Componenti fisici e funzionali

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1 Componenti fisici e funzionali In una fotocamera digitale le funzioni vengono assicurate dal processore che coordina le impostazioni dei componenti fisci e ne interpreta i segnali. In figura un esempio di spaccato di una fotocamera che mette in evidenza i componenti fisici, l elenco enumera i componenti funzionali. Lenti Messa a fuoco Diaframma Stabilizzatore Otturatore Sensore Esposimetro Mirino Memoria (i numeri in figura non hanno nessun riferimento diretto all elenco) Processore Flash

2 Ripartizione tipica dei dispositivi fisici in una reflex Obiettivo 1- Lenti 8- Diaframma 9- Filtri Corpo macchina 6- Otturatore 7- Sensore 4- Pentaprisma 5- Oculare 3- Specchio aperto 2- Specchio chiuso

3 Uno scatto con la reflex Nelle 5 slides seguenti vediamo cosa succede quando pigiamo il pulsante di scatto di una fotocamera reflex. Sarà un modo per parlare di tutto il processo di acquisizione di una immagine prima di approfondire i singoli temi.

4 1,4 2 2,8 4 5,

5 1,4 2 2,8 4 5,

6 1,4 2 2,8 4 5,

7 1,4 2 2,8 4 5,

8 1,4 2 2,8 4 5,

9 Dalla camera obscura alla fotocamera digitale

10 Foro Stenopeico Il foro stenopeico è un Foro Stretto praticato su di una parete sottile Più il foro è piccolo più : l mmagine è definita l immagine è buia Tutto ugualmente a fuoco Fori troppo piccoli comportano fenomeni di diffrazione

11 Foro Stenopeico ( Pin Hole)

12 Foro Stenopeico

13 Lente biconvessa La lente biconvessa sfrutta il fenomeno della rifrazione (deviazione dei raggi luminosi quando incontrano materiali diversi) per concentrare in un punto (Fuoco) sull asse ottico tutti i raggi luminosi provenienti da un punto all infinito. La distanza fra il fuoco e la lente è detta lunghezza focale. Osserviamo come lenti più spesse riducano la lunghezza focale.

14 Legge dei punti coniugati 1/f = 1/S1 + 1/S2

15 Dove si forma l immagine Per mettere a fuoco oggetti a diverse distanze (finite) occorre regolare da distanza fra il sensore ed il centro ottico (.. o spostare la fotocamera ) Un raggio luminoso che attraversa il centro ottico subisce deviazioni uguali e di segno contrario in ingresso ed uscita dalla lente, per cui non viene deviato dal suo percorso originale.

16 Dove si forma l immagine

17 Profondità di campo e circolo di confusione Circolo di confusione Naso occhi orecchi La figura illustra come un punto venga proiettato sul sensore a diverse distanze dal piano a fuoco

18 Profondità di campo Esempio di PdC (1/3 avanti-2/3 dierto) Modificare la profondità di campo variando la lunghezza focale Modificare la profondità di campo variando la distanza di messa a fuoco

19 Altri tipi di lenti

20 Aberrazione Cromatica e correzzione (Purple fringing:aberrazione più forte per violetto/ ultravioletto)

21 Aberrazione sferica Correzione con lenti asferiche

22 Vignettatura In fotografia e ottica, la vignettatura indica la riduzione della luminosità dell'immagine alla periferia rispetto al centro. È un difetto causato spesso da ottiche di non buona qualità o dall'uso di paraluce non idonei alla focale dell'obiettivo impiegato.

23 Distorsioni Ottiche Barilotto Puntaspilli L'immagine di un oggetto piano, cioè l'insieme di radiazioni proveniente dai punti che formano un oggetto esteso che sia perpendicolare all'asse ottico,si forma comunque su una superficie curva. La disposizione aberrante sul piano immagine viene quindi definita curvatura di campo

24 Schema Ottico dell Obiettivo Il diaframma è posto in prossimità del Punto nodale posteriore, la lunghezza focale verrà misurata dalla distanza fra tale punto ed il piano focale

