Profondità di Bit e Gamma Dinamica
di Roberto Legnani

Mentre si è bombardati da informazioni riguardo a concetti ai più già familiari, quali risoluzione, pixel, dimensione, leggendo fra le infinite recensioni su camere digitali e scanner non si è mai in grado di capire una grandezza: la reale profondità di bit dei sensori digitali. Soprattutto la sua ambigua relazione con il dynamic range, dai fotografi meglio conosciuta come latitudine di posa: ovvero la capacità di lettura dei dettagli nelle alte luci e nelle ombre. Nella pellicola è la differenza tra il Dmin ed il Dmax, cioè la densità minima e massima (capacità di assorbimento della luce, misura logaritmica della trasparenza: capacità di trasmissione della luce) letta da un densitometro.

Chi ha già avuto la possibilità di approfondire la natura di quella parte di energia elettromagnetica visibile chiamata luce sa già che una parte della sua duplice natura è composta da pacchetti di energia che vengono “sparati” da una sorgente, i FOTONI o quanti.

Rapporto tra Sensore e Convertitore AD

Il Gamma Dinamico è dato da una caratteristica fisica del sensore, che ha un’uscita analogica: l’altezza del segnale elettrico in volt, generato da un elemento del sensore e proveniente dal fotodiodo. Quest’ultimo emette una carica elettrica a seconda del numero di fotoni raccolti dal pixel (fotosito del sensore) che, esemplificando, potremmo visualizzare come un contenitore di fotoni: ad ogni fotosito e’ associato un fotodiodo, e il numero dei fotoni catturati corrisponde proporzionalmente ad un livello della Bit Depth, (esemplificando: a 8 bit, 255 fotoni catturati corrispondono al livello 255 (bianco), in una scala a 256 livelli: 0, nero – 255, bianco).

 Questo segnale viene convertito in numeri binari (digitali) dal convertitore A/D (Analogico/Digitale), il quale può, a seconda delle sue caratteristiche costruttive, avere sensibilità diverse (vedi tabella). Ad esempio, un convertitore ad 8bit è in grado di registrare 256 livelli, a 12bit 4096, ecc.

Dunque esistono due elementi, il sensore ed il convertitore AD, entrambi con caratteristiche fisiche diverse, entrambi in relazione.

Ora, i diversi livelli di intensità provenienti dal sensore devono poter essere tutti gestiti dal convertitore A/D, ma non esiste rapporto diretto tra Bit Depth del convertitore e Dynamic Range del sensore. Se avessimo un convertitore a 16 bit si potrebbe erroneamente pensare che la camera digitale abbia la possibilità di registrare 65536 livelli, invece questo è solo il tetto max di registrazione di livelli possibile di quel convertitore: non ha nulla a che fare con la qualità fisica del sensore, un po’ come il contachilometri di un auto non indica la sua reale velocità.

Al contrario, se si avesse un segnale molto alto (es. 14 bit = 16384 livelli) quindi 4.2 di densità ma si usasse un convertitore a 8 bit = 256 livelli, il convertitore farebbe da collo di bottiglia e i files sarebbero a 2.4 di densità.

Relazione tra Gamma Dinamica e Profondità di Bit

Quindi il Gamma Dinamico non dipende direttamente dalla profondità di bit: (rappresentata dalla quantità di fotoni raccolti nel fotosito) ma dalla capacità di lettura del gamma di intensità del sensore (segnale analogico), che ha un altezza fissa di lettura di quantità di livelli (fotoni). Se si fossero catturati tanti fotoni da avere 10.000 livelli, ma la capacità di lettura del Gamma di Intensità del sensore fosse limitata a 200 livelli (200:1 gamma di intensità-8 bit-2.4 densità) al convertitore A/D arriverebbe sempre un segnale corrispondente a 200 livelli. La dipendenza è indiretta perché un segnale analogico alto proveniente dal sensore (ad es. con capacità di lettura fino a 10.000:1 = 10.000 livelli) ha bisogno di una quantità di fotoni raccolti che si avvicina a 10.000 livelli per poter essere convertiti in altrettanti “numeri” digitali dal convertitore A/D associato che deve essere di almeno 14 bit con 16384 livelli disponibili per avere una effettiva densità di 4.2.
Un altro elemento importante che influisce sul DR è il rumore, ma per spiegare correttamente questo rapporto è necessario introdurre un altro concetto importantissimo, ma anch’esso purtroppo poco conosciuto.

