Rumore: cinque Nikon a confronto

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1 Test Rumore: cinque Nikon a confronto Il Centro Studi Progresso Fotografico ha messo a punto nuovi avanzati test che permettono un esame approfondito del rumore prodotto dalle fotocamere e di confrontare i valori misurati. In prova le Nikon Ds, Ds, D, D e D. Affrontiamo in questo articolo uno dei problemi fondamentali nellʼevoluzione tecnologica della fotografia: il rumore. Se ai tempi della pellicola si parlava unicamente di grana, con lʼavvento dei sensori digitali bisogna fare i conti con molteplici forme di rumore, che contribuiscono a vari livelli al deterioramento dellʼimmagine. Possono dipendere dalle fluttuazioni nel flusso dei fotoni che raggiungono il sensore, nella loro conversione in corrente elettrica e quindi in valori digitali; anche lʼaumento della temperatura può aumentare il rumore, anche se è una problematica che riguarda le riprese astronomiche. Nel box a parte approfondiamo tutti questi aspetti. Come misurare il rumore Misurare il rumore non è di per sé un compito difficile. Lo possiamo fare anche in Photoshop aprendo unʼimmagine scattata ad un soggetto di colore grigio uniforme, controllando in modalità istogramma la larghezza della curva a campana che appare (cioè la deviazione standard). Sarà ben evidente lʼaumento del rumore (ovvero della larghezza della campana) allʼaumentare della sensibilità impostata. Da qui ad ottenere dei valori numerici necessari per confrontare tra loro diverse fotocamere il passo è però piuttosto lungo. Le difficoltà La prima difficoltà consiste nella standardizzazione delle metodologie di ripresa, con lʼutilizzo di una sorgente luminosa estremamente controllata

2 RUMORE E SENSIBILITA - Ds,,,,,,,,,,, RUMORE ED ESPOSIZIONE - Ds LATITUDINE DI POSA IN E - Ds Nikon Ds Data: ottobre Dimensioni sensore:,x mm Risoluzione:, Mpixel Immagine Raw: x pixel Dimensione pixel:, micron Conversione A/D: bit nellʼintensità e nella temperatura colore. Le norme ci danno importanti suggerimenti per questo, ma appaiono carenti se lʼobiettivo non è quello di controllare la ripetitività nel funzionamento di un esemplare (operazione importantissima per il controllo di qualità durante la produzione) ma quello di confrontare tra loro fotocamere molto diverse. Le interferenze software Le difficoltà derivano principalmente dalle innumerevoli possibilità di manipolazione dei segnali prodotti dal sensore attraverso strumenti software, sia da parte della fotocamera stessa nella conversione Jpeg, che da parte dei software di conversione, qualora utilizziamo delle immagini Raw. Se per esempio vogliamo confrontare due fotocamere e solo una di esse utilizza un filtro di riduzione del rumore, avremo dei risultati assolutamente inutilizzabili per un confronto. Tra gli elementi che vanno tenuti in considerazione possiamo citare la sensibilità (quasi mai esattamente corrispondente ai valori dichiarati), il contrasto, lo sharpening, il bilanciamento del bianco ed il metodo di interpolazione per la demosaicizzazione. I file Raw Lʼunico mezzo per andare a guardare direttamente le prestazioni di una fotocamera, al netto di ogni elaborazione, è lʼutilizzo dei file Raw, che registrano solo i dati prodotti dal sensore. Non è però possibile fare questo utilizzando i programmi forniti dal produttore della fotocamera, a meno di non limitare il confronto a modelli di una sola marca. Proprio per questo motivo utilizziamo un software speciale che ci consente di ottenere unʼimmagine non demosaicizzata, in cui possiamo leggere la risposta di ogni singolo elemento sensibile prima dellʼinterpolazione. A questa immagine possiamo quindi applicare unʼelaborazione identica per tutte le fotocamere. Una luce controllata Per mettere alla pari tutti i dispositivi da misurare abbiamo deciso di fornire delle quantità di luce fisse, e per la precisione le quantità di luce necessarie a produrre il grigio % alle sensibilità nominali. Per controllare con precisione la quantità di luce che