valore di riduzione del rumore per differenti fotocamere anche se la riduzione di rumore \u00e8 impostata sullo zero. Inoltre, anche se il convertitore usato si comporta sempre allo stesso modo, il metodo che usa pu\u00f2 essere pi\u00f9 adatto per un tipo di sensore piuttosto che per un altro.
\nLa soluzione migliore per superare queste difficolt\u00e0 \u00e8 misurare direttamente il raw prima della conversione come fa DXOMark.<\/p>\n

Aspettative errate<\/strong><\/p>\n

Se ci si aspetta che una fotocamera che ha una risoluzione maggiore del 50 % sia capace di produrre stampe del 50 % pi\u00f9 grande senza nessuna modifica del rumore visibile nelle stesse condizioni di illuminazione questa \u00e8 un’aspettativa errata. Se invece ci si aspetta per la stessa grandezza di stampa nelle stesse condizioni di luce lo stesso rumore questa \u00e8 un’aspettativa corretta. Queste condizioni di visualizzazione sono arbitrarie, ma non supportano l’affermazione che “i pixel piccoli producono pi\u00f9 rumore”<\/p>\n

Tecnologia differente<\/strong><\/p>\n

Se si confronta una fotocamera di 5 anni fa con una dello scorso anno non dovr\u00e0 sorprendere che la pi\u00f9 nuova sar\u00e0 migliore della pi\u00f9 vecchia. In ogni caso non sar\u00e0 mai possibile confrontare due fotocamere con la stessa tecnologia perch\u00e8 anche fra ue esemplari della stessa macchina ci sono tolleranze di fabbricazione che provocano differenze. Non per questo non si devono fare test e confronti, ma bisogna essere consapevoli che ci sono delle differenze.<\/p>\n