Gamma Lineare e Gamma Codificato

Sensore ed occhio reagiscono in maniera nettamente distinta allo stimolo luminoso. Come potete vedere dalle curve di risposta la visione umana è molto più sensibile nei toni scuri per poi reagire meno nelle alte luci: ad un raddoppio dell’ intensità luminosa non corrisponde un raddoppio di risposta tonale, cioè al raddoppiare della luce che arriva ai nostri occhi noi non percepiamo lo stesso tono il doppio più brillante; più brillante sì, ma non il doppio.
Contrariamente, il sensore digitale ad un raddoppio di intensità luminosa risponde con un tono registrato che è esattamente il doppio più chiaro rispetto al precedente: è una risposta lineare. Vedere due esempi di risposta in uscita della percezione umana; e del sensore lineare dello stesso gradiente uniforme.
Data la natura della risposta lineare sopradescritta, vediamo come il sensore distribuisce i livelli. Considerando un livello medio di dynamic range di sei stop a 8 bit (256 livelli), nello stop più chiaro ne vengono usati la metà; nello stop seguente più scuro ne vengono usati la metà del precedente e così via fino all’ultimo; nei due stop più scuri si registrano di conseguenza solo 8 e 4 livelli. Si capisce l’esigenza di usare almeno un sensore a 12 bit (4.096 livelli). Quindi anche questo incide sul dynamic range in quanto in relazione al rapporto fra la quantità di rumore di base del sensore (dipendente dalla sua struttura e dalla capacità di raffreddamento: più scalda e più aumenta il rumore nei toni scuri) e la quantità di livelli registrati. Aumentare i livelli in rapporto al rumore si traduce in un aumento del dettaglio “pulito”.

Si potrebbe anche dire che per i toni chiari la limitazione del DR è data dall’ ampiezza fisica del segnale analogico del sensore, che comprime tutti i livelli/dettagli più “alti” della sua portata, e per i toni scuri è data dal rapporto quantità di rumore/livelli, più il rumore è basso ed i livelli aumentano e più aumenta il DR.

Purtroppo tutte queste componenti riguardano i costruttori delle camere, dei dorsi o degli scanner, che nel migliore dei casi dichiarano il dynamic range teorico del rapporto con la profondità di bit del convertitore A/D! l’unica strada percorribile sono i test fatti sul campo usando diverse camere o dorsi, per verificare la risposta al DR con dei soggetti ad alta gamma dinamica. Se non si ha la possibilità di eseguire dei test un buon paragone è la differenza di prezzo, perché oramai convertitori A/D a 16 bit si trovano ad un costo non elevato, un sensore ad alto DR invece ha dei costi abbastanza elevati che alzano di conseguenza anche il prezzo al pubblico, quindi a parità di prestazioni DR teorico, risoluzione, quando c’è molta differenza di prezzo la maggiore causa probabilmente è proprio un ottimo DR analogico.

