ⓘ Fotografia digitale. La fotografia digitale è un procedimento per lacquisizione di immagini statiche, proiettate attraverso un sistema ottico, su un dispositivo ..

Raw (fotografia)

La tecnica raw consiste in un particolare metodo di memorizzazione dei dati descrittori di unimmagine. Viene usata per non avere perdite di qualità della registrazione su un qualsiasi supporto di memoria, rispetto ai segnali catturati dal sensore e successivamente composti per interpolazione dal processore dimmagine della fotocamera nelle sue tre componenti fondamentali RGB. Basandosi su questa tecnica, le diverse case produttrici di fotocamere digitali, formattano i dati dei file Raw secondo formati proprietari. Questi possono essere diversi anche fra modelli diversi della stessa casa pro ...

                                     

ⓘ Fotografia digitale

La fotografia digitale è un procedimento per lacquisizione di immagini statiche, proiettate attraverso un sistema ottico, su un dispositivo elettronico sensibile alla luce, con successiva conversione in formato digitale e immagazzinamento su supporto di memoria.

I metodi più comuni per ottenere fotografie digitali consistono nelleffettuare la scansione di unimmagine precedentemente stampata, oppure sotto forma di negativo o diapositiva, con uno scanner dimmagini oppure di effettuare uno scatto con una fotocamera digitale.

                                     

1. Sensori

Per ottenere unimmagine digitale, in ogni caso, occorrono un certo numero di dispositivi in grado di trasformare lintensità di luce riflessa proveniente da diverse parti di una scena o di unimmagine cartacea. Dunque, sia in uno scanner, sia in una fotocamera, lelemento in grado di svolgere questa funzione è il sensore, il quale ha forma diversa a seconda si tratti di scanner o fotocamera digitale. La funzione che svolge il sensore allinterno di una fotocamera digitale è analogo a quello che svolge la pellicola nella fotografia tradizionale. Da questo si comprende agevolmente come la parte ottica di focalizzazione dellimmagine sulla superficie del sensore mantenga, nella fotografia digitale, un ruolo centrale, essendo responsabile della risoluzione delle immagini che si ottengono e contribuendo alla loro qualità. La tecnologia con la quale i sensori possono essere realizzati è riconducibile, sia nelle fotocamere, sia negli scanner, a due tipologie diverse:

  • CCD Charge Coupled Device
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor.

Va tuttavia notato che negli scanner è largamente diffusa ladozione della tecnologia CCD. Altro fattore di distinzione delle tecnologie è la metodologia di lettura dei segnali elettrici in uscita dai sensori:

  • Area array
  • Linear array

In estrema sintesi, un sensore area array legge lintera immagine, mentre un sensore linear array lavora con modalità simile a quella di uno scanner.

                                     

2. Funzionalità e connettività

Fatta eccezione per alcuni modelli del tipo linear array in fascia alta e per le webcam in fascia bassa, viene utilizzata una memoria digitale di solito una scheda di memoria; i floppy disk e i CD-RW sono molto meno comuni per memorizzare le immagini, che possono essere trasferite su PC in seguito.

La maggior parte delle macchine fotografiche digitali permettono di realizzare filmati, talvolta con sonoro. Alcune possono essere utilizzate anche come webcam, altre supportano il sistema PictBridge per connettersi direttamente alle stampanti, altre ancora possono visualizzare le fotografie direttamente sul televisore. Quasi tutte includono una porta USB o FireWire port e uno slot per schede di memoria.

Praticamente tutte le macchine fotografiche digitali permettono di registrare video, ovviamente limitate alla memoria disponibile. Una scheda di memoria da 1 GB può memorizzare approssimativamente unora di video in formato MPEG-4 in bassa risoluzione, a 640x480 pixel. I modelli più recenti possono catturare fotogrammi ad una frequenza di 60 immagini/secondo con una risoluzione pari al Full HD, cioè di 1920x1080 pixel o addirittura superiore. Un filmato di 1 ora in Full HD e audio stereo può arrivare ad occupare oltre 16 GB di memoria variabile a seconda della compressione effettuata dalla fotocamera. La maggior parte possono registrare laudio, spesso anche in stereo, ed essere comandate in remoto dal PC, e ovviamente, memorizzare i video sullhard disk o su DVD tramite il masterizzatore.

