Sapere Scienza

Sapere Scienza

Fotografia digitale: dal sensore all’immagine

10 Febbraio 2021 di 

Quando scattiamo una foto con una fotocamera digitale o con un telefonino, immediatamente ci viene mostrata l’immagine della scena ripresa. Questo ci può portare a pensare che sia l’immagine direttamente prodotta dal sensore. Se pensate questo, siete in errore, il sensore non produce immagini.

 

Cos’è il sensore di una macchina fotografica digitale e come funziona?

Esso è una piastrina di silicio sulla cui superficie sono stati realizzati milioni di fotositi (non pixel come spesso vengono erroneamente chiamati), disposti a scacchiera. Questi potete immaginarli come contenitori per fotoni.
Quando scattiamo la foto, l’immagine della scena viene proiettata a fuoco sul sensore e ogni fotosito ne legge una porzione infinitesima.
Come sappiamo la luce risponde a due teorie, quella ondulatoria, secondo la quale è una radiazione elettromagnetica, e quella corpuscolare che la definisce come flusso di particelle dette fotoni.
I fotoni della luce che colpisce ogni fotosito vengono immagazzinati e, successivamente, contati.
Un concetto fondamentale, di cui parleremo più approfonditamente in futuro, è che c’è un numero massimo di fotoni che un fotosito può contenere. Raggiunto questo limite, detto “saturazione”, eventuali fotoni in eccesso andranno persi e non saranno contati. Questo dato fa parte delle caratteristiche del sensore, espresso come “bit del sensore”. Uno di buona qualità dispone di 14 bit che si traducono in 214 = 16384 livelli di grigio, che sono i “gradini” della scala di misura dei fotoni.
Pertanto il conteggio dei fotoni catturati da ogni fotosito è un livello. Queste sono le letture effettuate dal sensore e sono trascritte in un file detto “raw”. Il compito del sensore finisce qua.

 

Dal sensore monocromatico alla foto a colori

L’aver contato i fotoni non fornisce informazioni sul colore della luce che ha colpito i singoli fotositi. Per questo i sensori sono monocromatici.
Per ottenere immagini a colori si ricorre allora a un escamotage ideato da Bryce Bayer, detta “demosaicizzazione”.
Su ogni fotosito viene applicato un filtro rosso, verde oppure blu. Se non avete letto l’articolo precedente è il caso di farlo ora, prima di proseguire.
Le immagini che dobbiamo ottenere saranno codificate in RGB, quindi abbiamo bisogno di conoscere le componenti rossa, verde e blu della luce che ha colpito i singoli fotositi.
I filtri lasciano passare solo una delle tre componenti. Il conteggio dei fotoni sarà quindi relativo a una sola componente e verrà memorizzato nel raw.

 

fig 1 - Dal sensore all immaine

Il principio della demosaicizzazione con cui, grazie al filtro di Bayer, si ricava il colore nelle fotografie digitali.

 

Facendo riferimento alla figura precedente, dal fotosito centrale coperto da filtro verde, abbiamo ricavato il valore del verde (nella scala che va da 0 a 255).
Poiché i fotositi sono infinitesimamente piccoli, è improbabile che fra fotositi adiacenti, colore e intensità luminosa siano molto differenti. Pertanto prendiamo le letture dei fotositi con filtro rosso (40 e 50), ne facciamo la media e ricaviamo il valore del rosso (45). Lo stesso facciamo per ricavare il valore del blu (95).
Ora, con sufficiente approssimazione, abbiamo la codifica in RGB del pixel dell’immagine relativo a quel fotosito.
Questa operazione di demosaicizzazione viene ripetuta per tutti i pixel. Solo ora abbiamo l’immagine della scena ripresa costituita da pixel colorati e definita “immagine raster”.
Questo è il primo passo verso l’immagine definitiva, perché una serie di correzioni sono necessarie.

 

Come si fa il bilanciamento colori?

La più importante impostazione è il “bilanciamento del bianco” che serve a neutralizzare eventuali dominanti cromatiche dovute alla luce che illuminava la scena ripresa.
Il problema, in realtà, non nasce dalla luce stessa, ma da come la interpreta il nostro cervello: il fenomeno dell’“adattamento cromatico”. Sarà l’argomento della prossima puntata.

 

Qual è la differenza fra raw e jpeg?

Quasi tutte le fotocamere, certamente le semiprofessionali e le professionali, rendono disponibili i file raw oltre ai jpeg.
Le correzioni necessarie a ottenere l’immagine definitiva rappresentano lo sviluppo del raw. Molto superficialmente vengono eseguite dalla fotocamera per produrre il jpeg.
I professionisti e i fotoamatori usano il raw per eseguirne un accurato sviluppo detto “post produzione”. Inoltre il raw non è modificabile ed è legalmente valido ai fini dei diritti d’autore sulle opere fotografiche. Anche per questo è importante salvare il file raw.

Sergio Nuzzo

Tecnico elettronico, ha iniziato la carriera lavorativa nell’ambito della strumentazione scientifica, lavorando per due delle più importanti aziende a livello mondiale, in veste di Field Service Engineer. Dal 1994 è Collaboratore Tecnico dell’Istituto per i Processi Chimico-Fisici, sede di Bari, del Consiglio Nazionale delle Ricerche.
Fotoamatore fin da giovanissimo, sviluppa particolare interesse per la scienza e la tecnologia della fotografia digitale. Grazie alle conoscenze acquisite con i suoi studi, con l’autorizzazione del suo Ente, ha collaborato con un’importante azienda del settore fotografico, tenendo corsi e lezioni aperte per fotografi professionisti.

copertina   marzo-aprile 2021

  COMPRA IL NUMERO

 
  ABBONATI

 
  SOMMARIO

 
  EDITORIALE

grandivoci 3 col

bannerCnrXSapere 0

like facebook

Questo sito utilizza cookie, anche di terze parti, per migliorare la tua esperienza di navigazione. Se vuoi saperne di più consulta l'informativa estesa. Cliccando su ok acconsenti all'uso dei cookie.