Sensori, pixel e rumore

bayer-001Riprendo l’argomento del rumore prodotto dai sensori in relazione alla loro dimensione ed a quella dei pixel per illustrare con una serie di misure e di crop al 100 % i concetti illustrati nell’articolo “Sfatiamo i miti: più pixel più rumore” che in quella sede erano esposti soltanto dal punto di vista teorico.
Per fare ciò ho utilizzato i grafici di misure dell’ottimo sito DXOMark, che misura la qualità dei sensori fotografici a livello del loro output raw e che consente di confrontare fra loro le misure di 2 o più fotocamere, e le foto di test pubblicate dall’altrettanto ottimo Imaging Resource, che effettua i test fotografando sempre le stesse scene e soggetti e consentendo così un confronto fra fotocamere.

Nel precedente articolo ho illustrato le due caratteristiche principali che, a parità di tecnologia dei sensori, determinano il rumore nelle immagini da loro riprese e cioè:
1) dimensioni del sensore
2) frequenza spaziale massima riprodotta.
Le dimensioni dei pixel, sempre a parità di tecnologia non influiscono sul rumore indotto sulle immagini raw (e di conseguenza anche jpeg e tiff) risultanti.
A parità di tecnologia significa non tanto CCD o CMOS quanto livello di evoluzione della tecnologia dei sensori e dell’elaborazione dei loro segnali e delle immagini. Questa si è evoluta molto rapidamente nel tempo ed è facile vedere che fotocamere che 5 anni fa erano considerate il massimo come qualità di immagine oggi risultano abbastanza deludenti.

Per valutare quindi come si comportano i diversi sensori vediamo innanzitutto quali sono i risultati delle misure.

In relazione alla variazione del rumore con la frequenza spaziale riprodotta dal sensore mi sono sembrati interessante un grafico prodotto da Daniel Browning che ha misurato e confrontato il rumore prodotto dalle Canon D40 e D50 al variare della frequenza spaziale.
Il primo rappresenta il rumore delle due fotocamere (in ordinate) al variare della frequenza spaziale (40D in rosso, 50D in blu).

40d-50d_noisepower-norm

Come si può vedere il rumore è lo stesso fino alle frequenze spaziali comuni. La 50D poi ha un maggior rumore alle frequenze più alte della frequenza di Nyquist della 40D, fino alla sua frequenza di Nyquist. Ma per le frequenze che le due fotocamere condividono non c’è sostanziale differenza.
Per confrontare il rumore di due differenti fotocamere è necessario farlo alla medesima scala, altrimenti le misure non sono corrette. In questo esempio ricampionando la 50D per ottenere le stesse dimensioni della 40D questa ha la stessa curva di quest’ultima (40D in rosso, 50D in blu, 50D ricampionata con bicubic in giallo, 50D ricampionata con Lanczos in nero):

40d-50dresamp_noisepower-norm

Eliminare le alte freuenze il rumore è uguale a quello della 40D.

Per valutare come variano il rumore, la gamma dinamica e la risoluzione al variare delle dimensioni del sensore è opportuno riferirsi invece ai grafici delle misurazioni di DXMark e ad alcuni crop delle foto pubblicate da Imaging Resource.
DXMark effettua le misure sui file raw e per normalizzarle in modo da poter confrontare sensori di dimensioni diverse e con diverso numero di megapixel le rapporta tutte ad una dimensione standard di 8 Mpx adeguata a stampare una foto di 8×10″ (circa 20×30 cm) alla risoluzione di 300 dpi. Le misure sono quindi presentate come viste sullo schermo al 100 % (opzione “Screen”) e come stampate nel formato normalizzato (opzione “Print”). Come vedremo i dati cambiano in modo significativo da una opzione all’altra. Per tutti i confronti ho riportato i grafici delle curve SN nelle visualizzazioni “Screen”, cioè con le due immagini al 100 %, e nella visualizzazione “Print”, cioè con le due immagini normalizzate.
Per i crop ho riportato quelli con le foto della macchina con più Mpx ridotte alla dimensione di quella con meno e viceversa.

Sensori delle stesse dimensioni

Sensori con pixel di simili dimensioni e densità

Sensori con uguale numero di pixel, ma di diverse dimensioni

Conclusioni

Dai grafici e dai crop mostrati si può dedurre.

1) il rumore non varia con le dimensioni dei pixel, ma con le dimensioni del sensore e con la frequenza spaziale riprodotta
2) a parità di dimensioni dei pixel i sensori di maggiori dimensioni hanno meno rumore
3) a parità di dimensioni di sensore quelli con più pixel hanno una maggior risoluzione a parità di rumore
4) i sensori con più pixel o di uguali o maggiori dimensioni mantengono la loro maggior risoluzione anche ridimensionando verso il basso la loro immagine.

