Corso di Fotografia Centro Iniziative Sociali Roberto Borgheresi

Transcript

1 Corso di Fotografia Centro Iniziative Sociali Roberto Borgheresi

2 2 Il Sensore Digitale

3 3 Fotografia è una parola che deriva dal greco e significa "scrivere con la luce". E' la luce, infatti, che attraverso l'obiettivo della nostra macchina fotografica arriva su un rettangolino più o meno grande che è, appunto, sensibile alla luce (fotosensibile). Questo rettangolino è il sensore, e nelle fotocamere digitali svolge la stessa funzione che, nelle macchine fotografiche tradizionali, svolgeva la pellicola.

4 4 Davanti ad esso, come davanti alla pellicola, c'è una specie di velo che blocca la luce e che si alza quando si preme il pulsante di scatto: questo velo, che in realtà è composto da due superfici di stoffa o metallo disposte parallelamente lungo il piano focale che scorrono verticalmente formando una fessura che lascia passare la luce, si chiama otturatore. nell'intervallo di tempo in cui il sensore o la pellicola sono esposti alla luce, nasce l'immagine che poi vedremo su carta o sul monitor del computer. In estrema sintesi, dunque, il sensore serve a convertire la luce in elettroni.

5 5 Ma com'è fatto un sensore? Per comprenderlo bisogna sapere cos'è un fotodìodo: è un dispositivo sensibile alla luce, che quando intercetta una determinata lunghezza d'onda (quella della luce, appunto), genera una carica elettrica.

6 6 un sensore altro non è che un rettangolino di silicio, pieno zeppo di fotodiodi e dotato dei vari collegamenti necessari, sia interni che verso il resto delle componenti della fotocamera. In pratica la griglia di fotodiodi, solitamente di forma rettangolare, viene innestata su un wafer (cioè una lastra circolare) di silicio, ed al termine di un delicato processo produttivo da ogni wafer si ricava un certo numero di sensori. partendo da una lastra di silicio di una data dimensione, più sono grandi i sensori richiesti minore è il numero che se ne riesce a tirar fuori: questo è uno dei motivi per cui più il sensore è grande, più costa.

7 7 Sul mercato, esistano due tipologie di sensori: CCD (Charge-Coupled Device) o CMOS (Complementary Metal- Oxide-Semiconductor). Il primo sensore ad essere stato creato è quello CCD, più facilmente realizzabile: Willard Boyle e George Smith lo realizzarono nel lontano In questo tipo di sensore la carica elettrica generata sul sensore dai fotoni viene trasferita alla circuiteria tramite pochi nodi di uscita. Quindi è convertita in differenza di potenziale (parliamo di microvolt) ed infine esce dal sensore sotto forma di segnale analogico.

8 8 Sensore CCD (Charge-Coupled Device): applica la conversione del livello di luce in dato digitale all esterno del sensore grazie all implementazione di un chip dedicato. In un sensore CCD la carica registrata da un fotodiodo viene trasportata attraverso tutto il chip da una riga della matrice a quella adiacente. Una volta giunta al bordo del sensore, il tutto viene trasferito in un apposito registro di output dove verrà letto dal convertitore A/D esterno al sensore.

9 9 Ogni pixel cattura un solo colore. I pixel sono monocromatici. In pratica i CCD attuali vengono verniciati pixel per pixel con una vernice trasparente che permette a ogni pixel di catturare la luce solo nella componente di colore di cui è verniciato. Per capire meglio questa tecnica basta pensare all effetto che si ha guardano attraverso un filtro colorato. In pratica vediamo solo quel colore nelle sue diverse intensità.

10 10 Lo schema più usato consiste nel dipingere i pixel adiacenti secondo lo schema GRGB Green (verde), Red (rosso), Green (verde) Blue (blu), (si noti che il verde è il colore a cui l occhio umano percepisce la maggior parte di dettagli). I colori appena citati sono i colori primari, da questi è possibile ottenere qualsiasi altro colore.

