La gamma dinamica nella fotografia digitale

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La gamma dinamica nella fotografia descrive il rapporto tra la massima e la minima intensità luminosa misurabili nell’immagine (rispettivamente bianco e nero. Nella realtà non si osserverà mai il vero bianco ed il vero nero ma soltanto differenti gradi di intensità della fonte di luce e delle riflessioni dal soggetto che stiamo osservando. Proprio per questo, il concetto di gamma dinamica diventa più complicato e dipende da ciò che si sta prendendo in considerazione ovvero un dispositivo di acquisizione (ad esempio una fotocamera o scanner), un dispositivo di visualizzazione (ad esempio una stampa o il display del computer) oppure il soggetto stesso.

Ogni differente dispositivo, anche nella stessa categoria, ha una propria (e differente) gamma dinamica. Nelle stampe per esempio il bianco più bianco è quello della carta su cui è stampata…che di certo bianco non è.

La gamma dinamica e la luce

L’intensità della luce può essere distinta in luce incidente e luce riflessa ed entrambe contribuiscono alla gamma dinamica di una scena. Scene con elevata variazione di riflettività, come quelle contenenti oggetti neri oltre che riflessioni forti, potranno in realtà avere una gamma dinamica più estesa di scene con grande variazione di luce incidente. La scena inquadrata, in entrambi i casi può facilmente superare la gamma dinamica della fotocamera in uso, in particolare se l’esposizione non è corretta. Quando la gamma dinamica della scena supera di gran lunga quella a disposizione della fotocamera rischiamo di rovinare la fotografia finale.

Ciò significa che un’accurata misurazione dell’intensità della luce (o luminanza) è fondamentale nella valutazione della gamma dinamica. La luminanza (o l’intensità della luce) è misurata in candele per metro quadro (cd/m2)  e nel disegno di seguito potete leggere i valori indicativi per alcune delle sorgenti luminose più comuni.

Possiamo osservare la grande variazione della luce incidente in termini di luminanza: attenzione che una scena illuminata in modo non uniforme sia da luce solare diretta e indiretta può presentare una gamma dinamica enormemente maggiore rispetto ad una scena illuminata da sola luce solare diretta o indiretta.

gamma dinamica estesa con luce diretta ed indiretta 600x450 La gamma dinamica nella fotografia digitale

L’esempio è l’immagine qui sopra: la luce diretta illumina una parete di roccia mentre la luce indiretta la parte bassa della scena. La gamma dinamica è molto estesa mettendo a dura prova la nostra fotocamera (in termini di resa)

La gamma dinamica nelle fotocamere digitali

Sebbene il significato di gamma dinamica per una scena nel mondo reale è il rapporto tra aree chiare ed aree scure(rapporto di contrasto), la sua definizione diventa più complessa quando viene riferita ai dispositivi elettronici quali fotocamere digitali e scanner.

Nelle macchine fotografiche, la luce viene misurata sul sensore su ogni fotosito: la dimensione dei singoli fotositi incide pesantemente sulla gamma dinamica della fotocamera.

Per meglio spiegare questa relazione, immaginiamo il fotosito come una sorta di contenitore all’interno del quale vengono “inserite” delle palline. Ogni pallina corrisponde ad un fotone.

Più palline si inseriscono nel contenitore più questo contenitore si riempirà fino al punto in cui le palline cominceranno a traboccare. Un fotosito che trabocca è definito saturo e non sarà in grado di ospitare ulteriori fotoni che lo colpiscono. Il “colore” del fotosito è proprio legato al numero delle palline (dei fotoni) contenuti all’interno del contenitore (il fotosito): più sono le palline più è bianco il bianco (d’altro canto, un recipiente senza palline ovvero un fotosito senza fotoni equivale al nero).

Per una fotocamera ideale, il rapporto di contrasto è quindi dato dal numero di fotoni che possono essere contenuti all’interno di ciascun fotosito, diviso per la più scura intensità luminosa misurabile (un singolo fotone). Se ogni fotosito può contenere al massimo 1.000 fotoni, il rapporto di contrasto sarebbe 1000:1. Poiché fotositi più grandi possono contenere una più ampia quantità di fotoni, la gamma dinamica è generalmente più alta per le fotocamere reflex digitali full frame rispetto alle half frame e soprattutto rispetto alle fotocamere compatte (perché sui sensori di dimensioni più grandi i fotositi, i pixel, sono decisamente più grandi). Inoltre, a parità di dimensione del sensore, tecnicamente un sensore con meno pixel ha una gamma dinamica superiore rispetto ad un sensore con più pixel (per inserire più pixel su un sensore si tende infatti a ridurne la dimensione).

Attenzione ad una particolarità che troviamo in moltissime macchina fotografiche, in primis le reflex: il valore ISO inferiore al limite minimo della macchina fotografica. Ogni reflex è costruita sulla base di un valore ISO di default che è, normalmente, 100 oppure 200 ISO. Ma, nelle impostazioni, è possibile ridurre questo valore della metà (50 o 100 ISO): la macchina fotografica non fa altro che sovraesporre l’immagine di uno stop, tagliando successivamente i valori alti. Ne va da se che questa pratica riduce la gamma dinamica: tenetelo sempre a mente quando forzate un valore ISO inferiore a quello di default della macchina fotografica.

inoltre, le fotocamere consumer non possono “contare” i singoli fotoni. La gamma dinamica è quindi limitata dal tono più scuro (quando nessun dettaglio può essere individuato ) che a sua volta è limitato dall’accuratezza della misura del livello di energia di ogni singolo fotosito. Considerando che l’accuratezza della misura decresce all’aumentare del valore ISO, ne deriva che tecnicamente le macchine fotografiche hanno una gamma dinamica più estesa a valori di ISO bassi.