Nei paragrafi che seguono la discussione verterà primariamente sulla fotografia digitale come prodotto di riprese con fotocamera digitale.

                                     

3. Prestazioni

La qualità di una foto digitale prodotta da una fotocamera digitale è la somma di svariati fattori, alcuni riconducibili alle macchine fotografiche reflex. Il numero di pixel di solito indicato in megapixel, milioni di pixel è solo uno dei fattori da considerare, sebbene sia di solito quello più marcato dalle case di produzione.

Il fattore più critico è comunque il sistema che trasforma i dati grezzi raw data in unimmagine fotografica. Da considerare vi sono anche, ad esempio:

  • il sistema di elaborazione interno: memoria di buffer, algoritmi di elaborazione immagine.
  • il sensore utilizzato: CMOS, CCD, che fra laltro gioca un ruolo centrale nella ampiezza della gamma dinamica delle immagini catturate, sul modo in cui viene catturata limmagine acquisizione simultanea o acquisizione a scansione progressiva.
  • la qualità delle ottiche: distorsione aberrazione sferica, luminosità, aberrazione cromatica. vedi Lente o Obiettivo fotografico;
  • il formato di cattura: numero di pixel, formato di memorizzazione


                                     

3.1. Prestazioni Numero di pixel e qualità delle immagini

Lanalisi del rapporto fra numero di pixel e qualità delle immagini è uno dei temi centrali per capire quali sono gli elementi che danno valore ad una fotocamera digitale ed alle fotografie da essa prodotte. Si cercherà dunque di dare quelle informazioni che permettono di condurre unanalisi dei fattori di qualità di unimmagine digitale.

Il numero dei pixel è un parametro che sta ad indicare la risoluzione cioè è un indicatore del più piccolo dettaglio della scena fotografata e registrato dalla fotocamera digitale. Questo è uno dei fattori che determina la nitidezza dellimmagine.

Per valutare la qualità complessiva dellimmagine, oltre alla dimensione del dettaglio fotografabile tanto più piccolo, quanto più grande è la risoluzione, occorre invocare numerosi altri fattori, come la fedeltà cromatica di ogni pixel infatti il pixel contiene il valore che esprime il preciso colore del particolare elementare dellimmagine che esso rappresenta – vedi il paragrafo sulla "fedeltà cromatica-profondità colore" e la qualità delle ottiche e dei sensori.

In unimmagine digitale il numero di pixel viene calcolato semplicemente moltiplicando il numero di pixel della base dellimmagine per il numero di pixel dellaltezza. Ad esempio unimmagine di 1.92 Megapixel equivalenti a 1.920.000 pixel sono il risultato di unimmagine di 1600x1200 pixel. Il megapixel, letteralmente "milioni di pixel" è un multiplo del pixel mega=1 milione, unità di misura adeguata ed utile a comprendere la quantità totale di pixel presenti nel sensore. Il valore indicato è comunque approssimativo in quanto una parte dei pixel in genere quelli periferici del sensore servono al processore dimmagine per avere informazioni sul tipo di esposizione ad esempio sulla luminosità della scena e ricoprono in pratica il ruolo di "pixel di servizio". Dunque un sensore può essere dotato di 9.20 megapixel, ma registrare immagini di 9.10 megapixel senza approssimazione i valori potrebbero essere 9.106.944 pixel, che corrispondono ad unimmagine di 3.488 x 2.616 pixel. La maggior parte delle macchine fotografiche digitali compatte è in formato 4:3 1600x1200, 800x600. Mentre nelle reflex digitali DSLR=Digital Single Lens Reflex e in alcune fotocamere compatte con obiettivo non intercambiabile di fascia alta "SLR-like" o anche chiamate "prosumer" si può impostare sia il formato 4:3, sia il rapporto classico 3:2 delle fotocamere a pellicola. Alcuni modelli recenti, anche di fascia media, permettono di fotografare in formato widescreen, cioè in 16:9.