giunge sul sensore, elemento questo fondamentale per la misura del rumore, lʼesposizione avviene senza obiettivo, tramite una sorgente estremamente controllata in intensità e temperatura colore, a K, con uno spettro il più possibile continuo. La prova del rumore e i grafici Per valutare il rumore parliamo di rapporto segnale / rumore : tanto più è elevato questo rapporto, tanto minore sarà il rumore nelle nostre immagini. Ma è possibile misurare il comportamento di una singola fotocamera e disporre di valori confrontabili con quelli di altre fotocamere? Eʼ proprio quanto siamo riusciti ad ottenere con i nuovi test ed i risultati sono riassunti in tre grafici. Rumore e sensibilità Eʼ noto che aumentando la sensibilità aumenta anche il rumore:

3 RUMORE E SENSIBILITA - D,,,,,,, RUMORE ED ESPOSIZIONE - D LATITUDINE DI POSA IN E - D Nikon D Data: agosto Dimensioni sensore:,x, mm Risoluzione:, Mpixel Immagine: x pixel Dimensione pixel:, micron Conversione A/D: bit il grafico ci dice di quanto. Le colonne dellʼistogramma corrispondono al rapporto segnale / rumore per cui quanto più alta è la colonna tanto migliore è la qualità dʼimmagine (ovvero rumore contenuto). Rumore ed esposizione Eʼ altrettanto noto che quando si fotografa in luce scarsa il rumore tende ad aumentare; nellʼimmagine predominano infatti le zone scure e lì è facile rilevare la classica granulosità. Anche in questo caso abbiamo misurato come varia il rumore a mano a mano che la sotto-esposizione aumenta. Le singole curve corrispondono alle differenti sensibilità ed è evidente come impostando il massimo valore si riesca a contenere la sotto-esposizione. Ma qui entra in gioco il rumore prodotto dallʼamplificazione del segnale per cui la curva relativa è giustamente sotto alle altre curve. Anche in questo caso il rumore è tanto più basso quanto più alti sono i valori delle curve. La latitudine di posa Questo grafico, di grande utilità, ci mostra la gamma dinamica disponibile ad ogni sensibilità, o in linguaggio più fotografico, la latitudine di posa. Va precisato che mentre lʼestensione della gamma dinamica sulle alte luci è definita con precisione dal raggiungimento della saturazione (ovvero quando il sensore raggiunge il suo segnale massimo), nelle ombre dobbiamo stabilire arbitrariamente un valore a seconda del livello di rumore che riteniamo accettabile. Noi abbiamo scelto un livello di segnale/rumore uguale a (corrispondente a db se il rumore è espresso in decibel), al quale le immagini risultano ancora di buona qualità. Se si ritiene tollerabile un livello di rumore superiore ovviamente la gamma dinamica si ampia. Rumore, risoluzione e dimensioni del pixel La precisione di queste nuove misurazioni ci ha consentito di verificare sperimentalmente alcuni principi molto importanti. Eʼ opinione diffusa che, a parità di dimensioni, sensori dotati di alta risoluzione siano più rumorosi di quelli con un minor numero di pixel. Eʼ vero che il pixel piccolo riceve meno luce e quindi risulta effettivamente più rumoroso ma se andiamo a sommare il segnale prodotto da un gruppo di pixel, e facciamo lo stesso per il loro rumore, ci accorgeremo che otteniamo un rapporto segnale/ rumore esattamente identico a quello di un grande pixel di area corrispondente a quella dei pixel più piccoli. Eʼ esattamente quello che abbiamo fatto per confrontare macchine di risoluzione differente. Per sommare i pixel abbiamo eseguito un ricampionamento dellʼimmagine ad una risoluzione più bassa e nel caso delle Nikon in prova le abbiamo portate tutte a Megapixel (x). I dati dei grafici mostrano che se mettiamo i due sensori in grado di produrre la stessa immagine alla stessa risoluzione le diverse dimensioni dei pixel non comportano la minima differenza nel rumore. Grande è bello Questo non vuol dire che i pixel grandi non siano desiderabili, anzi sono il modo più sicuro per avere un basso rumore, perché in questo modo si catturano più fotoni; bisogna però ragionare non a livello di singolo pixel, ma di area di tutto il sensore.

