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Il miglioramento della tecnologia digitale

 


 

Qualche giorno fa, sul sito di DxO, ho letto un articolo che reputo molto interessante. Poiché non tutti padroneggiano l’inglese, mi permetto di rielaborarlo in italiano aggiungendo le mie personali esperienze.

 

Negli ultimi anni, la tecnologia dei sensori ha fatto notevoli passi avanti, specialmente per i sensori full frame. All’aumentare della risoluzione è diminuito il rapporto segnale/rumore (SNR) ma, di converso, i miglioramenti nella costruzione dei pixel e nella conversione raw hanno compensato questa diminuzione. Oggi, a parità di dimensioni di stampa, le reflex ad alta risoluzione producono immagini di qualità, dal punto di vista del rumore, più alta di quelle di qualche anno fa, che avevano risoluzione più bassa.

Quando parliamo di rumore, parliamo in realtà di SNR (rapporto segnale/rumore). Andiamo a vedere l’evoluzione dei sensori in questi ultimi anni e come il SNR ha impattato sulla qualità d’immagine.

 

SNR in dB a 200 ISO

 

Il grafico mostra il SNR come funzione della data d’immissione sul mercato di 30 reflex digitali (i punti blu) e la media (la linea nera). Sull’asse delle ascisse abbiamo la data di immissione e sull’asse delle ordinate il SNR per i mezzi toni, misurato a 200 ISO ed espresso in dB.

Ci saremmo aspettati un miglioramento del SNR ed invece, nonostante la ricerca, abbiamo una perdita di 1 dB in cinque anni. Ma allora la qualità d’immagine è scaduta in questi anni?

La realtà è che ci sono stati grandi miglioramenti nella tecnologia dei pixel ma le dimensioni e la quantità sono cambiati e di molto.

 

Numero di megapixel

 

Il grafico mostra che il numero di megapixel è raddoppiato negli ultimi cinque anni. Ci si è arrivati riducendo le dimensioni dei pixel di un fattore 1,4. Poiché i pixel sono più piccoli, e quindi meno sensibili alla luce, mostrano un SNR più basso. Inoltre, il dB che il primo grafico mostra come perso in questi anni viene recuperato grazie all’incremento di risoluzione,

 

Per capire la scala del SNR, ricordate che una differenza di 3 dB tra due fotocamere, equivale a circa un f/stop di differenza. Cioè, se la fotocamera A a 200 ISO ha un SNR maggiore di 3 dB di quello della fotocamera B allora la fotocamera A a 400 ISO avrà lo stesso SNR (e quindi lo stesso rumore) della fotocamera B a 200 ISO.

Se proviamo a normalizzare il SNR rispetto alla dimensione dei pixel, possiamo verificare l’impatto delle nuove tecnologie. Raddoppiare la dimensione dei pixel permette un guadagno di 6 dB sul SNR. Infatti il raddoppio del pixel si ottiene mediando un gruppo di 2 x 2 pixel che dà un rumore ridotto alla metà. Quindi il SNR si incrementa di 20 Log10(2) che vale circa 6 dB.

Se utilizziamo questo dato possiamo normalizzare tutte le varie dimensioni di pixel rispetto ad una dimensione normalizzata di 10 µm.

 

SNR (normalizzato, 10µm equivalenti) ~ SNR + 20 Log10(10/ dimensione pixel)

 

Con il SNR normalizzato, ridisegniamo il primo diagramma:

 

SNR in dB a 200 ISO, 10µm equivalenti

 

Possiamo osservare un guadagno di 2 dB negli ultimi cinque anni. Ciò significa che la tecnologia, per una dimensione dei pixel fissata, ha prodotto un miglioramento di +2 dB (cioè 2/3 di f/stop). E’ come dire che la qualità d’immagine a 200 ISO di cinque anni fa, la si ottiene oggi a 300 ISO.

Osservate anche che, per una data di immissione sul mercato, la dispersione tra i modelli di fotocamere è grossomodo equivalente al miglioramento degli ultimi cinque anni. Questo significa due cose:

 

1.      non tutti i produttori usano o hanno accesso allo stesso livello di tecnologia per i pixel;

2.      le differenze tra le reflex correnti possono essere più grandi del guadagno tecnologico degli ultimi cinque anni.

