Il falso mito dei Megapixel

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Nell’articolo Il sensore fotografico ho descritto come sia fatto questo elemento e nel successivo CMOS vs CDD: Sensori a confronto ho rapportato le due differenti tecnologie realizzative dei sensori.

Rimane ancora un argomento da trattare che è stato solo accennato in precedenza: i megapixel associati al sensore fotografico.

Ho parlato dei fotodiodi e della loro capacità di trasformare fotoni in segnale elettrico e ho anche detto che il fotodiodo viene chiamano comunemente pixel (picture element).
Va da se che un sensore da 5 Megapixel contiene circa 5 milioni di pixel: valore che non necessariamente corrisponde alla risoluzione finale della macchina fotografica. Va infatti precisato che il sensore contiene un po’ di pixel non dedicati alla cattura della luce ma il cui compito è quello di “gestire” il contrasto, la temperatura del colore e così via: notate come alcuni produttori abbiano cominciato a segnalare non tanto la risoluzione assoluta quanto la risoluzione effettiva. Se da un lato indicare quest’ultima è più “etico”, dall’altro significa dichiarare un po’ di pixel in meno di quanto il sensore realmente ha e magari anche rispetto a prodotti omologhi della concorrenza.

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Aumentare il numero dei pixel, come abbiamo visto nei precedenti articoli, non è una buona idea, a meno che non si abbia un sensore molto ma molto grande (tipo le full frame). Ovviamente bisogna ricordare che aumentare i megapixel significa anche aumentare la risoluzione finale della foto, un qualcosa di molto importante se la nostra intenzione è visualizzare la foto stessa su un monitor/display molto grande o ad alta risoluzione o se vogliamo effettuare delle stampe molto grandi.

Perché più megapixel è sconveniente?

Ipotizziamo, come purtroppo succede nel mondo delle compatte, di utilizzare lo stesso sensore(magari il piccolissimo 1/1,8″) su tutte le versioni di macchina fotografica immesse in commercio. La prima versione ha 4Megapixel, la seconda versione sale a 7Megapixel. Essendo la dimensione del sensore la stessa, l’unico modo per incrementare il numero dei fotodiodi è quello di ridurre la loro dimensione.

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Ma più un fotodiodo è piccolo, meno luce cattura. Meno luce cattura significa segnale elettrico più basso e SNR (rapporto segnale/rumore) più piccolo. Va da se che, dopo aver applicato l’amplificazione necessaria, l’immagine presenti una quantità di rumore nettamente superiore alla versione da 4Megapixel. Rumore talmente superiore da rendere le fotografie a ISO elevati inguardabili.

Ma non finisce qui: fotodiodi più piccoli vuol dire anche minore capacità di “immagazzinamento” (passatemi il termine): è molto più facile che degli elettroni strabordino (specie con luci forti) verso fotodiodi vicini. E questo si traduce in un incremento della possibilità che sulla foto finale siano presenti degli artefatti.

Ed il rumore di fondo? Anche questo aumenta e non di poco: il rumore di fondo è la somma di vari contributi. Abbiamo il rumore di lettura dovuto alla conversione analogico-digitale, il rumore di trasferimento dovuto allo spostamento fisico degli elettroni dai fotodiodi ed abbiamo anche il rumore termico  generato dalla luce che colpisce i fotodiodi: quest’ultimo ovviamente tende a crescere quanto più è spessa la trama del sensore. Più fotodiodi sul sensore significa maggiore calore quindi maggiore rumore. In ultimo rimane il rumore cromatico: simile al rumore termico, genera aberrazioni cromatiche nei pixel limitrofi con tempi di esposizione lunghi.

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Riassumendo, quando un venditore prova a sbolognarvi una macchina fotografica da 80Megapixel perché fa figo e non puoi non averla, la risposta da fornire è: qual’è il rapporto tra megapixel e dimensione del sensore? Se il venditore non sa rispondervi, cambiate negozio. Con ciò sottolineo come non è detto che una compatta faccia foto orrende: se recuperate una vecchia compatta con una risoluzione per esempio da da 6Megapixel, vi renderete conto come le sue foto siano qualitativamente simili se non migliori di quelle realizzate con una macchina fotografica compatta attuale. E questo perché la prima ha un rapporto tra megapixel e dimensione del sensore molto basso. 