11 11 Ci sono essenzialmente due tipi di ccd: interline transfer e full frame. Il primo tipo è quello più diffuso. Non necessita di un otturatore fisico, permette di utilizzare la macchina fotografica per realizzare brevi filmati e permette inoltre l utilizzo del display lcd. Per contro però richiede un elettronica molto ingombrante (dovuta alla presenza di registri a scorrimento) riducendo così la dimensione della parte sensibile del pixel a 1/3 dell area totale. Il secondo non ha i registri a scorrimento ma richiede un otturatore fisico (tempi di otturazione molto bassi saranno quindi difficili da raggiungere) e non permette l utilizzo dello schermo lcd (richiede quindi una struttura reflex o un viewfinder non allineato) in compenso l area sensibile riempie circa il 70% dell area del pixel. Ovviamente non è possibile registrare minifilm con questo tipo di sensore

12 12

13 13 Sensore CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) o APS (Active Pixel Sensor): la conversione del livello di luce in dato digitale avviene direttamente all interno del sensore mediante l amplificatore ed il convertitore A/D di ciascun fotodiodo. questi sensori utilizzano la stessa collaudata tecnologia produttiva dei normali microprocessori (CPU) e dei chip di memoria, risultano quindi più economici da produrre grazie al fatto che non richiedono fabbriche specializzate per essere costruiti. Ciò comporta anche che diventa più facile integrare i circuiti accessori direttamente sul chip del sensore. In un sensore CMOS infatti, accanto ad ogni fotodiodo, sono posizionati minuscoli transistor e circuiti che amplificano e trasformano il segnale. Visto che ogni fotodiodo ha accanto a sè dei circuiti che occupano dello spazio sulla superficie del sensore, esso sarà in generale meno sensibile alla luce di un analogo CCD, in quanto parte dei fotoni colpirà i circuiti di servizio anzichè la parte del fotosito sensibile alla luce.

14 14 Un sensore CMOS, in condizioni di luce scarsa, necessita quindi di maggiori aperture o di tempi di esposizione leggermente più lunghi rispetto a quelli di un sensore CCD. Per cercare di ovviare in parte a questo problema, si interviene principalmente in due modi: Posizionando sopra ad ogni singolo fotodiodo delle micro lenti, che intercettano la luce destinata a cadere sui circuiti di servizio e la convogliano sulle parti fotosensibili cercando di ridurre sempre di più le dimensioni dei circuiti di servizio.

15 15

16 16 Tecnologia del Sensore CCD ( Charge-coupled devices ) Fill factor = 100% - molto sensibili Meno rumore 1 amplificatore per linea Tecnologia + diffusa in assoluto

17 17 Sensore CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Fill factor = 75% - meno sensibili Piu rumorosi 1 amplificatore pixel Facilmente integrabili con il resto dell elettronica

18 18 I sensori CCD, per il loro particolare funzionamento, richiedono molta più energia dei sensori CMOS; tipicamente un sensore CCD consuma 100 volte di più di uno CMOS. I sensori CCD però sono meno soggetti a fenomeni di disturbo (il rumore ) dei sensori CMOS e forniscono immagini di alta qualità. I sensori CMOS sono tuttavia molto più economici da produrre rispetto ai sensori CCD. In termini di qualità, riferita a prodotti di consumo, una tecnologia non prevale sull altra. Solo su sistemi ai massimi livelli il CCD risulta qualitativamente ancora superiore, avendo la possibilità di convertire gli innumerevoli livelli del segnale luminoso tramite un chip dedicato, ottimizzato per questa funzione.

19 19 Per quanto attiene la velocità, vincono decisamente i sensori CMOS: sono più veloci e permettono raffiche di foto più veloci. I sensori CCD hanno il problema di dover trasferire tutti i dati collezionati dai singoli pixel verso il convertitore (da carica elettrica a differenza di potenziale) e poi l amplificatore in modo da essere pronti a catturare una nuova immagine. L amplificatore ed il trasformatore devono lavorare su una grossa mole di dati e questo ne inficia la velocità (l amplificatore ed il trasformatore fanno insomma da collo di bottiglia). Nei sensori CMOS, invece, essendoci un convertitore ed un amplificatore per pixel, questi ultimi sono decisamente più efficienti in termini di velocità e non fanno da collo di bottiglia: ogni riga di fotodiodi può essere letta separatamente e memorizzata in quanto l immagine è già pronta.

