L’invarianza ISO (Parte 1)

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L’invarianza ISO è uno degli argomenti più discussi della fotografia di oggi, ma la maggior parte delle persone non capisce realmente cosa essa sia e di che si tratta. L’invarianza ISO può essere un argomento molto tecnico e poco. Tuttavia, l’invarianza ISO è un argomento importante, soprattutto perché molte fotocamere di oggi sono prossime all’invarianza ISO. Se volete massimizzare la gamma dinamica della vostra fotocamera ed evitare di utilizzare valori ISO “inutili”, l’invarianza ISO è per voi fondamentale. Quindi, cos’è l’invarianza ISO e come potete utilizzarla a tuo vantaggio nella tua fotografia?

Cos’è l’invarianza ISO?

L’invarianza ISO è una proprietà del sensore della tua fotocamera. Se il sensore della vostra fotocamera è perfettamente ISO invariante, non c’è penalità nel rumore se schiarite una foto in post-produzione rispetto all’ aumentare il valore ISO della vostra fotocamera: sono funzionalmente uguali. Nessuna fotocamera è però perfettamente ISO invariante .Tuttavia, alcuni modelli sono vicini all’invarianza e molte fotocamere diventano ISO invarianti a partire da un valore ISO abbastanza alto (una volta che la fotocamera inizia a “simulare” i valori ISO).

“Simulare”. Sicuramente saprete che esiste una differenza tra i valori ISO “nativi” e “estesi” in alcune fotocamere. Ad esempio, nelle macchine Nikon come la D800, si ha una gamma nativa da ISO 100 a ISO 6400 e una gamma ISO estesa che va fino a ISO 50 (in basso) e fino a ISO 25.600 (in alto).

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invarianza iso
By: Jordi ArmengolCC BY 2.0

Questi valori ISO estesi non sono in realtà “reali” ISO , ma sono semplicemente simulati nella fotocamera (va detto che anche alcuni valori all’interno della gamma presumibilmente “nativa” di molte fotocamere sono simulati.) I valori ISO simulati non forniscono alcun vantaggio sulla qualità dell’immagine e in realtà danneggiano la qualità dell’immagine stessa, con un taglio dei dettagli nelle luci (il che si traduce in una gamma dinamica più bassa

Il concetto di invarianza ISO si basa proprio sui valori estesi di ISO: l’impostazione ISO “non ha alcuna importanza“. Sia che imposti la ISO a 6400 nella fotocamera e che la schiarite in fase do post produzione, sia che si imposti ISOa  25.600 nelòla macchina fotografica, finirete con l’avere due foto che hanno esattamente la stessa quantità di rumore

Le moderne videocamere sono  ISO invarianti?

Alcune fotocamere oggi sono effettivamente ISO invarianti, almeno a un certo livello. Per alcuni motivi, questa è una domanda piuttosto complessa. Prima di tutto, le fotocamere possono essere invarianti ISO in una parte della loro gamma ISO senza essere invarianti in altre. Questo è un concetto importante da capire: in altre parole, sebbene ISO 25.600 possa essere semplicemente una versione simulata di ISO 6400, l’impsotazione a ISO 800 sulla stessa fotocamera potrebbe avere prestazioni di rumore veramente migliori rispetto a un’immagine scattata a ISO 200 e successivamrnte schiarita fino all’equivamente di ISO 800 in fase di post produzione.

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ISO invarianza
12019 / Pixabay

Molte fotocamere oggi hanno effettivamente elementi di invarianza ISO. Quanta sia l’invarianza dipende dalla fotocamera. Succede, alle volte, che schiarendo un’immagine in post produzione non si ottenga un’immagine tanto più rumorosa di quanto non potremmo ottenere scattando direttamente in camera con un valore ISO più grande, anche se stiamo usando ISO “reali” e non “simulati”. Come è possibile ciò?

La risposta è che è in gioco qualcos’altro: i produttori di fotocamere di oggi sono diventati così bravi nel creare sensori che molte fotocamere hanno implementato una componentistica che genera  un rumore di lettura molto limitato.

Avere un rumore di lettura basso significa aggiungere pochissimo rumore alla foto “reale”, ovvero ai fotoni catturati dai fotositi sul sensore. Più basso è questo rumore, più facile sarà schiarire una foto: il rumore di lettura diviene infatti molto evidente quando si schiarisce una foto ed averlo basso ci semplifica la vita e ci permette di post-elaborare le immagini con maggiore libertà.

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le fonti di rumore in una foto

Abbiamo creato un corso di fotografia che entra nel dettaglio delle fonti di rumore delle fotografie, al quale vi rimando se avete bisogno di maggiori informazioni di quante riportate qui.