Il fatto che le compatte presentano un maggior rumore delle reflex \u00e8 dovuto alle dimensioni dei sensori utilizzati non alle dimensioni dei pixel.\u00a0I sensori\u00a0delle reflex sono molto pi\u00f9 grandi di quelli delle compatte.
\nUn sensore pi\u00f9 grande innanzitutto ha una maggior gamma dinamica di uno pi\u00f9 piccolo. Infatti ipotizziamo di avere due sensori con un rapporto dimensionale di 2:1. Per riprendere la stessa foto il sensore pi\u00f9 grande richiede un fattore moltiplicativo 2x. Per la stessa esposizione (stesso valore f-stop) il suo diaframma ha un diametro doppio e un area 4 volte pi\u00f9 grande. Perci\u00f2 la luce che arriva su di esso \u00e8 4 volte maggiore. L’ulteriore fattore che influenza il risultato \u00e8 il rumore di lettura che \u00e8 una determinata quantit\u00e0 per ciascun pixel. Ipotizziamo che i due sensori siano progettati con la stessa tecnologia. Il sensore pi\u00f9 piccolo ha ad esempio 6 Mpx, quello pi\u00f9 grande 24 Mpx. Assumiamo che ciascun pixel abbia un rumore di lettura di 4 elettroni. Se confrontiamo la gamma dinamica della stessa porzione di immagine <\/strong>un singolo pixel del sensore piccolo raccoglie ad esempio 64000 elettroni. La sua gamma dinamica \u00e8 64000\/4=8000. I quattro pixel del sensore pi\u00f9 grande raccolgono 256000 elettroni. Il rumore di lettura combinato per loro \u00e8 proporzionale alla radice quadrata del rumore del singolo pixel, cio\u00e8 sqrt(4*16)= 8 elettroni, e la gamma dinamica \u00e8 256000\/8=16000. Perci\u00f2 senza modificare la grandezza dei pixel la gamma dinamica si \u00e8 incrementata di un f-stop per un sensore di dimensioni due volte pi\u00f9 grande. Quindi la gamma dinamica non dipende dalle dimensioni dei pixel, ma da quelle del sensore.
\nPe quanto riguarda la saturazione ipotizziamo di avere due sensori delle stesse dimensioni, ma uno con quattro volte il numero di pixel dell’altro. Ciascun pixel grande un quarto ha un quarto di capacit\u00e0, ma siccome occupa anche un quarto di area, per la stessa illuminazione solo un quarto dei fotoni cadr\u00e0 su di esso. Quindi andr\u00e0 in saturazione alla stessa esatta quantit\u00e0 di illuminazione del pixel pi\u00f9 grande.
\nIl fatto che si veda pi\u00f9 rumore nei sensori piccoli delle compatte dipende dalla grndezza ridotta del sensore rispetto alle reflex e non dalla grandezza dei pixel.
\nLa situazione per cui nelle foto fatte con un sensore piccolo di una compatta spesso il rumore si vede in blocchi e macchie e non a livello di singoli pixel \u00e8 dovuto agli algoritmi di demosaicizzazione applicati ai sensori Bayer quando il segnale \u00e8 trasformato da analogico a digitale e poi alla riduzione di rumore applicata nella conversione da raw in jpeg. Questi influenzano i pixel vicini a gruppi, in quanto le informazioni prodotte dal singolo pixel nei sensori Bayer sono interpolate per riprodurre i colori che questo non registra, creando i blocchi di rumore. Un altro fattore che rende maggiormente evidente il rumore \u00e8, a parit\u00e0 di pixel fra un sensore piccolo e uno grande, il maggior ingrandimento a cui sono sottoposte le immagini del sensore piccolo quando sono visualizzate sullo schermo o stampate a parit\u00e0 di dimensioni.
\nSe si confrontano poi le immagini a livello di jpeg queste sono influenzate anche dagli algoritmi di riduzione del rumore applicati dai produttori per ottenere immagini con meno rumore e che, soprattutto, risultino pi\u00f9 pulite nei confronti fatti a livello di pixel con crop al 100 % dal 99 % dai siti internet e delle riviste fotografiche che provano le fotocamere.
\nPer valutare correttamente le qualit\u00e0 di un sensore \u00e8 necessario quindi misurare l’immagine prodotta a livello raw, come fa DXOMark<\/a>, normalizzandola a livello di dimensioni di output. Ci\u00f2 si pu\u00f2 verificare confrontando le misure effettuate da DXOMark<\/a> per diverse fotocamere clickando sul tasto “Print” quando si effettuano i confronti. Ci\u00f2 normalizza le dimensioni delle immagini come indicato sul sito stesso. In questo modo si pu\u00f2 vedere che i sensori di pari dimensioni con un numero maggiore di pixel non hanno pi\u00f9 rumore di quelli con meno pixel e una gamma dinamica uguale\u00a0(es. Nikon D3x e D3<\/a>).
\nQuesta operazione \u00e8 ci\u00f2 che ho fatto nel confronto fra la Nikon D700 e la Sony A900<\/a> nel quale purtroppo ho dovuto utilizzare immagini jpeg, non da me prodotte. Se mi sar\u00e0 possibile far\u00f2 in futuro un confronto analogo, fra fotocamere con uguale sensore, partendo da immagini in formato raw. Ci\u00f2 dimostrer\u00e0 che la fotocamera con un maggior numero di pixel ha lo stesso rumore, a parit\u00e0 di frequanza spaziale, ma che produce maggiori dettagli in virt\u00f9 del maggior numero di pixel e quindi della maggior frequenza spaziale a cui pu\u00f2 arrivare.<\/p>\n

Il seguito di questo articolo, con grafici, misure e crop al 100 % \u00e8 nell’articolo “Sensori, pixel e rumore<\/a>“<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Una delle convinzioni pi\u00f9 diffuse fra i fotografi “esperti” \u00e8 che pi\u00f9 pixel ha un sensore e pi\u00f9 questi sono piccoli pi\u00f9 \u00e8 alto il rumore che questo produce e quindi minore \u00e8 la qualit\u00e0 di immagine in particolare alle alte sensibilit\u00e0. Questa \u00e8 una nozione che li fa sentire superiori a coloro che, non … Continua la lettura di Sfatiamo i miti: pi\u00f9 pixel pi\u00f9 rumore<\/span> →<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[34],"tags":[383,384,432,1079],"class_list":["post-1424","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia","tag-dimensioni-pixel","tag-dimensioni-sensore","tag-dxomark","tag-rumore"],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1424","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1424"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1424\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1424"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1424"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/francescophoto.it\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1424"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}