20 20 Gli sforzi dei progettisti di CMOS sono stati direzionati a raggiungere una più alta qualità dell'immagine, mentre i realizzatori di CCD hanno lavorato per ridurre il consumo energetico e le dimensioni dei pixel. Il risultato è che mentre fino a pochi anni fa c'era una netta divisione di ambiti fra i sensori CMOS, legati a foto e videocamere consumer e cellulari, e CCD presenti su fotocamere reflex professionali e dorsi digitali, ora non è più così. Mentre i dorsi digitali montano esclusivamente sensori CCD per la maggiore precisione cromatica e qualità dell'immagine a discapito di dimensioni e consumi, il mondo delle reflex digitali professionali e prosumer ha visto un proliferare di fotocamere con sensori CMOS a fianco di quelle che montano CCD.

21 Caratteristiche CCD CMOS 21 Output del fotodiodo Voltaggio (analogico) bit (digitale) Output del chip Output della fotocamera Presenza di rumore Complessità del sensore Gamma dinamica Uniformità Bit (digitale) bit (digitale) Bassa Bassa Ampia Alta bit (digitale) Moderata Alta Moderata Da bassa a moderata Velocità raffica Da moderata ad alta Alta Precisione cromatica Alta Media

22 22 Teoricamente parlando, il ccd è il sensore migliore perché presenta molto meno rumore, ha una resa migliore sui colori, migliore gamma dinamica e minori problemi di surriscaldamento (per tutte queste ragioni i telescopi montano esclusivamente sensori ccd). Poi arriva l'aspetto economico: i cmos costano meno e richiedono hardware meno complesso. Per questa ragione le case (canon per prima in modo intensivo) hanno iniziato a investire sui cmos, che attualmente superano i ccd pur costando meno, anche se come rumore sono messi peggio di un equivalente ccd. In questo modo si costruiscono sensori sempre migliori ma a costi più contenuti per migliorare altri aspetti della macchina.

23 23 Come precisazione sul motivo per cui il ccd è migliore ma richiede hardware più complesso: il ccd ha un'uscita analogica, dunque la qualità del segnale, soprattutto sotto gli aspetti di profondità di colore e gamma dinamica, è molto migliore di un'uscita digitale come quella del cmos. Per semplificare, pensa alla luminosità come se fosse un valore che va da 0 a 1: un'uscita analogica (teoricamente) può assumere qualunque valore tra 0 e 1, e se l'elettronica è di qualità riesce a discriminare per esempio 0, e 0, Un'uscita digitale invece può assumere un numero finito di valori, per esempio 0,01; 0,02; 0,04; 0,08. Tutto quello che è più di 0,04 e meno di 0,08 viene perso e troncato al valore più basso. Capirai anche che un'elettronica in grado di decodificare un ingresso analogico con elevata precisione deve essere molto complesso, mentre gestire un ingresso digitale è più semplice.

24 24 La Grandezza dei Sensori Digitali Fotografici Leggendo i dati tecnici delle fotocamere si leggono frasi come <sensore APS> o <sensore da 1/8''> o <sensore 4/3''>. Per decodificare questi numeri e queste sigle bisogna fare un passo indietro. Storicamente, nell'indicare le misure dei tubi catodici dei televisori ci si riferisce al diametro del tubo in vetro che avvolge il tubo catodico; questi diametri sono tipicamente mezzo pollice, due terzi di pollice, e così via. E per uno dei tanti misteri della tecnologia (o del marketing), nell'indicare le dimensioni dei sensori delle fotocamere (e videocamere) digitali si è continuato ad usare quel tipo di valori.