Per quanto riguarda i sensori va detto che gli indici di qualità sono almeno i seguenti:

  • velocità di cattura delle immagini
  • capacità di produrre immagini di alta qualità

Un approfondimento delle caratteristiche che attribuiscono qualità ai sensori si trova nel paragrafo "Il sensore" della voce correlata fotocamera digitale. Sulla questione, inoltre, della velocità di cattura delle immagini, un ruolo strettamente collegato a questa prestazione lo svolge il processore dimmagine, un microcalcolatore dedicato alla elaborazione dei dati provenienti dal sensore che permette la formazione dellimmagine fruibile per la visione nei vari formati che la fotocamera può realizzare. A questa funzione necessaria alla realizzazione dellimmagine, si affianca anche quella di governo degli automatismi di funzionamento della fotocamera. Questultima funzione può essere integrata nello stesso processore o, separatamente, in un altro processore.

                                     

3.2. Prestazioni Photosite e pixel / Sensore e immagine

Come anticipato sopra, occorre fare delle distinzioni concettuali fra alcuni elementi che costituiscono il sensore per analizzare alcuni fattori di qualità della fotografia digitale ed anche per capire il sistema fotografico digitale. Pertanto le descrizioni che seguono relative a photosite, elemento unitario fotosensibile o photodetector e pixel si ritengono necessarie per chiarire, sia la modalità di funzionamento dei vari tipi di sensori usati in fotografia digitale, sia per evitare confusione e quindi fraintendimenti sulla reale risoluzione delle immagini prodotte con i vari sensori. La risoluzione è infatti uno dei fattori più evidenziati nelle caratteristiche delle fotocamere digitali, ma dalla analisi delle caratteristiche tecniche, sia di fotocamere, sia specificamente di sensori, questa distinzione non è sempre chiaramente ed univocamente dichiarata.

Nelle specifiche tecniche, probabilmente per ragioni di marketing, non distinguere pixel da photodetector consente di indicare valori numerici maggiori, fatto, questo, che forse si ritiene abbia più efficacia in termini di comunicazione commerciale. Infatti viene nascosto al cliente la dimensione del sensore, pubblicizzando il numero di pixel che sono così fitti da essere più piccoli di unonda di luce, ciò causa una perdita di qualità in presenza di luce scarsa nei sensori più piccoli e più finemente suddivisi. Ciò spiega la notevole differenza di prezzo e qualità dimmagine specie con luce scarsa fra le fotocamere compatte dal sensore più piccolo e reflex di sensore più grande di pari pixel.

                                     

3.3. Prestazioni Il photosite

Per comprendere i fattori che determinano la qualità delle immagini dal punto di vista del sensore occorre considerare specifici elementi tecnologici dei sensori che impongono la introduzione del concetto di "photosite" che può essere definito come luogo di cattura del più piccolo dettaglio dellimmagine".



                                     

3.4. Prestazioni Distinzione fra pixel e photosite

Il pixel è un concetto informatico, che appartiene quindi alla categoria del software e il suo contenuto informativo è un gruppo di dati che descrive le caratteristiche cromatiche del più piccolo dettaglio dellimmagine.