Nell’uso delle pellicole a sviluppo chimico, il DR è dato dal tipo di pellicola e dal metodo di esposizione e sviluppo seguente, come insegnava Ansel Adams da cui veniva il famoso system zone, si espone per le ombre e si sviluppa per le luci. L’aumento o la diminuzione dello sviluppo del negativo principalmente influisce sulle densità nelle zone chiare, esponenzialmente meno nei grigi e negli scuri: si ha quindi un buon controllo dei toni chiari ma quasi nulla nei toni scuri. A seconda della situazione esterna della scena da riprendere, agendo con un esposimetro spot in grado di leggere separatamente le zone chiare quelle medie e le scure, nel caso la scena sia ad alto contrasto riprendere e sviluppare il film normalmente significa sacrificare dettaglio in entrambi i toni opposti. Visto però che si è in grado di controllare le alte luci nello sviluppo, si espone seguendo le indicazioni dell’esposimetro nelle ombre, tenendo d’occhio le alte luci per calcolare la corrispondente % di sottosviluppo (quindi si sovrespone il film) e con questo si assicurano i dettagli nelle ombre altrimenti poco modificabili in sviluppo; poi si sottosviluppa magari con uno sviluppo compensatore (più diluito), non permettendo quindi di alzare le densità nelle zone chiare avendo così la massima latitudine di posa (GD) possibile.

Il Flusso RAW con Adobe Camera Raw (ACR)

Come avrete già intuito il DR di cui abbiamo in precedenza parlato non è nelle nostre mani, ma forse più nelle nostre “tasche”: quindi, una volta che ci siamo impossessati del mezzo più idoneo che abbia un minimo di rispetto per il nostro portafoglio, non c’è proprio più nulla che noi possiamo fare, come fa chi usa supporti a sviluppo chimico?

La risposta sta nel flusso di lavoro delle immagini RAW. Se si potesse vedere un’immagine raw a gamma lineare prima della conversione, nella visione sul monitor calibrato in base alla nostra visione si vedrebbe un’immagine scura con tutti i toni medi compressi, con l’istogramma tutto schiacciato nella parte scura. Per convertirla viene applicata una curva a S per alzare i toni medi per aprire e schiarire i toni compressi e riportarla al “nostro modo di vedere”. Quando si salva un file in tif o jpg in camera il processore della camera applica la conversione senza nessuna possibilità di intervento: ma quando la conversione è effettuata su un computer in un convertitore RAW, abbiamo la possibilità di operare con gli strumenti di aggiustamento tonale (“adjust tab” in ACR) sopra la curva di conversione, quindi modellare il tutto per aggiustare la conversione nel modo a noi più consono. Visto che gli aggiustamenti tonali vengono convertiti assieme alla curva dell’aggiustamento da lineare a codificato, in un’unica operazione si modella l’aggiustamento dell’immagine nel modo meno distruttivo possibile per arrivare a ciò che gli operatori di scansione sempre ricercano: salvare più dati possibile nell’immagine.

Ovviamente la conversione raw non riguarda solamente lo spostamento dei dati (livelli) da gamma lineare a gamma codificato, ma controlla anche l’interpretazione colorimetrica, la demosaicizzazione ed il punto bianco. Un file raw è un file che contiene valori numerici digitali della scala di luminanza (gray scale), ogni valore è accompagnato dal suo riferimento colore proveniente dai set di filtri della griglia di Bayer, specifici per quella camera. Operativamente il primo passo è di interpretazione colorimetrica: un profilo rgb “built in” (quasi sempre gamma uno) caratterizza (conferisce un significato) a quei numeri RGB associandoli a valori in uno spazio colore assoluto. (che è basato sulle caratteristiche della visione umana). Dopodiche avviene la demosaicizzazione (interpolazione) e construzione del colore esatto di un dato pixel tramite lettura dei valori di luminosità nei colori dei filtri adiacenti, per ricostruire la tonalità dei colori corrispondenti. In fine, avviene la sistemazione del punto bianco e la possibile calibratura dei tre colori primari: non importa quale punto bianco si sia scelto per lo scatto, perché come avete potuto osservare sopra, la costruzione colorimetrica del colore non è ancora stata fatta; si può dire ad adobe camera raw come sistemare il punto bianco grazie all’elegante escamotage del costruttore di ACR che ha fatto due profili che lavorano in coppia, uno con un punto bianco A (2.856K), e l’altro in D65 (6.500K) e tramite il cursore temperatura, possiamo aggiustare a nostro piacimento a seconda della temperatura colore presente sulla scena ripresa il punto bianco nativo, e anche regolare (calibrare) riprendendo l’apposito cartoncino dei colori (“color checker”) aggiustando i tre primari colore RGB dalla tab “calibrate”; in pratica, queste sono operazioni non distruttive perché i tre canali non si spostano tirando e comprimendo i toni come nell’applicativo PS (ma rimappando più gentilmente i tre canali). Quindi si indicano i tre primari e il punto bianco al momento della conversione fra lo spazio assoluto prima descritto ad uno spazio intermedio a gamma lineare (ProPhotoRGB) in cui si faranno tutte le operazioni in ACR prima della conversione allo spazio di lavoro finale scelto, a gamma codificato.