Molte persone non capiscono esattamente perché il rumore è presente in una foto. È qualcosa insito nella scena davanti alla macchina fotografica? Oppure si verifica solo a causa di problemi nella capacità della fotocamera di leggere la scena? In realtà, questa è una domanda molto difficile a cui rispondere. E la risposta è entrambe: ad entrare in gioco, infatti, sono sia la scena (rumore fotonico, o rumore di scatto), sia la lettura della scena (rumore di lettura).

  1. Rumore del fotone: la scena reale davanti alla fotocamera produce rumore semplicemente perché i fotoni dal soggetto della foto non arrivano tutti allo stesso modo. Si può pensare a questo come a una sorta di “grana” naturale dovuta al fatto che i fotoni vengono emessi e riflessi in modo intrinsecamente casuale. Questo è particolarmente visibile nelle aree scure. E’ invariante in funzione della macchina fotografica e, a meno di essere allo zero assoluto, sarà sempre presente
  2. Rumore di lettura di front end. Il rumore di lettura ha origine nella fotocamera. Esso è dovuto dalla circuiteria interna (in particolare all’amplificatore analogico) della macchina fotografica, dal calore che la corrente genera,  alle imperfezioni nel reimpostare i pixel della fotocamera dopo una foto. La cosa importante da sapere è che ognuno di questi fattori aggiunge imperfezioni alle prestazioni del sensore della fotocamera, ovvero aggiunge rumore .
  3. Rumore di lettura di back-end: Il rumore di lettura back-end è simile al rumore di lettura front-end, poiché proviene dalla fotocamera piuttosto che dalla scena reale di fronte a voi. Tuttavia, è diverso dal rumore di lettura front-end a causa di quando nel processo di acquisizione delle immagini si verifica effettivamente. Il rumore di lettura back-end si verifica dopo l’amplificazione analogica.
invarianza ISO
PublicDomainPictures / Pixabay

Cos’è l’amplificazione analogica

I sensori della fotocamera sono dispositivi molto delicati e tecnologicamente molto evoluti. Generalmente, possiamo dire che il sensore è fatto da una parte di circuiteria e da milioni (i megapixel) di fotositi, ovverosia ricettori fotosensibili. Quando i fotoni della luce proveniente dal soggetto colpiscono il sensore, colpiscono in realtà i vari fotositi. Quando ciò avviene, si genere l’effetto fotoelettrico : nel fotosito colpito si genera un elettrone per ogni fotone che lo colpisce. Alla fine del processo di scatto, quindi, ogni fotosito conterrà un certo numeri di elettroni, pari al numero di fotoni che lo ha colpito, ovvero il sensore ha una copia digitale perfetta della scena.

Successivamente, la fotocamera converte la carica in una tensione analogica , e quindi amplifica quella tensione, in quanto è talmente bassa che, presa in valore assoluto, sarebbe non utile. Questa amplificazione è l’amplificazione analogica. La quantità di amplificazione, o “guadagno”, dipende direttamente dall’ISO impostato (anche se esiste un lavore minimo al di sotto del quale non si può andare). Quando impostate un ISO più alto, state dicendo alla fotocamera di usare un guadagno più ampio nell’amplificatore analogico.

Ora, l’amplificazione analogica, però, non viene applicata solo all’immagine “ideale”, ma viene amplificato anche il rumore dei fotoni nonché il rumore di lettura (la conversione in tensione analogica aggiunge rumore). Quando si amplifica anche il rumore, però, si va a ridurre la quantità di informazioni utili, ovvero si va a ridurre la qualità della fotografia.

Fino a qui, poco si può fare, a parte utilizzare sensori di ultima generazione che riescono a ridurre i rumori interni alla fotocamera. Oltre l’amplificazione analogica, però, abbiamo un ulteriore rumore che si va ad aggiungere (quello di back end) alla nostra foto. Si tratta dell’amplificazione digitale.

Cos’è l’amplificazione digitale

Alla fine del processo di conversione da fotone a tensione, ovvero a valle dell’amplificatore analogico, è necessario convertire la tensione in un valore numerico binario(o, usando un termine brutto in italiano, digitale. Questa conversione è nota come la conversione da analogico a digitale . Questo numero binario è un grosso problema, poiché è essenzialmente l’output finale di ciascun pixel. In fase di post produzione, per aumentare la luminosità di una scena, non si va a modificare la tensione di cui prima, ma si va a lavorare sul numero binario. Così facendo si può si ottenere una foto più luminosa ma si va a moltiplicare anche il rumore / le imperfezioni.

Non è finita: il rumore di back end non è stato amplificato dal convertitore analogico, poiché si è verificato dopo la conversione analogica stessa. Quindi, al momento, potrebbe non essere nemmeno una percentuale significativa tale da “danneggiare” la foto. In realtà potreste addirittura non notarlo a meno che non sia necessario schiarire un po’ la foto in fase di post-produzione (ovvero, eseguire l’amplificazione digitale).

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