25 Punti Nodali e Centro Ottico dell Obiettivo

26 Angolo di campo Sia : d la diagonale del supporto di registrazione (sensore) f la lunghezza focale

27 Angolo di Campo A parità di lunghezza focale diversi angoli di campo con diversi diametri dei sensori

28 Angolo di campo Diametro del sensore ed ingrandimento

29 Angolo di campo Lo stesso sensore a lunghezze focali diverse produce diversi angoli di campo

30 Dimensione sensore ed angolo di camo Viene detto spesso che una certa focale montata su sensore DX equivale ad una focale pari a quella originale moltiplicata di un certo fattore (in formato Nikon DX il fattore costante è pari a circa 1.5,per Canon 1,6). Se i due sensori hanno lo stesso numero di pixel, allora visualizzando entrambe le immagini al 100% di ingrandimento su di un monitor l'effetto sarà quello di avere, da un sensore DX, una immagine più ingrandita, come se fosse stata presa con un obiettivo a lunghezza focale maggiore. Nella Fig 6 il sensore DX viene proiettato ad una distanza sufficiente (linea rossa verticale tratteggiata) a renderlo grande quanto il sensore FX. Questa distanza è la lunghezza focale equivalente.

31 Angolo di Campo Si definisce Normale, un obiettivo che ha come lunghezza focale la lunghezza approssimativa della diagonale del supporto fotosensibile usato. Per le fotocamere con pellicola da 24x36 mm, l obiettivo normale è il 50 mm. Prendendo come punto di riferimento la focale 50 mm (normale), gli obiettivi si differenziano fra grandangolari (focale minore) e teleobiettivi (focale maggiore).

32 Obiettivi Normali Diagonale del sensore e angolo di campo Obiettivi normali per i diversi formati fotografici (Normale diagonale sensore=lunghezza focale) Formato Focale (mm) 4/3 23 APS-C 35 24x x4,5 75 6x6 80 6x x x x25 300

33 Lunghezza Focale e Angolo di Campo

34 Considerzioni La luce trasporta informazioni Più luce Più informazioni/unità di tempo Necessità di confrontare la luminosità di obbiettivi a diversa lunghezza focale Diminuendo l angolo di campo si diminuisce la luce quantità di luce che è possibile raccogliere nell unità di tempo Quello che importa ad un fotografo è sapere quanta luce potrà raccogliere nell unità di tempo con un obbiettivo di una determinata lunghezza focale

35 Diaframma Rapporto focale F= Lunghezza focale/apertura diaframma I valori di F sono stati normalizzati (norme International Standad Office) F: 1-1,4 2-2,8 4 5, Passando da un valore al successivo si dimezza la quantità di luce incidente sul sensore e si dice che si è diaframmato di 1 STOP NOTA (Il fenomeno della diffrazione costituisce un limite fisico all aumento di F)

36 Profondità di campo 1/3 +2/3 Variare la profondità di campo variando l'apertura del diaframma

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39 Profondità di campo e circolo di confusione Circolo di confusione La figura illustra come un punto venga proiettato sul sensore a diverse distanze dal piano a fuoco

40 Circolo di confusione Spiegazione intuitiva del perché aumentando f aumenta la PdC (DoF) e diminuisce la luminosità dell immagine ( Chiudendo il diaframma si rende più piccola la proiezione del punto sul sensore,se il diametro di tale proiezione risulterà inferiore al circolo di confusione l occhio lo percepirà come un punto)

41 Circolo di confusione Il circolo di confusione è il più piccolo cerchio che l'occhio umano riesce a distinguere ad una determinata distanza. Tutti i fasci luminosi proiettati da un sorgente che attraversano una lente, vengono rifratti per ricongiungersi in un punto sull asse ottico chiamato punto focale. Perpendicolare a questo si trova il piano focale, che coincide con il piano pellicola. Su questo piano l'immagine appare nitida perché ricostruita come punti, mentre spostamenti lungo l'asse ottico a destra o sinistra provocano l'espansione del punto in un piccolo cerchio o circolo di confusione. Utilizzando una stampa a contatto di un fotogramma da 8x10 pollici (20x25 centimetri), un normale occhio umano distingue 5 linee per millimetro alla distanza di 25 centimetri. Il circolo di confusione corrisponde al reciproco di 5, quindi 0,2 millimetri. Partendo da quest'ultimo valore si possono derivare i valori anche per le altre pellicole, rapportandoli al fotogramma 8x10. Ad esempio, una pellicola 35 mm (24x36 mm) deve essere ingrandita di 7,56 volte per raggiungere il formato 20x25 centimetri usato come termine di paragone. Quindi il circolo di confusione sarà calcolato come 0,2mm / 7,56 = 0,026 mm. Diminuire o aumentare questo valore rende l'immagine più o meno nitida. Le aziende fotografiche utilizzano questi valori per la progettazione degli obiettivi e scelgono valori diversi del circolo di confusione per produrre obiettivi con diversa qualità.

