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Ve lo spiega l’ingegnere/4: la fotocamera (parte 2)

Nell’ultima puntata di “Ve lo spiega l’ingegnere” vi ho illustrato la struttura di una fotocamera CMOS. A questo proposito, oggi vorrei continuare il discorso parlando della catena di acquisizione di una fotografia, dei parametri fondamentali da tenere in considerazione (SNR e DR), e del rumore e disturbi che possono affliggere un’immagine.

fotocamera 4

L’acquisizione di una foto

Siamo quindi arrivati al momento di scattare una foto. Questo processo è suddiviso in 3 fasi distinte: reset, integrazione, lettura del segnale.

Reset: in questa prima fase si azzera il valore di ogni pixel della matrice a un valore predefinito, possiamo immaginare la matrice resettata a un insieme di pixel neri, ossia privi di ogni segnale.

Integrazione: in questa fase la luce che passa dal diaframma e si incide sul fotodiodo viene accumulata per un certo tempo, definito tempo di integrazione o tempo di esposizione. Questo tempo viene definito in base alla quantità di luce della scena. Se scattiamo una foto al sole il tempo di esposizione sarà piccolo poiché in poco tempo riusciamo ad accumulare molto segnale. Al contrario se scattiamo la sera o in condizione di scarsa luminosità il tempo di esposizione sarà più alto.

Lettura del segnale: nell’ultima fase il valore di luce acquisita da ogni pixel viene letto dalla CPU e processato al fine di creare la foto. Questa elaborazione è necessaria poiché una immagine non elaborata avrebbe il seguente aspetto.

fotocamera 1

Per ogni punto della matrice non vengono acquisiti i 3 colori (rosso, verde, blu) ma uno solo di essi. Gli altri 2 saranno stimati matematicamente in base al valore dei pixel vicini.

Il rapporto segnale rumore (SNR)

Un altro fattore importante da tenere in considerazione è il rumore: durante l’acquisizione al segnale utile si sovrappone infatti anche un segnale indesiderato e aleatorio. Il rapporto segnale rumore (SNR) ci dice quanto è disturbato il nostro segnale. SNR alti sono sinonimi di immagini pulite e dettagli ben contrastati. Al contrario SNR bassi sono caratteristici di immagini “granulose” con un segnale che si confonde con il rumore di fondo.

La prima foto ha un rapporto segnale rumore alto e mentre per la seconda il rapporto è basso.

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fotocamera 2

È importante quindi tenere un rapporto segnale rumore alto. Questo aumenta proporzionalmente con la grandezza dei fotodiodi (e quindi dei pixel) e con il tempo di esposizione.

Ci siamo così scontrati con il primo trade off della fotografia: risoluzione e SNR.

Il numero di pixel di un sensore viene spesso considerato il parametro fondamentale per la scelta di una macchina fotografica. Tuttavia, maggiore è il numero di pixel in un sensore minore sarà la dimensione del pixel, determinando così un basso SNR.

Dynamic Range

Il dynamic range (DR) è definito come il rapporto tra il segnale massimo e il segnale minimo che una fotocamera può acquisire. Il DR è limitato rispetto all’occhio umano, soprattutto negli smartphone. Ciò si può riscontrare in immagini che presentano contemporaneamente zone molto luminose e zona in ombra. Sarà possibile vedere i dettagli della foto solo in una delle due zone.

Nella seguente immagine si può vedere come la zona illuminata (cielo) sia pulita e ricca di dettagli, mentre la zona più scura sia cupa e priva di dettagli. Al contrario nella seconda foto è la zona in ombra ad essere definita.

fotocamera 3

Per acquisire entrambi i dettagli bisognerebbe avere un DR elevato, questo si può ottenere migliorando il rumore del sensore e/o diminuendo il tempo di esposizione.

Il secondo contrasto riguarda proprio il tempo di esposizione poiché lo vorremmo il più alto possibile per avere SNR alto, ma allo stesso tempo lo vorremmo basso per ottenere un alto DR.

Abbiamo quindi capito che non è importante eccellere in un solo parametro, infatti a meno di particolari occasioni come mostre o scopi commerciali spendere una fortuna per avere una fotocamera con 30 Megapixel che non sia affiancata da un’elettronica di tutto rispetto è del tutto inutile e anzi può rivelarsi dannoso soprattutto se si fanno fotografie in condizioni di scarsa luminosità. È importante al contrario avere una fotocamera bilanciata e con caratteristiche specifiche a seconda dell’utilizzo.

 

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A proposito, ho parlato anche delle nuove fotocamere celate sotto al display, se te lo sei perso clicca qui.

Marco De Pace
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