Nelle reflex questo rapporto è spesso spinto a limite, soprattutto nelle full frame. Vi siete mai chiesti perché esistono compatte che possono scattare a 32Megapixel mentre le Reflex hanno viaggiato, fino a qualche tempo fa, intorno ai 12 Megapixel?

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Ecco di seguito una serie di particolari di una foto effettuata con una compatta di medio livello (sui 150 euro): la stessa foto è stata effettuata aumentando gli ISO. Si nota facilmente come il rumore si sia incrementato e non di poco (ovviamente la luminosità è invariata in quanto la macchina fotografica ha compensato la troppa luce riducendo il diaframma).

ISO 100
ISO 400
ISO 800
ISO 1600

La differenza di qualità sulla foto finale tra sensori contenenti differenti quantità di fotodiodi tende a ridursi quando l’illuminazione è ottimale: in fase di scelta di una macchina fotografica non limitatevi a provarla alla luce (tanta luce significa segnale elettrico più alto e tempi di scatto rapidi significano anche meno rumore termico) ma fate delle foto anche con una luminosità ridotta in modo da valutare le qualità fotografiche ad una sensibilità ISO medio alta.

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Quanto dovrebbe essere grande un fotodiodo?

Partiamo dalla luce: quella visibile ha una lunghezza d’onda che varia tra i 400 e i 750 nanometri. Un fotodiodo che vuole catturarla deve essere quindi non più piccolo di questi valori: allo stato attuale le compatte presentano sensori che si aggirano sui 2 micron (quindi 3 o 4 volte più grandi del limite) mentre le reflex half frame presentano sensori circa 2-3 volte più grandi (5-6 micron). Stabilire a priori una dimensione del sensore minima non è facile: il progresso tecnologico gioca un ruolo fondamentale e non è detto che, in futuro, sarà possibile ridurre il rumore associato a ciascun fotodiodo (anche se, essendo la tecnologia applicabile a tutti i sensori, vincerà sempre la macchina che “ce l’ha più grosso”!).

Il problema della gamma dinamica

La gamma dinamica è l’intervallo di sfumature dal bianco puro al nero pieno che un sensore è in grado di registrare (nella foto in basso una schematizzazione delle differenti gamme dinamiche come gestite da differenti apparecchi – si noti come la fotocamera non sempre ha la stessa resa, in termini di gamma dinamica, rispetto ad altre apparecchiature).

gamma dinamica differente

Più il fotodiodo è grande, più luce può immagazzinare a parità di tempo rispetto ad un fotodiodo più piccolo. Più luce significa anche più passaggi tonali il che si traduce in un numero di sfumature dal bianco puro al bianco nero maggiore: un fotodiodo più grande ha una gamma dinamica maggiore.

A parte andare a leggere qual’è la gamma dinamica della vostra macchina, mettetela alla prova: scegliete una scena che presenti un punto di forte luminosità ed un punto scuro.

foto dallalto
By: Doc SearlsCC BY 2.0

 

In questa foto si nota come la strada bianca al centro della foto sia priva quasi di particolari: la gamma dinamica è troppo corta per coprire tutta quella visibile.

gamma dinamica e magapixel

Nel grafico qui sopra è riportata la gamma dinamica (in funzione del tempo di scatto) – misurata in EV sull’asse delle ordinate – di quattro modelli Canon. Tutte le macchine sono equipaggiate da un sensore Full frame e con una risoluzione rispettivamente per la 6D, 5DIII, 5DII e 1Dx, di 20.2Mpx, 20.3Mpx, 21Mpx e 18.1Mpx: la gamma dinamica, si vede, è leggermente migliore per le fotocamere con meno megapixel, soprattutto quando i tempi si scatto si accorciano. Inoltre si vede come un modello “vecchio” quale la 5DII abbia le peggiori prestazioni a tempi di scatto molto alti nonostante non sia “pompatissima” in termini di megapixel: segno che la tecnologia ha saputo lavorare al fine di migliorare i sensori.