4 RUMORE E SENSIBILITA - Ds RUMORE ED ESPOSIZIONE - Ds -,,,,,,, LATITUDINE DI POSA IN E - Ds Nikon Ds Data: giugno Dimensioni sensore:,x, mm Risoluzione;, Mpixel Immagine: x pixel Dimensione pixel:, micron Conversione A/D: bit Il rumore Shot (Photon Shot Noise) Il rumore Shot dipende dalla natura stessa della luce, ovvero dalle fluttuazioni che si hanno nel flusso di fotoni. Queste fluttuazioni seguono una distribuzione gaussiana (curva a campana) con una dispersione uguale alla radice quadrata del numero dei fotoni. Se ad esempio i fotoni che giungono al sensore producono allʼuscita di un convertitore analogico/digitale a bit un segnale medio di ADU (Unità Analogico Digitali), non tutti i pixel avranno questo valore, ma la maggior parte di essi avrà valori compresi tra e, con un rumore quindi di. Allʼaumentare dellʼintensità della luce cresceranno sia il numero di fotoni che il rumore, ma questʼultimo crescerà molto più lentamente, quindi il rapporto segnale/rumore aumenterà, ovvero lʼimmagine ci apparirà via via più pulita. Eʼ importante sottolineare che il rumore Shot è sicuramente la fonte di rumore principale, nel normale utilizzo della fotocamera. Il rumore di lettura (Read Noise) I fotoni stimolano negli elementi sensibili del sensore lʼemissione di elettroni, uno per ogni fotone. Gli elettroni accumulati vengono poi convertiti in una tensione elettrica, amplificata in base allʼimpostazione della fotocamera, e quindi convertita in un valore digitale attraverso un convertitore A/D analogico / digitale. Ognuno di questi passaggi è soggetto a fluttuazioni nel segnale elettrico, ovvero a rumore. Esso dipende dalla qualità dei componenti della fotocamera e dalla velocità con cui il processo viene eseguito. Non si tratta di un rumore ugualmente distribuito nelle frequenze spaziali (o come si dice in gergo elettronico, non è un rumore bianco) ma in genere sono presenti bande (Binding Noise) o sequenze ripetitive (Pattern Noise) che risultano particolarmente riconoscibili dallʼocchio, e quindi più fastidiose di un rumore con distribuzione casuale (gaussiana). Il Pattern Noise è più frequente sui modelli meno recenti. Il Patter Noise può avere una componente che si ripete su tutte le immagini, il Fixed Pattern Noise, che può essere eliminato eseguendo la media di un certo numero di scatti identici. Il Read Noise è pressoché costante al variare dellʼesposizione e diventa rilevante solo a livelli di illuminazione molto bassi. Il rumore termico Non sono solo i fotoni a liberare elettroni allʼinterno degli elementi sensibili, ma anche il movimento delle molecole legato alla temperatura. Il numero di elettroni liberato aumenta con la temperatura ed è pressoché costante nel tempo. Questo significa che il suo contributo è irrilevante nelle pose brevi, mentre diventa più evidente in pose superiori a / s o s. I componenti che generano calore allʼinterno della fotocamera, ad esempio gli amplificatori del segnale, possono influire sul rumore termico del sensore, talvolta in modo poco piacevole, con una distribuzione irregolare sulla superficie del fotogramma. Al di fuori di applicazioni astronomiche tuttavia il rumore termico può essere trascurato. La risposta non uniforme dei pixel (PRNU, Pixel Response Non-Uniformity) Non tutti i pixel hanno la stessa efficienza nel catturare e contare i fotoni, cosicché abbiamo delle variazioni di segnale da un pixel allʼaltro, tanto maggiori quanto maggiore è il flusso di fotoni. Questo rumore varia perciò linearmente con lʼintensità della luce, e diventa rilevante nelle alte luci, dove lo Shot Noise aumenta più lentamente (cresce infatti secondo la radice quadrata del numero dei fotoni). Il rumore di quantizzazione Anche la conversione A/D introduce del rumore, in quanto il segnale analogico viene arrotondato al valore numerico più vicino; maggiore è il numero di gradini a disposizione nella conversione, tanto è minore il rumore di quantizzazione. Se abbiamo un convertitore a bit, come è ormai prassi anche sulle fotocamere più economiche, il rumore di quantizzazione risulta nettamente inferiore alle altre forme di rumore presenti. PER CAPIRE MEGLIO