 

Come esempio andiamo a confrontare le differenze nel miglioramento tecnologico tra Canon e Nikon:

 

SNR in dB a 200 ISO, 10µm equivalenti

 

Dal grafico si osserva che, negli ultimi cinque anni, Canon è stata significativamente migliore di Nikon in termini di prestazioni del pixel. Tuttavia, nello stesso periodo, a fronte di un miglioramento di 1,5 dB di Canon, Nikon è migliorata di 2,5 dB. Nel 2008 le prestazioni di Canon e Nikon sono equivalenti, anzi, la Nikon D3 ha la tecnologia dei pixel migliore.

Se il SNR è diminuito di 1 dB negli ultimi cinque anni, perché la qualità d’immagine è aumentata? Molto semplicemente perché il numero di pixel è aumentato durante lo stesso periodo, cioè che il doppio dei pixel viene mediato per fare una stampa e quindi c’è un miglioramento nel SNR.

Normalizziamo il SNR per una stampa 20 x 30 cm a 300 dpi, equivalente grossomodo ad una immagine da 8 megapixel. Il grafico seguente mostra il SNR normalizzato in funzione della data di immissione sul mercato della fotocamera. Le fotocamere con sensore full frame (24x36 mm) sono mostrate in blu, quelle con il sensore APS-C (15x22 mm) in verde.

 

SNR in dB a 200 ISO, normalizzato per una stampa 20 x 30 cm

 

Si vede che il sensore full frame (blu) è avvantaggiato rispetto all’APS-C (verde). Questo è dovuto al fatto che un sensore full frame raccoglie il doppio della luce rispetto all’altro. E’ facile vedere come ci sia una differenza media di circa 3 dB (guadagno di uno f/stop) che è esattamente quello che ci si aspetta quando si raddoppia l’intensità della luce. Questo significa anche che, per una stampa 20 x 30 cm, la qualità d’immagine di una fotocamera APS-C a 200 ISO sarà, in media, uguale alla qualità d’immagine di una fotocamera full frame a 400 ISO.

Vediamo inoltre un maggior miglioramento per i sensore full frame rispetto all’APS-C. In cinque anni i sensori full frame hanno guadagnato 5 dB (quasi due f/stop) mentre i sensori APS-C hanno guadagnato solo 2 dB e praticamente nulla di questi 2 dB sono stati guadagnati negli ultimi tre anni.

Eppure dovremmo aspettarci molto di più da un sensore APS-C. In fondo la qualità di una fotocamera del 2008 a 400 ISO è molto maggiore di quella di una del 2003 a 200 ISO. Perché non è così?

La risposta sta nel fatto che non stiamo analizzando direttamente immagini raw ma immagini RGB dopo la conversione da raw. I sensori non sono l’unico elemento che concorre alla qualità d’immagine che è migliorato negli ultimi anni. Gli algoritmi di conversione da raw, sia incorporati nella macchina che nel software (es: Photoshop, DxO Optics Pro…) hanno avuto notevoli sviluppi. Tanto per fare un esempio, negli ultimi due anni, DxO Optics Pro ha mostrato un miglioramento delle prestazioni di conversione da raw di +4 dB nel SNR, molto più che non il guadagno dovuto alla tecnologia dei sensori.

Queste migliorie del software continueranno, dando ulteriore conferma della superiorità del raw, visto che questo tipo di file può essere convertito con ogni nuova release dei vari raw converter. Ovviamente, per quanto avanzati diventino i raw converter, ciò non toglie che dovremo scattare la migliore immagine raw possibile.

 

 

Conclusioni

 

La tecnologia dei sensori ha fatto grossi passi in avanti negli ultimi anni, con lo sviluppo dei sensori full frame che ha sopravanzato quello dei sensori APS-C. Le misure dei Laboratori DxO mostrano che gli avanzamenti nella tecnologia di conversione da raw ha compensato l’incremento del rumore dovuto ai pixel più piccoli e meno sensibili alla luce delle ultime generazioni di fotocamere. Il risultato è che le fotocamere ad alta risoluzione di oggi producono immagini di più alta qualità delle fotocamere di qualche anno fa, se viste nelle medesime condizioni.

 


©2009 Aristide Torrelli