Il "photosite", invece, è un luogo fisico, appartenente quindi alla categoria dellhardware. Si tratta dunque di uno spazio con uno o più elementi fotosensibili a semiconduttore che sono in grado di trasformare un flusso luminoso in una determinata quantità di cariche elettriche. Nel photosite inoltre è presente generalmente un microscopico sistema ottico che sovrasta il photodetector formato da un piccolo cristallo con forma a calotta quasi-sferica avente la funzione di catturare la maggior parte di luce possibile di quella incidente sulla superficie del sensore. Talvolta questo cristallo o resina trasparente è un elemento unitario colorato "R" o "G" o "B" del filtro Bayer, il cosiddetto C.F.A. Color Filter Array.

Il photosite è inoltre la parte unitaria di un luogo più ampio che è chiamato generalmente sensore. Le caratteristiche del photosite permettono di capire, sia dal punto di vista elettrico, sia da quello ottico, il modo con cui vengono catturati i singoli elementi che formano le immagini.



                                     

3.5. Prestazioni Lelemento unitario fotosensibile fotorivelatore

La funzione dellelemento fotosensibile chiamato anche fotorivelatore è quella di trasformare un flusso luminoso in un segnale elettrico di intensità proporzionale alla intensità del flusso luminoso in quel punto. In entrambe le tecnologie CCD e CMOS lelemento unitario fotosensibile riesce dunque a registrare solamente livelli di intensità di luce monocromatica.

Poiché ogni colore può essere riprodotto dalla mescolanza di tre componenti primarie della luce, dallelemento unitario fotosensibile occorre ottenere un segnale elettrico relativo alla componente R o alla componente G o a quella B. Questo lo si ottiene filtrando la luce che investe lelemento fotosensibile con filtri ottici in modo che su di esso giunga solamente la componente desiderata. Questo principio vale per tutte le tecnologie costruttive e per tutte le tipologie di sensori.

Nelle fotocamere digitali possiamo trovare sensori aventi photosite che hanno un solo fotorivelatore, due o tre fotorivelatore. Poiché ogni pixel, come si può comprendere nel paragrafo successivo, deve contenere informazioni, dati, su ognuna delle tre componenti primarie della luce, è evidente che se in un photosite si trova un solo fotorivelatore, occorrerà calcolare per interpolazione cromatica i dati relativi alle due componenti mancanti; se nel photosite vi sono tre fotorivelatori ogni componente monocromatica primaria sarà rilevata e nulla andrà calcolato.

Vi è al momento un particolare tipo di sensore il Super CCD SR a marchio Fuji che ha due fotorivelatori specializzati in ogni photosite. Questi però non catturano due componenti cromatiche diverse, ma due intensità diverse di flusso luminoso della stessa componente cromatica. In questi sensori – dotati di Color Filter Array C.F.A. – leffetto che si ottiene con una tale struttura dei photosite è quello di avere una gamma dinamica maggiore nelle immagini catturate.

                                     

3.6. Prestazioni Il pixel

I dati dellimmagine finale sono composti dai dati elementari dei singoli pixel. Per comprendere come viene formata limmagine finale, occorre innanzitutto spiegare per quale ragione, riconducibile a fenomeni fisici, i pixel possono descrivere le caratteristiche cromatiche il colore di quel dettaglio dellimmagine.

Va premesso che un modo per riprodurre qualunque colore nello spettro della luce visibile dal rosso cupo al violetto è quello di proiettare tre raggi di luce relativi alle tre componenti monocromatiche ROSSE R, VERDI G E BLU B dosandoli adeguatamente in intensità per ottenere il colore voluto. Questo metodo di sintetizzare i colori ogni colore con la luce si chiama mescolanza o sintesi additiva e si attua con i tre colori primari della sintesi additiva RGB: Rosso-R Verde-G Blu-B. Quando invece si ha a che fare con mescolanza di pigmenti si parla di sintesi o mescolanza sottrattiva ed i tre colori base sono CMYK, ovvero Ciano C, Magenta M e Giallo Y, che sono i tre colori complementari del Rosso Verde e Blu. La sintesi sottrattiva è quella usata in stampa anche domestica dove si aggiunge inoltre un inchiostro con un colore chiave K=key, il nero, per compensare le inevitabili impurità di colore dei tre pigmenti CMY al fine di migliorare la fedeltà cromatica delle tonalità scure delle immagini. Un file di immagini destinato alla fruizione su monitor pubblicazione su internet o su dispositivi di proiezione avrà dunque uno spazio dei colori diverso da un file di immagini destinato ad una tipografia che stampa in quadricromia. Nel primo caso lo spazio colore sarà RGB, nel secondo sarà CMYK.

