Sensori e Rumore

Abbiamo visto in diverse occasioni come il rumore può rovinare le nostre immagini, rumore che può essere causato da un’elevata sensibilità ISO, dal surriscaldamento del sensore o dal tentativo di recuperare in post-produzione una fotografia sottoesposta. Vediamo alcuni dettagli tecnici che ci permetteranno di comprendere meglio il meccanismo alla base del rumore e, quindi, ci aiuteranno a gestirlo.

I sensori sono dispositivi elettronici basati su transistor, più comunemente CCD o C-MOS. Sorvolando su queste sigle, che ne indicano le tecnologie costruttive, nello specifico potete considerare un sensore come una griglia, composta di minuscoli foto-siti. Un foto-sito è un piccolo alveo, una cavità, che ospita dei foto-diodi, dei dispositivi che si attivano e conducono corrente, quindi una specifica informazione, quando sono colpiti dai fotoni che compongono la luce.

Ogni volta che esponiamo il sensore, ciascun fotosito è investito da una quantità di luce che genera un numero compreso tra 0 (nessuna luce rilevante, nero puro) a 255 (massima luce possibile, bianco puro). Questo per la luce, ovvero la luminanza. Che dire del colore? Ogni macchina fotografica digitale gestisce un suo spazio colore (non di rado è possibile scegliere tra più di uno): più grande è lo spazio e maggiore è la quantità di  colori che le immagini possono rendere. Il più diffuso è il sRGB, ma esiste anche, per esempio, il più ampio AdobeRGB. Entrambi devono il loro nome all’utilizzo di tre colori fondamentali e delle tre relative crominanze che determinano, con le loro combinazioni lineari, i vari colori dello spazio, Red, Green, Blue (Rosso, Verde e Blu). Per gestire il colore, dunque, davanti al sensore è posto un filtro particolare, detto a schema Bayer, simile a quello riportato di seguito.

Poiché l’occhio umano è maggiormente sensibile al colore verde, il numero di fotositi filtrati per quel colore è doppio, rispetto a quello disponibile per il blu e il rosso, in questo modo, una mini-griglia di quattro fotositi, una filtrata per il rosso, una per il blu e due per il verde, è interpolata, tramite un processo detto demosaicizzazione, per ottenere un singolo pixel colorato.

Maggiore è la dimensione del sensore e maggiore sarà lo spazio disponibile per un singolo foto-sito e più sono grandi i foto-siti e maggiore sarà l’informazione che il sensore può catturare per ogni singolo pixel: questo è il motivo per cui un sensore più grande, a parità di pixel, garantisce una foto con maggiore qualità, migliore gamma dinamica e minor rumore: insomma, un sensore più piccolo avrà più problemi in caso di scarsa illuminazione o alto contrasto.

Nell’immagine precedente, una scarsa illuminazione ha richiesto di aumentare i valori di illuminazione in post-produzione e questo ha comportato una massiccia presenza di quello che si chiama rumore granulare, un disturbo che si deve alla variabilità dei pixel raccolti casualmente durante l’esposizione. Va da sè che foto-siti più grandi raccolgono più fotoni, quindi il software di post-produzione ha maggiore informazione su cui lavorare per ricreare la luce e, conseguentemente, genera meno rumore. Per lo stesso motivo, le zone più luminose dell’immagine risentono meno del rumore granulare: contengono più informazioni di quelle in ombra.

In quanto dispositivi elettronici lineari, possiamo aumentare o diminuire il guadagno di un sensore, ovvero pilotarli per fargli assorbire più o meno informazione: la luce che entra nel foro stenopeico è la stessa, ma il sensore ne cattura di più (o di meno). Questo è ciò che fate, quando aumentate o diminuite la sensibilità ISO.

Tuttavia questa possibilità non è quasi mai la prima scelta per un fotografo e questo per almeno due motivi. Il primo è che la caratteristica di linearità dei circuiti funziona entro certi limiti, dopodiché vanno in distorsione non lineare (fondamentalmente, non amplificano più, ma si limitano a restituire un valore costante). Per avere un’idea di ciò che accade, considerate il clipping.

Quando nella vostra immagine ci sono zone che vanno fuori dalla gamma dinamica, ciò che ottenete è una zona completamente nera o bianca, in entrambi i casi, priva di alcun colore. Continuando ad aumentare l’esposizione su quel punto, in caso di clipping superiore, continuerete ad avere sempre e solo un bianco bruciato, così come continuando a diminuirla sul clipping inferiore non potrete rendere più scuro quel nero assoluto. Comportamento analogo è quello dei circuiti, quando superano il loro limite di linearità.

I sensori dovrebbero essere progettati in modo da evitare questo inconveniente (non il clipping: per quello non c’è rimedio che prescinda da una buona esposizione), ma, sebbene la tecnologia faccia continui progressi, non riuscirete mai a eliminare a priori il secondo inconveniente tipico delle elevate sensibilità: il rumore elettrico.

Aumentando infatti la sensibilità, non aumentiamo la capacità di leggere solo informazione utile (payload), ma anche tutti i segnali parassiti che passano sul nostro sensore, compresi i micro-campi elettromagnetici che ogni singolo transistor inevitabilmente emette quando è attraversato da corrente elettrica. Tale rumore comporta una variazione casuale di pixel nell’immagine, tanto in luminosità (in questo caso si parla di rumore di luminanza, che produce un effetto grana tutto sommato accettabile, anzi, per alcuni gradevole, perché ricorda la grana dei vecchi dipinti), quanto in colorazione (in questo caso si parla di rumore di crominanza, mai bello da vedere, perché comporta una serie di macchioline colorate sullo scatto).

Esiste inoltre un terzo tipo di rumore, che si ottiene quando si utilizzano tempi di esposizione lunghi. Tale rumore è detto rumore termico ed è dovuto al surriscaldamento del sensore, quando è utilizzato a lungo. I circuiti elettrici non vanno molto d’accordo con il calore e, per calcolare il rapporto segnale/rumore, che ne descrive la qualità, si usa infatti un valore detto Temperatura equivalente, che deve essere la più bassa possibile, se si vuole una buona qualità: basti sapere, per avere un’idea, che nelle comunicazioni satellitari spesso si portano i circuiti vicino allo zero assoluto, tramite azoto liquido, per migliorarne l’efficienza.

Moderne macchine fotografiche hanno un meccanismo che previene la presenza del rumore termico, tramite una doppia esposizione. Quando esponete la vostra immagine per un lungo tempo, alla chiusura dell’otturatore, la fotocamera fa una nuova esposizione, stavolta con l’otturatore chiuso. Tale scatto dovrebbe essere completamente nero (dark frame), ma, in caso di rumore termico, ci saranno dei pixel colorati (hot pixel): confrontando questo scatto con il vostro, il sistema riuscirà a ripulire la vostra immagine. L’inconveniente di tale meccanismo è che raddoppia il tempo necessario per scattare le vostre foto e incrementa anche il consumo della batteria.