Sfatiamo i miti: più pixel più rumore

bayer-001Una delle convinzioni più diffuse fra i fotografi “esperti” è che più pixel ha un sensore e più questi sono piccoli più è alto il rumore che questo produce e quindi minore è la qualità di immagine in particolare alle alte sensibilità.
Questa è una nozione che li fa sentire superiori a coloro che, non esperti di fotografia, giudicano le fotocamere solo in base al numero di megapixel e pensano che quella che ne ha di più sia la migliore.
Purtroppo però questa idea promossa dal 99 % delle riviste, dei siti web e dei fotoamatori non è vera. E se non è sempre vero che una fotocamera che ha più megapixel sia migliore di una che ne ha meno, in molti casi è proprio così.


Spesso quando i produttori presentano nuove fotocamere con più megapixel del precedente modello le maggiori critiche che si leggono sui forum e anche sui test on-line riguardano il fatto che il maggior numero di pixel, più piccoli, degradano la qualità d’immagine e soprattutto aumentano il rumore. E’ successo recentemente per le Canon 40D e 50D e per molte altre fotocamere.

Vediamo perchè e come si è generata questa credenza.
Il ragionamento usato per concludere che pixel piccoli sono peggiori di pixel grandi è basata su due affermazioni:
 1) un singolo pixel isolato, quando è ridotto come dimensioni, ha una sensibilità inferiore, più rumore e minore capacità di assorbire luce.
 2) quindi un sensore di una determinata dimensione contenente molti pixel piccoli ha più rumore e minor gamma dinamica che un sensore della stessa dimensione contenente meno pixel più grandi.
Queste affermazioni sono sbagliate.
Il rumore di una foto è nei fotoni incidenti e non nei pixel. Se si considerano i fotoni incidenti in una determinata area il rumore sarà sempre lo stesso indipendentemente se questa è divisa in 1, 2, 4 o 1000 pixel. Poichè il esgnale di output si somma linearmente, mentre il rumore si somma secondo la radice quadrata, il risultato finale per una determinata area è sempre lo stesso a livello di rumore. Anche il voltaggio in uscita è lo stesso indipendentemente dalla grandezza dei pixel. Infatti il voltaggio all’uscita del pixel e transistor associato dipende del numero di fotoni raccolti, cioè dalla sua grandezza, ma anche la capacità del pixel è proporzionale alla sua grandezza, quindi il voltaggio di uscita è sempre lo stesso e non dipende dalla grandezza del pixel. I pixel più piccoli non richiedono perciò una maggior amplificazione del segnale e di conseguenza non producono maggior rumore.
In realtà il concetto è che il rumore è funzione della frequenza spaziale. Una breve spiegazione di quanto accade è che la quantità di luce che cade su un sensore non cambia a secondo della grandezza dei pixel. Pixel grandi o piccoli registrano indifferentemente la luce che cade in certe posizioni. Entrambi riproducono lo stesso ammontare totale di luce. Quando pixel piccoli e pixel grandi sono messi a confronto sullo stesso output finale, i pixel piccoli hanno le stesse prestazioni di quelli grandi.
La frequenza spaziale è il livello di dettaglio di un’immagine. Per esempio un crop al 100 % di un’immagine da 15 Mpx ha una frequenza spaziale molto alta (dettagli fini), mentre il crop di un’immagine da 6 Mpx ha una frequenza spaziale più bassa (dettagli più grandi). Le frequenze spaziali più alte hanno un maggior rumore di quelle più basse, ma alla stessa frequenza il rumore è lo stesso, indipendentemente dalla grandezza dei pixel. Una immagine con molti megapixel può essere sempre ridimensionata allo stesso livello di dettaglio di una immagine con pochi megapixel. E’ quindi sempre possibile ottenere un’immagine con molti megapixel con lo stesso livello di rumore di un immagine con pochi, quindi è sempre possibile ottenere un’immagine ad alta risoluzione con lo stesso livello di rumore di un immagine a bassa risoluzione.
L’idea che i pixel più piccoli producano maggior rumore deriva da una serie di valutazioni eseguite in modo sbilanciato su elementi differenti e precisamente:
– diverse frequenza spaziale
– dimensioni del sensore differenti
– elaborazione differente
– aspettative errate
– tecnologia differente

Analizziamo in dettaglio questi elementi.