Si può concludere quindi affermando che è sempre meglio avere una fotocamera con un numero maggiore di pixel a parità di dimensioni del sensore (e di livello di tecnologia) o ancora meglio una fotocamera con un sensore più grande e numero di pixel uguale o superiore.

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17 pensieri su “Sensori, pixel e rumore”

  1. Francesco, grazie per le tue spiegazioni e gli esempi chiarissimi. Se ho ben capito allora, tra la Sony alpha 200 e la 230 è da preferire la 200 perchè ha il sensore che misura 16,0×24,0 contro 15,8×23,6 della 230, pur avendo entrambe i pixel da 6,1 micrometri e 12 bits per pixel.
    Questo a livello di grandezza del sensore. Addirittura ha le stesse caratteristiche anche l’alpha 100. Penso che per la scelta si debba valutare anche altro. Abbi pazienza ma tutto questo mi affascina, ed imparare da te (oppure da Lei?)è il massimo. Ti ringrazio.
    Lori.

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    1. Lori, cosa vuoi dire con “da Lei”‘ in rete si dice da te. per qunto riguarda la Alpha 200 e 230 entrambe sono fotocamere APS e la defferenza di qualche decimo di millimetro non è significativa. Differenze significative sono quelle fra fullframe (36×24 mm) ed APS (24×16 mm circa), oppure APS e 4/3 (18×13 mm circa). Quindi la 200 e la 230 dovrebbero dare risultati abbastanza simili però con un anno di evoluzione tecnologica in più a favore della 230.
      Ciao,
      Francesco

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      1. Anche se in rete ci si da del “tu”, l’educazione ci imporrebbe, come forma di rispetto,un bel “Lei”, anche se ti confesso di sentirmi orgoglioso di poterti dare del “tu”.
        Sulla scelta tra le due fotocamere, effettivamente la differenza dei sensori è minima e se non influisce in modo significativo allora sono da valutare altre caratteristiche.
        Per quale ragione hanno fatto le micro 4/3 se già in partenza il sensore darà risultati inferiori alle APS?
        Eppure se ne sente parlare un gran bene e si dice sia un’innovazione per le fotocamere del futuro!
        Ho letto da qualche parte che le prossime fotocamere “imprimeranno” direttamente su una scheda di memoria l’immagine vista, senza più l’interfaccia del sensore. Fantascenza, progresso tecnologico o baggianate?
        Ai posteri l’ardua sentenza. Ciao.

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  2. Lori, il sistema Micro 4/3 è una variante del 4/3, lanciato solo da Olympus e un po’ Panasonic, anche se sottoscritto da tanti. Il 4/3 è nato con l’idea di creare da zero un sistema di fotocamere ed obiettivi pensato esclusivamente per il digitale che avesser un ingombro e un peso ridotto rispetto ai sistemi APS condizionati dal dover condividere innesti e molti obiettivi con le reflex a pellicola e le fullframe. L’obiettivo non è stato raggiunto e il 4/3 non ha avuto grande successo. Per cercare di rilanciarlo è stato creato il Micro 4/3 che consente, in virtù dell’assenza dello specchio, di costruire fotocamere un po’ più compatte, però dotate solo di schermo ed eventualmente di mirino elettronico. Io non sono così sicuro che siano le fotocamere del futuro; vedremo se il mirino elettronico si diffonderà anche per le APS e le fullframe. In ogni caso la qualità rimane quella consentita dal sensore 4/3.
    Delle fotocamere che “imprimeranno” direttamente la scheda non so nulla, ma delle tue ipotesi mi sembra vera la terza.
    Ciao

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    1. Grazie, non conoscevo questa ricerca, anche se ricevo gli aggiornamenti di Hardware Upgrade. Evidentemente mi è sfuggita. Per adesso si tratta di un progetto di ricerca, vedremo se ci saranno sviluppi. La cosa positiva sarebbe soprattutto che le immagini sarebbero prodotte direttamente in digitale, e non analogicamente come avviene adesso nelle fotocamere cosiddtte “digitali”. Sto pensando di scrivere qualcosa a questo proposito.

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  3. Un piccolo chiarimento:
    Al punto 3 delle conclusioni scrivi sensori:

    -a parità di dimensioni di sensore quelli con più pixel hanno una maggior risoluzione a parità di rumore-

    Sensori di pari dimensione hanno anche pari rumosre indipendentemente dalle dimensioni dei pixell?

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    1. Sensori di pari livello di tecnologia e di pari dimensioni hanno lo stesso livello di rumore in quanto questo dipende dalle dimensioni del sensore. Se però la tecnologia cambia questo non è più vero, vedi la Canon 7D che con sensore APS da 18 Mpx ha meno rumore della Nikon D3s sempre APS e con solo 12 Mpx. Qui cambia anche la tecnologia sia del sensore (lenti gapless, ecc.9 sia evidentemente dell’hardware e software di digitalizzazione e demosaicizzazione delle foto.