Nel complesso, la gamma dinamica di una macchina fotografica digitale può quindi essere descritta come il rapporto di massima intensità luminosa misurabile (quando i pixel ovvero i fotositi sono saturi) rispetto alla minima a intensità luminosa  misurabile (che sarà pari al solo rumore di lettura del fotosito – ricordo infatti che per leggere energia bisogna usare energia). L’unità più comunemente usata per misurare la gamma dinamica è la f -stop che descriverla  gamma luce totale per potenze di 2. Un rapporto di contrasto di 1024:1 potrebbe quindi anche essere descritto come una gamma dinamica di 10 f-stop (da 210 = 1024) .  Come accennato in precedenza, la gamma dinamica gestibile da una macchina fotografica è direttamente legata alla sua tecnologia e a tal proposito vi rimando ad un post relativo alla Nikon D600 e la gamma dinamica.

La gamma dinamica negli scanner

Gli scanner sono soggetti alla stessa saturazione di cui abbiamo parlato nella sezione relativa alle fotocamere eccetto che, nel caso di questi dispositivi, si parla di densità (D) .Questo perché non abbiamo più a che fare con i fotositi bensì con i pigmenti della sorgente che vogliamo scannerizzare.

La gamma dinamica degli scanner si definisce come la massima densità del pigmento (Dmax) meno la minima densità del pigmento (Dmin). La densità è misurata utilizzando potenze di 10. Ciò significa, per esempio, che una densità di 3.0 è pari ad un contrasto di 1000:1 (103=1000).

Occhio che i produttori di scanner, normalmente, non indicano la densità totale bensì solo il valore massimo essendo, più o meno, la differenza Dmax-Dmin pari a DMax. Questo avviene perché, a differenza delle fotocamere digitali, gli scanner hanno il pieno controllo della fonte di luce evitando la saturazioni dei fotositi del sensore di acquisizione (quindi Dmin è più o meno simile al valore del soggetto che vogliamo scannerizzare, eccezion fatta del rumore di lettura del fotosito del sensore dello scanner che sarà sempre presente, come nel caso delle macchine fotografiche).

Le gamme dinamiche a confronto

La gamma dinamica varia così tanto che è comunemente misurata su una scala logaritmica. Questa è diversa nel caso di scanner, fotocamere ma anche dispositivi di visualizzazione quali monitor. Ad esempio, la gamma dinamica varia enormemente tra quella riproducibile sulla stampa e quella catturabile da uno scanner o una fotocamera (vedi il disegno).

gamma dinamica differente 600x113 La gamma dinamica nella fotografia digitale

Si noti l’enorme discrepanza tra la gamma dinamica riproducibile in stampe , e che misurabile da scanner e fotocamere digitali . Il confronto con la gamma dinamica del mondo reale è infine “impietoso”, in quanto i dispositivi elettronici ne presentano una inferiore di circa 3 f-stop in giornate nuvolose ed addirittura 12 f-stop in giornate con riflettività irregolare (presenza di sole diretto e zone d’ombra).

La gamma dinamica, infine, tende ad aumentare, o meglio migliorare, con il miglioramento della tecnologia.  Le macchine fotografiche di fascia alta, ad esempio, si comportano enormemente meglio delle macchine di fascia bassa o quelle realizzate alcuni anni or sono.  

La gamma dinamica dell’occhio umano

L’occhio umano può effettivamente percepire una più ampia gamma dinamica rispetto ai dispositivi elettronici: orientativamente potremmo dire che la gamma dinamica del nostro apparato visivo si aggira su quasi  24 f-stop.

La gamma dinamica così estesa però è figlia di un trucco: durante la visione di una scena, la nostra pupilla si dilata e si restringe. Se dovessimo limitarci alla gamma dinamica “istantanea” (cioè a pupilla “immobile”), la gamma dinamica totale del nostro occhio si riduce a circa 10-14 f-stop.

Profondità di bit e gamma dinamica

Anche se una fotocamera digitale è in grado di catturare una vasta gamma dinamica, la precisione con cui le misurazioni di luce sono convertite in valori digitali possono limitare la gamma dinamica utilizzabile. Il dispositivo che traduce le misurazioni in valori discreti (numeri) è chiamato convertitore analogico digitale (A/D). La precisione di un convertitore A/D può essere descritta in termini di bit di precisione, un concetto molto simile alla profondità di bit delle immagini digitali

gamma dinamica e profondita di bit 600x207 La gamma dinamica nella fotografia digitale
non confondete la profondità del colore con la precisione del convertitore A/D, sono due cose totalmente differenti!

Ovviamente i valori riportati sono teorici ipotizzando l’assenza di rumore e la linearità del convertitore A/D (che, al contrario, è spesso non lineare).

La maggior parte delle fotocamere digitali utilizza un convertitore A/D da 10 o 14 bit. Questo significa che la loro gamma dinamica teorica varia tra i 10 e i 14 f-stops. Tuttavia, questa profondità è fasulla in quanto la presenza del rumore la limita verso il basso, orientativamente nel range 8-12 f-stops massimo.

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