Diverse frequenze spaziali

Il confronto fra crop al 100 % da fotocamere con differente risoluzione è l’errore più comune. Ciò comporta l’ingrandimento delle due immagini a livelli diversi. Sarebbe come esaminare una delle due con una lente con l’ingrandimento 2x e una con l’ingrandimento 8x. Ad esempio un’immagine da 12 Mpx visualizzata su uno schermo a 1024 pixel equivale ad una dimensione di visualizzazione di 120×80 cm, mentre una di 24 Mpx equivale a 180×120 cm.
E’ necessario quindi ridimensionare le immagini alla stessa grandezza per poterle confrontare. Questo è ciò che ho fatto, ad esempio, nel confronto fra la Nikon A700 e la Sony A900.
Le misure standard per le caratteristiche di un sensore come il rumore, la sensibilità, la gamma dinamica sono misurate a livello di pixel. Il problema con queste misure è che pixel di dimensioni differenti hanno una differente frequenza spaziale. Non è possibile quindi usare le misure fatte su un singolo pixel per un confronto fra sensori di differente risoluzione perchè i loro pixel coprono frequenze spaziali completamente diverse.
Usare quindi crop al 100 % per confrontare due sensori con un numero di pixel differente è come confrontare la MTF di due obiettivi a differenti frequenze. Se hanno la stessa curva MTF ma se ne misura uno a 50 l/mm e l’altro a 100 l/mm si può avere l’impressione che uno sia migliore dell’altro. Pochi fanno quest’errore confrontando due obiettivi, ma il 99 % lo fa confrontando le immagini a livello di pixel. Le prestazioni a livello di pixel, come la MTF, non possono essere confrontate senza tener conto delle differenti frequenze spaziali. Se per esempio si confrontano due crop di immagini di fotocamere con lo stesso sensore, ma con differente risoluzione (numero di pixel) si vedrà che il crop della fotocamera con pixel piccoli copre un’area molto più piccola e frequenze spaziali più alte (maggior risoluzione) del crop dalla fotocamera con pixel più grandi. Entrambe sono confrontate alla loro frequenza di Nyquist, che non è la stessa.

Sensori di dimensioni diverse

E’ sempre necessario considerare l’impatto delle dimensioni del sensore. La più comune forma di errore su questo argomento è:
 1) le compatte hanno più rumore che le DSLR
 2) le compatte hanno pixel più piccoli delle DSLR
 3) perciò i pixel piccoli sono la causa del maggior rumore.

L’errore logico è che questa è una correlazione, non una casualità. Il ragionamento può essere corretto sostituendo l’espressione “pixel più piccoli” con “sensori più piccoli”. Non sono i pixel piccoli che causano maggior rumore, ma i sensori piccoli. Un sensore da compatta con pixel molto grandi (es. da 0,24 Mpx) non sarà mai superiore ad un sensore fullframe con pixel molto piccoli (es. da 24 Mpx).

Elaborazione differente

L’errore più comune in questo caso è affidarsi all’elaborazione della fotocamera che produce i Jpeg. Un altro è pensare che qualunque convertitore raw tratterà due immagini da differenti fotocamere nello stesso modo, mentre nessuno lo fa. Per esempio molti convertitori usano un differente valore di riduzione del rumore per differenti fotocamere anche se la riduzione di rumore è impostata sullo zero. Inoltre, anche se il convertitore usato si comporta sempre allo stesso modo, il metodo che usa può essere più adatto per un tipo di sensore piuttosto che per un altro.
La soluzione migliore per superare queste difficoltà è misurare direttamente il raw prima della conversione come fa DXOMark.

Aspettative errate

Se ci si aspetta che una fotocamera che ha una risoluzione maggiore del 50 % sia capace di produrre stampe del 50 % più grande senza nessuna modifica del rumore visibile nelle stesse condizioni di illuminazione questa è un’aspettativa errata. Se invece ci si aspetta per la stessa grandezza di stampa nelle stesse condizioni di luce lo stesso rumore questa è un’aspettativa corretta. Queste condizioni di visualizzazione sono arbitrarie, ma non supportano l’affermazione che “i pixel piccoli producono più rumore”

Tecnologia differente

Se si confronta una fotocamera di 5 anni fa con una dello scorso anno non dovrà sorprendere che la più nuova sarà migliore della più vecchia. In ogni caso non sarà mai possibile confrontare due fotocamere con la stessa tecnologia perchè anche fra ue esemplari della stessa macchina ci sono tolleranze di fabbricazione che provocano differenze. Non per questo non si devono fare test e confronti, ma bisogna essere consapevoli che ci sono delle differenze.