42 Formato sensore e circolo di confusione Pellicola Dimensioni del sensore CdC Piccolo formato APS-C 22,5 mm x 15,0 mm 0,016 mm 35 mm 36 mm x 24 mm 0,026 mm Medio formato 6x5 56mm x 42 mm 0,043 mm 6x6 56 mm x 56 mm 0,049 mm 6x7 56 mm x 69 mm 0,055 mm 6x9 56 mm x 84 mm 0,062 mm 6x12 56 mm x 112 mm 0,077 mm 6x17 56 mm x 168 mm 0,109 mm Grande formato 4x5 90 mm x 127 mm 0,100 mm 5x7 127 mm x 178 mm 0,135 mm 8x mm x 254 mm 0,200 mm

43 Profondità di campo La distanza iperfocale è il limite anteriore di profondità di campo quando un obiettivo è messo a fuoco all'infinito e chiuso a un determinato valore di diaframma. Effettuando la messa a fuoco sulla distanza iperfocale si ottiene la massima profondità di campo possibile con quella data lunghezza focale e quel dato diaframma, che si estende dalla metà della distanza di messa a fuoco fino all'infinito. H = Distanza iperfocale N= Rapporto focale f= Lunghezza focale c= Diametro circolo di confusione

44 Iperfocale

45 Profondità di campo Sia I la distanza iperfocale, S la distanza del soggetto dalla fotocamera, F la lunghezza focale, DL la distanza dell'estremo lontano del campo nitido DV la distanza dell'estremo vicino:

46 Stabilizzatore Stabilizzatore ottico Lo stabilizzatore ottico funziona tramite un sistema meccanico con giroscopio che muove le lenti assecondando i movimenti involontari della mano in modo da controbilanciare lo spostamento. Questo sistema sofisticato e complesso in genere fa lievitare il prezzo e la qualità dell'apparecchio. Esso può essere all'interno di un sistema ottico di un dispositivo o all'interno di un obiettivo supplementare. Stabilizzatore digitale Lo stabilizzatore digitale funziona tramite una elaborazione dell'immagine da parte di un processore e di un apposito software preinstallati sul dispositivo. Questo sistema è meno costoso da realizzare in quanto non necessita di una parte meccanica ma è per sua natura meno efficace e preciso dello stabilizzatore ottico.

47 Otturatore La forma dell otturatore può essere a lamelle ( talora coincide con lo stesso dispositivo che costituisce il diaframma) o a tendine ( Reflex) Per garantire una illuminazione uniforme al sensore, prima apre la tendina A, poi,a fine corsa, comincia a chiudera la tendina B. Per scatti con tempi molto brevi le due tendine formano una finestrella scorrendo simultaneamente. Ad un raddoppio dei tempi di apertura dell otturatore corrisponde un raddoppio di quantità di luce raccolta dal sensore, ( 1 STOP). La scala Normalizzata dei tempi è la seguente: /2 1/4 1/8 1/15 1/30 1/60 1/125 1/250 1/500 1/1000 1/2000 1/4000

48 SENSORE Dal punto di vista costruttivo distinguiamo i seguenti componenti Photosite Photodetector Photo Filter Array (Mosaico) Convertitore Analogico/Digitale ( Converte il segnale analogico dei fotorecettori in un segnale digitale )

49 Sensore Dal punto di vista funzionale parliamo di: Pixel Mega Pixel

50 Sensore Dal sensore escono dei segnali digitali associati ai singoli fotosensori, per passare al PIXEL occorre una operazione software che li combini opportunamente Si possono ottenere più Pixel di quanti siano i fotoricettori tramite l interpolazione e l interpolazione cromatica Uno scatto viene tradotto in un insieme di PIXEL o FILE DIGITALE da cui sarà possibile riprodurre l immagine