Lo spazio colore è un modello matematico che descrive le possibilità di riprodurre in modo percepibile dallocchio umano tutte le tonalità della luce visibile, vi sono dunque spazi colore diversi per diversi dispositivi che possono riprodurre i colori. Per quanto riguarda lRGB si ha la variante sRGB e la variante AdobeRGB che differisce dalla prima per la sua capacità di rappresentare una gamma cromatica più ampia.

Le fotocamere digitali producono normalmente immagini con una delle varianti RGB. I sistemi professionali di elaborazione delle immagini hanno tuttavia la possibilità di convertire fedelmente dei file di immagini digitali da uno spazio colore ad un altro. Per consentire la formazione di unimmagine fotografica digitale fedele, ogni pixel deve contenere quindi informazioni dati su ognuna delle tre componenti RGB.

Quella che segue è la rappresentazione della struttura dei dati binari allinterno di un pixel RGB per unimmagine avente profondità colore 24 bit:

Per valori numerici elevati di ogni canale cromatico, tendenti cioè al valore decimale 255, si ha la massima intensità del rispettivo colore saturo, mentre valori decimali su ogni canale tendenti a zero corrispondono a colori di ogni canale tendenti al nero. Valori numerici del singolo pixel "0 R, 0 G, 0 B" corrispondono ad un pixel rappresentante il nero; valori "255 R, 255 G, 255 B" corrispondono ad un pixel rappresentante il bianco.

I dati binari del pixel RGB nel caso sopra riportato sono composti da tre byte in totale =24 bit, il dato della profondità colore ha qui la sua origine. Questo corrisponde ad un byte per ogni canale colore. Nel caso il pixel appartenga ad un file di tipo CMYK esso sarà composto in totale da quattro byte =32 bit, pari a un byte per ogni canale colore.

Nel caso di immagini campionate a 16 bit, invece che a 8 bit, come nel caso esposto, la struttura dei dati binari del pixel prevederà la presenza di due byte =16 bit per ogni canale colore, così che il pixel di un file RGB sarà composto da 48 bit in totale. In altri termini si può parlare, in questo caso, di pixel per formare unimmagine con profondità colore di 48 bit.

                                     

3.7. Prestazioni Il pixel nelle periferiche di input e di output

Le caratteristiche del pixel permettono quindi, acquisendo molti pixel, di comporre i dati necessari a formare lintera immagine per mezzo di periferiche di output come monitor, stampanti, ecc.

Come si è visto nelle periferiche di input come le fotocamere e gli scanner lelemento hardware elementare di acquisizione dei dati del pixel è il photosite, mentre nelle periferiche grafiche di output, lelemento hardware elementare, complementare al photosite, che riproduce i dati del pixel, è chiamato dot "punto" in inglese. I dots che vanno a formare limmagine saranno costituiti fisicamente in modo diverso a seconda che si tratti di un monitor CRT o LCD, così come sarà ancora diverso se si tratta di una stampante laser o inkjet o di qualunque altra periferica, così come diversi saranno i procedimenti di formazione del pixel e dellimmagine finale usati nei vari tipi di periferiche di output.