25 25 FORMATO SENSORI FOTOGRAFICI Denominazione Larghezza Altezza 1/1,8'' 7,2mm 5,3mm 2/3'' 8,8mm 6,6mm 4/3'' 18mm 13,5mm APS-C Circa 23mm Circa 16mm Full Frame 36mm 24mm

26 26

27 L APS, Advanced Photo System 27 APS è una sigla che sta per Advanced Photo System, un sistema fotografico (che richiedeva fotocamere e rullini appositi) lanciato alcuni anni fa che utilizzava una pellicola di dimensioni ridotte rispetto ai classici rullini che tutti conosciamo (il 24x36mm). Tra le caratteristiche dell'aps, che commercialmente non ha mai sfondato, c'era la possibilità di scattare foto in tre formati diversi: Classico (APS-Classic, ovvero APS-C: 23,4x16,7mm), così definito perchè rispettava il rapporto 2:3 della pellicola (cioè il lato lungo è grande una volta e mezza il lato corto) HDTV, ovvero APS-H: ogni fotogramma misurava 30,2x16,7mm, con un rapporto tra i lati di 16:9, adatto quindi ai televisori di nuova generazione Panorama, ovvero APS-P: ogni fotogramma misurava 30,2x9,5mm, quindi presentava un marcato effetto panorama

28 28 I MEGAPIXEL Abbiamo detto che ogni sensore è composto di un certo numero di fotodiodi, disposti come una scacchiera. Ogni fotodiodo è in grado di catturare una certa quantità di luce e per conseguenza genera una carica elettrica, che viene raccolta da dei circuiti pure disposti sul sensore e convogliata verso i componenti della fotocamera preposti all'elaborazione dell'immagine (insieme, purtroppo, al rumore, che è una triste costante di tutte le apparecchiature di questo tipo). Quindi le fotografie digitali sono composte da un certo numero di punti (che non a caso si chiamano anche pixel, che sta per Picture Element), ed ogni punto è generato da un fotodiodo. Per esempio, se da una fotocamera digitale si ottiene una foto grande 2560x1920 pixel, sappiamo che il suo sensore ha in tutto fotodiodi cioè quasi cinque milioni. Insomma, è una fotocamera da cinque megapixel.

29 29 Risoluzione Sensore : i famosi Mega pixels Pixel effettivi nominali Lavorate sempre alla massima I Mpixels non sono tutto

30 30 Si potrebbe pensare che il modo migliore per avere immagini di alta qualità sia riempire il sensore di quanti più fotodiodi possibile: più fotodiodi (più pixel) ci sono, maggiore è la risoluzione dell'immagine finale; ed ecco spiegato il continuo incremento di megapixel nelle fotocamere che via via vengono lanciate sul mercato. Ma basta ragionare un istante per rendersi conto che, se su un sensore poniamo da 1/1,8'' prima c'erano quattro milioni di fotodiodi, ed ora ce ne vanno sette, è evidente che si stanno usando dei fotodiodi più piccoli. E più i fotodiodi sono piccoli, meno sono capaci di catturare la luce, dunque assieme al segnale da loro generato (l'immagine) c'è una maggiore quantità di quello che viene definito "rumore", cioè carica elettrica che sull'immagine finale si manifesta sotto forma di puntini più o meno colorati e di dimensione variabile.

31 31 Per misurare il rumore spesso si preferisce indicarne la quantità rispetto al segnale: è il cosidetto "rapporto segnale/rumore" (in inglese SNR, signalto-noise ratio). Più è alto questo rapporto, minore è il rumore rispetto al segnale. L'aspetto pratico più importante che riguarda il rumore è che esso diventa più visibile man mano che aumenta la sensibilità a cui si scattano fotografie. Ai tempi della pellicola, per scattare foto con poca luce si caricava in macchina una pellicola ISO 400, o ISO 800, e così via. Nel digitale il sensore non si può sostituire, e la sua sensibilità è quella che è. Quello che si può fare è amplificare maggiormente il segnale raccolto dai fotodiodi, e questo comporta anche un aumento del rumore prodotto. Come si amplifica il segnale dei fotodiodi? Lo facciamo impostando, sulla nostra fotocamera digitale, il valore ISO, aumentandolo a ISO 200, 400 o più.