51 Sensore Qualità del Sensore Segnale /Rumore (Amplificazione segnale luminoso) Gamma dinamica (Quanti stop fra il nero e la saturazione) Dimensione sensore/qualità (Fotosite di maggiori dimensione) Interpolazione Interpolazione cromatica Velocità di cattura immagine

52 Gamma Dinamica Per gamma dinamica di un sensore si intende il rapporto tra il segnale più grande e quello più piccolo che può registrare. Il valore massimo è direttamente proporzionale alle capacità del pixel, mentre quello più basso, essendo generato nella situazione di assenza di esposizione, può essere considerato il livello del rumore. La Gamma dinamica si misura in F-STOP. Ad esempio una gamma dinamica di 14 f-stop significa un contrasto di 16384:1, dove e 1 rappresentano il numero massimo e minimo di fotoni che possono essere raccolti dai pixel. L'occhio umano può vedere su una gamma di quasi 24 f-stop, motivo per cui si adatta così facilmente alla situazione ambientale e per cui è difficile fare foto piacevoli. Il massimo che ci si può aspettare da una fotocamera è una gamma dinamica che va dai 5 ai 9 f-stop.

53 Gamma Tonale Gamma tonale La gamma tonale corrisponde al numero di toni usati per descrivere la gamma dinamica, dove per tono si intende il livello di saturazione di un colore o della scala di grigi.

54 SENSORE Un segnale luminoso debole genera una corrente di uscita dai photosite debole, per raccogliere le informazioni necessarie l esposizione deve essere lunga. Tramite l amplificazione del segnale elettrico generato nel photosite si può rendere più veloce il tempo di posa.. Sensibilità o Velocità ISO Passando da 100 ISO a 200 ISO si raddoppia l effetto della quantità di luce che raccoglie il sensore.

55 Sensore Una amplificazione di segnale comporta sempre la generazione di Rumore, che nel nostro caso si manifesta come una grana nell immagine che si ottiene. Il rumore aumenta con l amplificazione del segnale. Anche nelle esposizioni lunghe, oltre i 2 secondi si notano dei puntini chiari sui contorni del soggetto ( Hot pixel noise) che esprimono il rumore di fondo del sensore La temperatura influenza il rumore, questo aumenta con la temperatura La compressione del file aumenta il rumore, meglio utilizzare formati non compressi per elaborazioni successive.

56 Sensore I photodetector lavorano in modo ottimale in un range di segnale luminoso predefinito. Se il segnale luminoso è troppo basso non rispondono e le foto diventano nere ( Shadow Clipping). Da un certo valore di segnale luminoso in poi la risposta diventa uniforme (saturazione) con conseguenti foto bruciate ( Highlights Clipping). Le aree nere e quelle bruciate sono prive di informazioni e non possono essere recuperate con il fotoritocco.

57 Qualità e utilizzo delle immagini La qualità dell'immagine tuttavia è importante relativamente alla modalità di fruizione: se le immagini si utilizzano a video non ha molta rilevanza la risoluzione Una foto in formato standard da 14 cm di larghezza necessita di megapixel di risoluzione per risultare pari ad un prodotto di una macchina fotografica tradizionale; Per stampare su di un foglio A4 sono necessari dai 2 ai 3 megapixel; Per realizzare un poster da cm sono consigliabili risoluzioni non interpolate di più di 5 megapixel;

58 Risoluzioni e Megapixel In tabella alcune delle risoluzioni più diffuse, con alcune delle fotocamere che li utilizzano: L(px) H(px) Dimensioni MegaPX Fotocamere di esempio ,08 Prototipo di fotocamera digitale di Steven Sasson (1975) ,28 Sony Mavica su floppy disk (1981) ,3 Apple QuickTake 100 (1994) ,5 Canon Powershot 600 (1996) ,8 Olympus D- 300L (1996) ,3 Fujifilm DS- 300 (1997) : (1999) / Leica Digilux Zoom (2000) 1,3 Fujifilm MX- 700 / Leica Digilux (1998), Fujifilm MX Nikon Coolpix ,74 Nikon D Canon PowerShot A75, Nikon Coolpix 995 Epson 3100z Olympus Stylus ,1 Canon 1D ,7 Sigma SD14, Sigma DP1 ( photosite, 14 Mega photodetector, 3 photodetector per photosite, ogni photosite fornisce i 3 dati RGB che costituiscono un pixel; sensore Foveon X3) Olympus E- 1, Sony Cyber- shotdsc- F707, Canon PowerShot A Olympus Stylus 600 Digital Nikon D40, D50, D70, D70s, Pentax K100D ,3 Canon 300D, Canon 10D Olympus FE Canon 350D Olympus E- 500, Olympus SP- 350, Canon PowerShot A720 IS ,2 Canon 30D, Canon 1D II, Canon 1D II N ,25 Canon 20D