                                     

4. Sistemi di acquisizione

Nelle fotocamere digitali sono sostanzialmente tre i metodi con cui si forma limmagine:

  • quello dei sistemi basati sui sensori a marchio Foveon
  • quello dei sistemi basati sui sensori Fujifilm "Super CCD SR" con CFA
  • quello dei sistemi basati sul color filter array – CFA
                                     

4.1. Sistemi di acquisizione Sistemi con CFA

Nei sistemi con color filter array con Filtro Bayer RGB o RGB-E - che possono essere costruiti sia in tecnologia CCD o C-MOS – ogni photosite ha un solo elemento fotosensibile e cattura una sola delle tre componenti, in questo modo le altre componenti di ogni pixel devono essere calcolate dal processore dimmagine attraverso una procedura di interpolazione. Così il prodotto finale di una fotocamera per es. da 3.4 megapixel è un file con 3.4 megapixel dove ogni pixel ha le tre componenti RGB, ma una è realmente catturata dallelemento fotosensibile e due calcolate. Un approfondimento sul funzionamento di questi sensori si trova alla voce correlata Raw. Per chiarire invece le diverse modalità di interpolazione adottate in fotografia digitale si rimanda al paragrafo interpolazione della voce correlata Fotocamera digitale.



                                     

4.2. Sistemi di acquisizione Sistemi basati su Foveon

I sistemi sono basati su un sensore a cattura dimmagine diretta. Questo è costruito con tecnologia CMOS dalla FOVEON e denominato X3. Questo è il suo funzionamento: ogni photosite, formato da tre fotorilevatori, fornirà successivamente i tre dati cromatici che daranno origine al pixel. In questo modo il photosite fornisce le tre componenti del modello di colore RGB. Questo è possibile, grazie alla costruzione dei fotorivelatori su tre layer strati per ogni photosite il quale fornirà i dati per ogni pixel che comporrà limmagine finale. Quindi, si tratta di un sensore da 4.64 Mpixel, con una risoluzione dimmagine di 2640 x 1760 pixel), prodotta però da un sensore con 14.1 milioni di fotorivelatori collocati in 4.64 milioni di photosite, ma nelle descrizioni introduce il concetto di photosite.

                                     

5. Fedeltà cromatica – profondità colore

La percezione della qualità cromatica delle immagini dipende da più elementi:

  • La fedeltà dei colori registrati è sempre percepita attraverso il lavoro di una periferica. Finora infatti sè parlato solamente della fedeltà con la quale le immagini vengono catturate, elaborate e registrate, ben sapendo tuttavia che la fedeltà della visualizzazione – e di conseguenza della percezione – deriva anche da altri fattori che dipendono dalla fedeltà con la quale le periferiche di output forniscono immagini visibili. Queste presentano problematiche diverse relativamente alla fedeltà cromatica come il gamut di visualizzazione inteso come area dello spazio colore riproducibile da quella periferica, e come la profilazione della periferica stessa attraverso luso dei profili colore ICC e ICM che in ultima analisi sono file di dati che permettono la correzione nella periferica del colore visualizzato. Ad esempio, se con determinati dati di colore presenti in unimmagine, la periferica non riesce a riprodurli fedelmente secondo loriginale fotografato, o secondo tabelle di riferimento cromatico oggettivo, il profilo colore apporterà le necessarie correzioni alla periferica perché con i dati cromatici di quel file si ottengano le giuste corrispondenze cromatiche nellimmagine da visualizzare.
  • La fedeltà con la quale vengono catturati e registrati i dati di colore delle immagini. Questi sono compresi nel cosiddetto "spazio colore" adottato sRGB o AdobeRGB ed anche la diversa ampiezza dei due spazi colore può condizionare la fedeltà cromatica dellimmagine registrata.
  • La fedeltà dei colori dipende comunque in modo rilevante anche dalla profondità colore con cui è registrato un file. Questo è un parametro che indica il dettaglio cromatico cioè lintervallo minimo possibile fra due gradazioni di colore. Maggiore è la profondità colore che si indica in bit, minore è lintervallo fra due gradazioni di colore contigue. La trattazione più dettagliata relativa alla profondità colore si trova nella voce correlata Raw.
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