32 32 In generale, più i fotodiodi sono piccoli e più sono soggetti al rumore dipendente dal segnale, per cui le compatte digitali generano immagini più rumorose, mentre le fotocamere con sensori di formato APS-C riescono a fornire immagini più pulite, anche a parità di risoluzione. Sarebbe inesatto dire che questo avviene perché le compatte hanno sensori più piccoli; è più giusto dire che il maggior rumore dipende dai fotodiodi più piccoli. In conclusione, se parliamo di rumore, più che la dimensione del sensore in assoluto conta il suo... affollamento, cioè quanti fotodiodi (e dunque quanti megapixel) ospita: meno ce ne sono, più sono grandi, dunque minore è il rumore legato al segnale. Dunque ci si trova di fronte a due forze contrastanti: l'aumento del numero di pixel (cinque megapixel, sette megapixel, e così via) produce immagini più definite, ma allo stesso tempo peggiora la resa del sensore alle sensibilità medio-alte.

33 33 All'atto pratico, quanto dovrebbe essere grande un fotodiodo? Poiché la luce visibile ha una lunghezza d'onda che va più o meno dai 400 ai 750 nanometri (un nanometro è un milionesimo di millimetro), ovvero da 0,4 a 0,75 micron (un micron, ovvero micrometro, è un milionesimo di metro), perché un fotodiodo la catturi in modo efficiente non può ovviamente essere più piccolo di tali valori. Ad oggi, i fotodiodi delle compatte hanno dimensioni che vanno dai 2 ai 3 micron, mentre quelli dei sensori APS-C oscillano intorno ai 5-6 micron. E' probabile che l'innovazione tecnologica consenta in futuro di realizzare fotodiodi sempre più piccoli e meno "rumorosi", ma questo non annulla il vantaggio che un sensore più grande ha su uno di dimensioni inferiori, visto che entrambi potranno beneficiare dei miglioramenti tecnologici via via disponibili.

34 34 Se parliamo di qualità d'immagine, in generale più un sensore è grande meglio è. Ma naturalmente tutto ha un prezzo: sensori più grandi significa fotocamere più grandi, maggior consumo di energia, obiettivi più grandi (perché l'immagine che devono formare dev'essere grande almeno quanto il sensore), e costi maggiori. Usando sensori più ampi, i fotodiodi possono essere più grandi: questo produce immagini meno "rumorose", come abbiamo visto, e con una gamma dinamica più ampia. Un fotodiodo di ampie dimensioni può immagazzinare, a parità di tempo, più luce rispetto ad uno più piccolo, e dunque produrre un'immagine più ricca di passaggi tonali, perché riesce a raccogliere più informazioni sull'intensità luminosa di un punto immagine. E' un po' come avere due lampade, una con un normale interruttore, che può essere solo "accesa" o "spenta", ed una con un potenziometro, dove tra "acceso" e "spento" c'è la possibilità di impostare una gamma di luminosità intermedie.

35 35 Conclusioni: CCD o CMOS I processi di fabbricazione dei due sensori sono differenti, così come lo è la disposizione dei circuiti su di essi, fermo restando che si tratta sempre di piastrine piene di fotodiodi che raccolgono la luce e la convogliano. Ai fini fotografici la differenza più rilevante è quella relativa proprio alla raccolta di luce. Nei CCD la carica elettrica immagazzinata dai singoli fotodiodi viene trasferita, accumulandosi man mano lungo le file di fotodiodi, fino ai bordi del sensore, dove poi viene amplificata (qui è ancora analogica) ed infine convertita in un segnale digitale (da un apposito ADC, Analog-to-Digital Converter). In pratica la carica elettrica viene letta una riga alla volta, e poi il parziale (di ogni riga) viene riportato alla riga successiva e così via, in sequenza, fino a coprire l'intero sensore. Chi ha studiato un po' di elettronica si rende conto che in un sensore CCD, dunque, viene trasportata della carica elettrica (appunto analogica).