59 Risoluzioni e Megapixel L(px) H(px) Dimensioni MegaPX Fotocamere di esempio Olympus E- 410, Olympus E- 510, Panasonic FZ Pentax K200D, Sony Alpha A Nikon D40x, Nikon D60, Nikon D200, Nikon D80, Pentax K10D, ,077,696 10,1 Canon 400D, Canon 40D Canon 1Ds IXUS 960 IS Canon Powershot G9, Fujifilm FinePix F100fd, Canon Digital ,1 Nikon D3, Nikon D ,2 Canon 450D ,2 Nikon D2Xs/D2X, Nikon D300, Nikon D ,7 Canon 5D ,5 Pentax K20D ,6 Canon 1Ds II, Nikon D Canon EOS 7D, Canon EOS 550D, Canon EOS 60D Canon 1Ds III, Canon 5D Mark II ,4 Sony Alpha 900, Nikon D3X ,2 Nikon D800, Nikon D800E Hasselblad H3D ,1 Hasselblad H3D ,5 Phase One P65+ Hasselblad H4D- 60

60 Esposizione L esposizione dell immagine, cioè la quantità di luce raccolta durante uno scatto dipende da 3 fattori: Sensibilità sensore Chiusura del diaframma Tempo di apertura Sia A l apertura del diaframma e T il tempo diposa in secondi, il valore di esposizine Ev sarà Si noti come EV=0 per A=1 e T=1sec e come vari di una unità per ogni variazione di 1 stop del tempo o di F ( Nella formula A=F=Rapporto Focale)

61 Esposizione Due immagini ottenute con lo stesso Ev ma con diversa coppia Tempo/Diaframma.F Per ottenere lo stesso Ev di una coppia FT posso aumentare di n stop F e diminuire di n stop T ( o viceversa) a parità di Sensibilità ISO.

62 Esposimetro L'esposimetro è lo strumento utilizzato per quantificare la luce presente in una scena. Fornisce un valore di esposizione con il quale si può risalire alla coppia tempo / diaframma migliore. La lettura è mostrata attraverso un ago galvanometrico oppure un LCD nel caso di un esposimetro digitale. Nella lettura spot l'esposimetro limita la lettura ad un'area ben precisa e ristretta, permettendo la selezione della zona dove effettuare la misurazione. È un sistema molto preciso e richiede esperienza per ottenere buoni risultati. È disponibile con alcune fotocamere e anche con alcuni esposimetri esterni. La lettura media utilizza tutto il campo inquadrato e può produrre grossolani errori a causa di fonti di luce o zone d'ombra all'interno della scena. La lettura media a prevalenza centrale o semispot è un aggiornamento della lettura media e utilizza due sensori che leggono la scena in modo diverso. Il primo utilizza la zona centrale e la seconda il resto, il processore si occupa poi di unire i risultati privilegiando la zona centrale. Il metodo multizona o matrix utilizza diversi sensori mediando i risultati con algoritmi di calcolo, in alcuni casi i risultati ottenuti sono confrontati con una serie di scene già memorizzate all'interno della fotocamera, per scegliere il tempo e diaframma migliore.

63 Temperatura di colore Si definisce temperatura di colore di una data radiazione luminosa la temperatura che dovrebbe avere un corpo nero affinché la radiazione luminosa emessa da quest'ultimo appaia cromaticamente la più vicina possibile alla radiazione considerata. T = Temperatura in gradi Kelvin Lambda= Lunghezza d onda in metri b=costante dello spostamento di Wien

64 Bilanciamento del bianco Il modo di interpretare i colori proprio delle fotocamere digitali è differente da quello dell'occhio umano. Cambia la sensibilità e quindi l'interpretazione. Il bianco in presenza di una luce con una dominante cromatica viene letta dal sensore come colorato, occorre pertanto rimodulare le luci in modo da ripristinare il colore percepito dall occhio umano: tale processo viene definito Bilanciamento del bianco. Bilanciato il bianco anche gli altri colori vengono riportati automaticamente al valore percepito.