5 Nikon D Data: aprile Dimensioni sensore:,x, mm Risoluzione;, Mpixel Immagine: x pixel Dimensione pixel:, micron Conversione A/D: bit Nikon D Data: aprile Dimensioni sensore:,x, mm Risoluzione;, Mpixel Immagine: x pixel Dimensione pixel:, micron Conversione A/D: bit RUMORE E SENSIBILITA - D,,,,, RUMORE ED ESPOSIZIONE - D ,, RUMORE E SENSIBILITA - D,,, RUMORE ED ESPOSIZIONE - D , LATITUDINE DI POSA IN E - D LATITUDINE DI POSA IN E - D

6 Quindi per avere un basso livello di rumore conviene avere sensori grandi, ovvero Full Frame. Il rumore in casa Nikon Questo mese presentiamo i risultati delle nuove misurazioni eseguite su cinque fotocamere Nikon. Non potevamo ovviamente non prendere in considerazione il gioiello della casa giapponese, la Ds, uscita nellʼottobre e caratterizzata da un sensore Full Frame con una sensibilità massima elevatissima:.. Altrettanto obbligata la scelta per la Ds, uscita nel giugno, dotata della stessa risoluzione della Ds, ma con un sensore più piccolo, in formato DX. A queste professionali abbiamo accostato lʼinteressante reflex amatoriale D (dellʼaprile ), dotata di un sensore simile per dimensioni e risoluzione a quello della Ds, ed infine due modelli più datati, la D dellʼagosto e la D addirittura dellʼaprile. I risultati a confronto Come abbiamo spiegato, per confrontare in modo corretto fotocamere dotate di risoluzione diversa (la D è da Mpixel, mentre tutte le altre sono da Mpixel) dobbiamo fare un ricampionamento dellʼimmagine, in altre parole applicare un filtro che produca una risoluzione inferiore. Si nota in questo modo che il rapporto segnale/rumore delle fotocamere da Mpixel appare più elevato. Per confrontare le prestazioni delle cinque Nikon abbiamo scelto le sensibilità di e, disponibili su tutte le fotocamere: la prima è generalmente la sensibilità base del sensore, mentre la seconda è sì spinta, ma grazie allʼevoluzione tecnologica degli ultimi anni è una sensibilità ancora ampiamente utilizzabile. In entrambi i casi appare evidente come le maggiori dimensioni del sensore della Ds risultino determinanti ai fini di un basso livello di rumore. Più luce viene catturata dal sensore, più basso è il rumore, quindi la Ds si stacca nettamente da tutte le altre reflex. Un discorso particolare merita la D che, pur disponendo di elementi sensibili molto grandi, non riesce a competere con le fotocamere più moderne. Il motivo principale è sicuramente nella scarsa efficienza con cui i fotoni che arrivano al sensore vengono convogliati sugli Il prossimo mese reflex Canon. RUMORE A, con ricampionamento a x,,,, Nikon Nikon Nikon Nikon Nikon Ds Ds D D D con ricampionamento a x,,,, Nikon Nikon Nikon Nikon Nikon Ds Ds D D D Per confrontare queste fotocamere che hanno una risoluzione diversa (la D è da Mpixel, mentre le altre sono tutte da Mpixel) abbiamo fatto un ricampionamento delle immagini portandole tutte a Mpixel. Si può notare come in questo modo il rapporto segnale/rumore delle fotocamere da Mpixel sia più elevato rispetto ai grafici pubblicati nelle schede precedenti; il motivo è che riducendo la risoluzione il pixel diventa più grande. Come sensibilità abbiamo scelto e : la prima è generalmente la sensibilità base del sensore, mentre la seconda è sì spinta, ma è una sensibilità oggi ancora ampiamente utilizzabile. Osservando i risultati si può notare come la Ds si stacchi nettamente da tutte le altre reflex, grazie alle maggiori dimensioni del suo sensore. Le differenze tra le altre reflex dotate di sensore Aps dipende dallʼefficienza con cui le fotocamere gestiscono i fotoni che arrivano al sensore. RUMORE A elementi sensibili, a causa dellʼassenza di microlenti gapless. In conclusione Le nostre nuove tecniche di misurazione ci permettono di quantificare i noti concetti relativi al rumore, ad esempio che per avere bassi livelli di rumore conviene utilizzare sensori di grandi dimensioni, possibilmente Full Frame. Infatti più fotoni vengono catturati, più elevato è il rapporto segnale/rumore. IL CONFRONTO Per lo stesso motivo sensori dotati di microlenti gapless, che riescono per questo a convogliare più fotoni sugli elementi sensibili, riescono ad avere un più elevato rapporto segnale/rumore. Inoltre, a parità di rumore di lettura, di dimensione del sensore e di efficienza nella trasformazione dei fotoni, due sensori dotati di risoluzione diversa hanno un comportamento identico per quanto riguarda il rumore a patto che le immagini vengano ricampionate alla stessa