Ora veniamo al punto della questione: capita la complessità data dalle tante varianti in gioco come possiamo assicurarci più dettagli possibili ed quindi avere un buon DR in un flusso digitale?

Sensibilità ed esposizione

La sensibilità di un film nel metodo chimico dipende oltre che dalle sue caratteristiche fisiche (più sono presenti alogenuri di argento e meno sensibile è al passaggio di luce, diminuendo gli alogenuri si alza la sensibilità ma anche l’ effetto grana, che altro non è che la “fisica” visione degli alogenuri), anche dal rivelatore con cui essa viene sviluppata, dal tempo e dalla temperatura di sviluppo. Nei sensori è data dalla capacità di “catturare” fotoni e dal relativo segnale analogico, il quale amplificato rende maggiormente sensibile un sensore ma ne aumenta il “rumore”.
L’esposizione giusta viene calcolata misurando con un esposimetro incidente la luce o misurando in riflessione un cartoncino grigio medio, questo perché l’esposimetro riporta ogni valore misurato esattamente a riprodurre un grigio medio, come abbiamo visto in precedenza la zona del grigio medio è la più modificata nel passaggio di “sviluppo” nel convertitore raw da gamma lineare a gamma codificato (mentre nel sistema chimico la più modificata era la zona dei chiari), quindi ciò rende più problematico calcolare una esatta esposizione basata sul grigio medio che varia convertendo in camera o esternamente da un file raw.
Esporre con un esposimetro che riporta tutto a grigio medio, il quale subisce una maggiore variazione nella conversione dal RAW, porta a calcolare l’esposizione in relazione ai formati di files scelti in ripresa (i quali utilizzano diverse conversioni), in camera (JPG, TIFF) o successivamente nel convertitore RAW. Più corretto è calcolare dove cadranno nell’istogramma le zone chiare per tenerle al limite della sovraesposizione; ovviamente scattando in raw non si può fare guardando l’istogramma della macchina, ché riproduce la propria conversione magari anche in JPG. Conoscendo il gamma dinamico del sensore si può, misurando selettivamente le zone chiare, calcolare quanti stop aggiungere alla lettura (che riporta a grigio medio) per arrivare all’ultima zona che può registrare dettagli.

“Esporre per le Luci, Sviluppare per le Ombre”

Uno strumento in Adjust tab di ACR è fondamentale per questo nostro scopo: “exposure”, questo comando controlla il punto bianco dell’immagine, ed è in grado di recuperare quasi uno stop di dettagli nelle zone chiare, quindi riesce nel colore a ricostruire da un solo canale che conserva dettaglio gli altri 2; per avere una corrispondenza del colore esatto in quel dato punto nel grayscale, ovviamente sceglie lo stesso canale dove i dettagli esistono.

Quindi oltre al fatto che, come prima indicato, essendo questa operazione fatta in una sola azione assieme alla curva di conversione dei gamma, e tenuto conto che il sensore mette buona parte dei livelli disponibili nelle zone chiare, si capisce come in realtà la zona dei chiari sia molto meno critica di quella dei toni scuri, sapendo che possiamo recuperare quasi uno stop con gli strumenti di ACR, sovresponendo diciamo fino a 2/3 di stop (esporre per le luci), potremo registrare più dati negli scuri, e recuperando le alte luci con gli strumenti di ACR in Gamma Lineare, comprimendone i livelli verso i toni più scuri, si può “sviluppare per le ombre”.

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