65 Temperatura di colore

66 Memoria Una volta convertito il segnale in arrivo dal sensore (CCD o C- MOS) ed elaborato dal processore d immagine, la fotocamera registra un file contenente l'immagine scattata su una memoria gestibile dall'utente. Alcune fotocamere economiche dispongono di una memoria interna di salvataggio immagini, alla quale normalmente è sempre possibile aggiungerne una esterna. Dal punto di vista tecnologico va detto che il tipo di memorie prevalentemente usato è di tipo EEPROM Flash (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory - flash). La tecnologia "flash" consente di accedere alle celle di memoria per blocchi, o aree, rendendo più rapido il processo di lettura-scritturacancellazione). Tutte le schede di memoria sono costruite con la tecnologia EEPROM-flash ma i formati con cui vengono prodotte le schede di memoria possono essere diversi

67 Memoria I formati di scheda di memoria realizzati con celle a semiconduttore utilizzati dalle case costruttrici di fotocamere digitali, sono principalmente: Compactflash Compactflash Extreme III Compactflash Ultra Compactflash Ultra II Compactflash Ultra Speed Memory Stick MultiMedia (MMC) SD (secure digital) mini-sd TransFlash (o micro-sd) SmartMedia SD-xD tipo M xd tipod- xd tipo H Vi sono poi schede di memoria come la seguente: Microdrive le quali non sono riconducibili a celle a semiconduttore, bensì a supporti magnetici dello stesso tipo degli hard disk dei PC, ma che per contro adottano lo stesso formato delle memorie a semiconduttore. Nel caso delle Microdrive il formato è quello delle C.F.

68 I formati di salvataggio delle immagini JPEG: il più usato nelle fotocamere economiche. Permette di salvare grandi immagini in file di piccole dimensioni, pur perdendo dettagli all'occhio impercettibili ma che rischiano di diventare evidenti in caso sia necessario effettuare successive manipolazioni di fotoritocco all'immagine salvata. Si tratta di un formato compresso di tipo LOSSY, ovvero con perdita di dati. TIFF: formato in grado di salvare immagini senza perdita di informazioni. Il salvataggio può essere non compresso o compresso di tipo LOSSLESS. Si può osservare come questo formato, se si sfrutta la compressione, produca immagini identiche alle BMP ma della dimensione di una BMP compressa con ZIP. BMP: formato di salvataggio poco utilizzato, per via del fatto che il file è di dimensioni piuttosto elevate. Le immagini possono essere salvate con una profondità di colore di 16, 24 e 32 bit senza nessun tipo di compressione. RAW: formato utilizzato dai professionisti e dai fotoamatori evoluti. Una fotocamera settata per salvare il formato RAW di una istantanea salverà nella memoria utente esattamente l'output digitalizzato ottenuto dal sensore della fotocamera stessa, senza alcun tipo di modifica se non la conversione Analogico/Digitale (conversione A/D). I dati dovranno essere quindi ricomposti su un computer secondo specifici protocolli della casa madre definiti per lo specifico sensore utilizzato. Solo successivamente le immagini così ricomposte ed eventualmente regolate in luminosità ed altro, saranno convertibili ed utilizzabili in qualsiasi formato conosciuto.

69 RAW Per convertire un formato RAW in un formato JPEG o altro si dovranno effettuare una serie di operazioni quali : Demosaicing Bilanciamento del bianco Definizione della profondità cromatica Applicazione della Curva Tonale (Curva che corregge la risposta lineare del sensore alla esposizione luminosa in modo da renderla più simile a quella umana che è più sensibile alle basse illuminazioni)

70 Curva Tonale

71 Curva Tonale

72 Esercitazioni Calcolare le distanze iperfocali per la propria attrezzatura fotografica e verificarla Verificare l angolo di campo dei propri obiettivi Giocare con la messa a fuoco avvicinandosi/allontanandosi dal soggetto Leggere L occhio del fotografo Leggere Elementi di fotografia digitale Esercitarsi con i livelli di luminosità di GIMP 2