Il fatto che le compatte presentano un maggior rumore delle reflex è dovuto alle dimensioni dei sensori utilizzati non alle dimensioni dei pixel. I sensori delle reflex sono molto più grandi di quelli delle compatte.
Un sensore più grande innanzitutto ha una maggior gamma dinamica di uno più piccolo. Infatti ipotizziamo di avere due sensori con un rapporto dimensionale di 2:1. Per riprendere la stessa foto il sensore più grande richiede un fattore moltiplicativo 2x. Per la stessa esposizione (stesso valore f-stop) il suo diaframma ha un diametro doppio e un area 4 volte più grande. Perciò la luce che arriva su di esso è 4 volte maggiore. L’ulteriore fattore che influenza il risultato è il rumore di lettura che è una determinata quantità per ciascun pixel. Ipotizziamo che i due sensori siano progettati con la stessa tecnologia. Il sensore più piccolo ha ad esempio 6 Mpx, quello più grande 24 Mpx. Assumiamo che ciascun pixel abbia un rumore di lettura di 4 elettroni. Se confrontiamo la gamma dinamica della stessa porzione di immagine un singolo pixel del sensore piccolo raccoglie ad esempio 64000 elettroni. La sua gamma dinamica è 64000/4=8000. I quattro pixel del sensore più grande raccolgono 256000 elettroni. Il rumore di lettura combinato per loro è proporzionale alla radice quadrata del rumore del singolo pixel, cioè sqrt(4*16)= 8 elettroni, e la gamma dinamica è 256000/8=16000. Perciò senza modificare la grandezza dei pixel la gamma dinamica si è incrementata di un f-stop per un sensore di dimensioni due volte più grande. Quindi la gamma dinamica non dipende dalle dimensioni dei pixel, ma da quelle del sensore.
Pe quanto riguarda la saturazione ipotizziamo di avere due sensori delle stesse dimensioni, ma uno con quattro volte il numero di pixel dell’altro. Ciascun pixel grande un quarto ha un quarto di capacità, ma siccome occupa anche un quarto di area, per la stessa illuminazione solo un quarto dei fotoni cadrà su di esso. Quindi andrà in saturazione alla stessa esatta quantità di illuminazione del pixel più grande.
Il fatto che si veda più rumore nei sensori piccoli delle compatte dipende dalla grndezza ridotta del sensore rispetto alle reflex e non dalla grandezza dei pixel.
La situazione per cui nelle foto fatte con un sensore piccolo di una compatta spesso il rumore si vede in blocchi e macchie e non a livello di singoli pixel è dovuto agli algoritmi di demosaicizzazione applicati ai sensori Bayer quando il segnale è trasformato da analogico a digitale e poi alla riduzione di rumore applicata nella conversione da raw in jpeg. Questi influenzano i pixel vicini a gruppi, in quanto le informazioni prodotte dal singolo pixel nei sensori Bayer sono interpolate per riprodurre i colori che questo non registra, creando i blocchi di rumore. Un altro fattore che rende maggiormente evidente il rumore è, a parità di pixel fra un sensore piccolo e uno grande, il maggior ingrandimento a cui sono sottoposte le immagini del sensore piccolo quando sono visualizzate sullo schermo o stampate a parità di dimensioni.
Se si confrontano poi le immagini a livello di jpeg queste sono influenzate anche dagli algoritmi di riduzione del rumore applicati dai produttori per ottenere immagini con meno rumore e che, soprattutto, risultino più pulite nei confronti fatti a livello di pixel con crop al 100 % dal 99 % dai siti internet e delle riviste fotografiche che provano le fotocamere.
Per valutare correttamente le qualità di un sensore è necessario quindi misurare l’immagine prodotta a livello raw, come fa DXOMark, normalizzandola a livello di dimensioni di output. Ciò si può verificare confrontando le misure effettuate da DXOMark per diverse fotocamere clickando sul tasto “Print” quando si effettuano i confronti. Ciò normalizza le dimensioni delle immagini come indicato sul sito stesso. In questo modo si può vedere che i sensori di pari dimensioni con un numero maggiore di pixel non hanno più rumore di quelli con meno pixel e una gamma dinamica uguale (es. Nikon D3x e D3).
Questa operazione è ciò che ho fatto nel confronto fra la Nikon D700 e la Sony A900 nel quale purtroppo ho dovuto utilizzare immagini jpeg, non da me prodotte. Se mi sarà possibile farò in futuro un confronto analogo, fra fotocamere con uguale sensore, partendo da immagini in formato raw. Ciò dimostrerà che la fotocamera con un maggior numero di pixel ha lo stesso rumore, a parità di frequanza spaziale, ma che produce maggiori dettagli in virtù del maggior numero di pixel e quindi della maggior frequenza spaziale a cui può arrivare.

Il seguito di questo articolo, con grafici, misure e crop al 100 % è nell’articolo “Sensori, pixel e rumore

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117 pensieri su “Sfatiamo i miti: più pixel più rumore”

  1. si ovviamente 50 mega saranno meglio di 24, ma 24 penso siano più che sufficienti per me, anche per non appesantire l’hd con file enormi, la mia attuale macchina ne ha 16 ma su sensore molto più piccolo. A proposito, la mia macchina pur avendo 16 mega il jpeg è sempre attorno ai 7-8 mega, come mai? la macchina applica una compressione?

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