36 36 I sensori fabbricati con un processo di tipo CMOS, invece, lavorano diversamente: ogni fotodiodo dispone di un amplificatore e di un convertitore, quindi la carica elettrica accumulata viene convertita in digitale direttamente nel fotodiodo il cui trasporto richiede molta meno energia :a parità di altre condizioni, un sensore CMOS consuma meno di un sensore CCD. Senza dilungarsi sui dettagli delle due tipologie di sensori, possiamo elencare alcuni punti fermi riguardo i sensori di tipo CMOS: tendono ad essere di più facile fabbricazione e più economici consentono di implementare stesso sul sensore dei componenti che i sensori CCD non ospitano (l'amplificatore, l'adc), e questo porta alla realizzazione di chip più piccoli: ciò spiega perché i sensori di tipo CMOS sono la norma sui cellulari, sulle fotocamere compatte, e così via come detto, a parità di altre condizioni consumano (e scaldano) di meno

37 37 A questo punto verrebbe da chiedersi perché si trovino ancora in giro dei CCD ed anzi perché i sensori destinati ai dorsi medio formato, prodotti di elevata qualità e dalla squisita vocazione professionale (per non parlare dei prezzi) realizzati da nomi come Hasselblad-Imacon e Phase One, siano sempre e solo CCD. La risposta è: qualità d'immagine. I sensori CCD hanno le potenzialità per offrire una maggiore gamma dinamica, meno rumore e maggiore sensibilità. Attualmente tutte le reflex anche quelle professionali del marchio leader di mercato, Canon, sono basate su sensori di tipo CMOS. Non esiste una tecnologia intrinsecamente superiore all'altra, perché il risultato finale dipende da come la tecnologia viene implementata. In generale i sensori CMOS hanno due limiti: il rumore e la sensibilità. Poiché c'è un amplificatore per ogni fotodiodo, basta una minima disuniformità nel funzionamento di uno o più di questi amplificatori per generare pixel irregolari e/o disturbati: di qui la maggiore tendenza al rumore, per minimizzare la quale naturalmente esistono vari sistemi sui quali non ci dilunghiamo

38 38 Inoltre, proprio la maggiore presenza di circuiteria sul sensore genera più rumore rispetto ad un CCD - perché, come si è detto più sopra, un po' di rumore accompagna inevitabilmente ogni componente elettronico. Quanto alla sensibilità, sempre perché i sensori CMOS ospitano più circuiti (rispetto ai CCD), ne deriva che una parte della loro superficie non è destinata alla raccolta di luce (la percentuale di un punto realmente utilizzata per raccogliere luce si chiama "fill factor") ma appunto ad ospitare tali circuiti; a questo si può ovviare adottando delle microlenti, come descritto più sopra, e naturalmente il miglioramento dei processi produttivi consente di fabbricare circuiteria sempre più piccola (e quindi di "sprecare" meno spazio sul sensore).

39 39 Il Range Dinamico è il rapporto tra la più forte e la più debole luce catturabile dal sensore ccd una volta fissati tempo di otturazione, apertura diaframma e sensibilità iso. Il range dinamico è quindi un sinonimo di contrasto massimo tra luce e ombra che viene reso correttamente dal sensore. Anche l occhio umano e la pellicola hanno un range dinamico limitato, il fatto è evidente se si pensa all effetto che si ha guardando una pila che ci viene puntata in faccia o fotografando in controluce. In pratica un range dinamico troppo limitato ci porterà ad avere immagini con parti troppo chiare (sovraesposte), troppo scure (sottoesposte) o addirittura entrambe. In queste aree perdiamo completamente (o quasi) i dettagli e anche i migliori software faticano a recuperarli (e se ci riescono spesso l immagine non è certo gradevole). Il Range Dinamico

40 40 esempio di range dinamico troppo basso

41 41 Il range dinamico non viene dichiarato dai costruttori, ma può essere misurato attraverso alcuni test, la misura è espressa in ev (equivalent value) o in rapporti di contrasto (es. 400:1). Questo valore è presente anche nei monitor e nei televisori a diodi led: più è alto migliore è la qualità dell immagine riprodotta. Questo range varia inoltra al variare della sensibilità iso impostata, avendo il valore massimo per iso bassi (100) e calando rapidamente per valori alti (a iso 800 è in media 4 volte più basso che a iso 100). Nella maggior parte degli apparecchi il range dinamico a iso 100 spazia tra 100 e 400, a secondo del modello.