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  4. Non so se ne hai parlato, ho letto il post, ma magari mi e’ sfuggito; c’e’ differenza tra CMOS e CCD per quanto riguarda il rumore?
    Ciao, Ivan

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    1. Ivan, tempo fa agli inizi della foto digitale i CCD erano migliori dei CMOS per il rapporto segnale/rumore. Poi con i miglioramenti e i progressi nella realizzazione dei CMOS, compresi i sensori retroilluminati, questa differenza si è attenuata fino a scomparire in pratica. Canon ad esempio ha da sempre adottato per le sue reflex sensori CMOS che si progetta e fabbrica per conto proprio, senza che questo desse origine a macchine con più rumore della concorrenza. Il CMOS, oltre a vantaggi legati alla semplificazione e produzione delle macchine, ha il vantaggio di una maggior velocità di lettura delle informazioni che consente velocità di raffica più alte e riprese video Full HD, cosa difficile per i CCD.
      Ciao, Francesco

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  5. Francesco, ho scoperto da poco il tuo sito, e non ti risparmio i complimenti per le tue esposizioni particolarmente chiare ed esaudienti Vorrei ora chiederti se,a proposito di sensori,pixels e rumori, hai mai sentito parlare dei cosidetti “sensori quantici”(sic!! http://www.inVisage.net), cioè, brevemente,di sensori, sempre a fotodiodi di Si, ricoperti con una sottile vernice polimerica “drogata” con nanocristalli di PbS, che consentirebbe un vistoso aumento del rendimento fotonico del sensore stesso. E le conseguenze sarebbero ovvie ed importanti, anche perchè,sempre secondo inVisage, i costi non aumenterebbero di molto. Che ne pensi? Cordiali saluti, Domenico.

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    1. Domenico, grazie per i complimenti.
      Avevo sentito parlare dei sensori quantici di InVisage quasi un anno fa. E’ un nuovo tipo di sensore che in teroria promette notevoli miglioramenti, ma bisogna vedere se poi li manterrà in pratica. La compagnia che lo ha presentato è piccola e probabilmente tende di più a vendere l’idea, se ci riesce, ad un grosso produttore piuttosto che a svilupparla. Inoltre parte dei benefici promessi sono già stati conseguiti dai sensori retroilluminati.
      Comunque staremo a vedere gli eventuali futuri sviluppi.
      Il link che hai inserito nel tuo commento però è sbagliato. Quello giusto é http://www.invisageinc.com/
      Ciao, Francesco

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  6. Posso approfittare? La mia “Vecchia” Fuji S5700 faceva foto da 7mpx nitidissime senza dover regolare praticamente niente….la mia Nikon L110, declassata da tutti, faceva foto da mare oneste, non tanto nitide ma con pochissimo rumore ma soprattutto senza dover pensare a nulla…mancavano molte possibilità manuali, una su tutte la messa a fuoco manuale…La mia (sfigata, ma in teoria adatta agli usi miei e soprattutto portabile) nuova Fuji HS20 non fa foto nitide come la S5700. Mi daresti una dritta sui settari manuali o simili? Grazie, almeno un consiglio, se hai voglia e tempo….non dirmi di venderla…

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    1. vendila 😀
      secondo me guardi le foto a tutta risoluzione, ridimensiona la tua foto e dovresti trovare la stessa nitidezza (tenendo sempre jpeg a massima qualità si intende)

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    2. Ciao Michele,
      ho la HS10 che condivide con la HS20 molti pregi e difetti: provo a fornirti qualche indicazione sperando che sia applicabile anche alla tua macchina.

      1) verifica i dati Exif delle foto: la HS10 nell’impostazione automatica ha la tendenza a salire rapidamente verso una sensibilità di ISO 800, cosicché le foto presentano molto rumore. Quando possibile imposto la modalità manuale e ISO 100

      2) aumenta un poco la nitidezza (sharpening): la macchina ha la tendenza a lasciare le immagini troppo “soffici”. Non ricordo se è possibile impostare questo parametro in macchina, oppure se occorre lavorare in post-produzione sul RAW

      3) salva le foto in formato RAW + JPEG, elabora il RAW con il software fornito da Fuji (Silkypix) e genera il JPEG: se confronti i due JPEG vedrai che in macchina viene aumentato il contrasto, saturati i colori, e l’algoritmo di riduzione del rumore tende a “spianare” i dettagli, cosicché le foto appaiono accattivanti sullo schermo della macchina, ma presentano numerosi difetti se ingrandite al computer. Purtroppo non ho trovato un’impostazione in macchina che permetta di ovviare a questo problema, quindi tengo il RAW e genero successivamente il JPEG al computer con risultati di gran lunga migliorati

      In generale, ritengo che con buona luce e senza pretese la HS10 offra risultati paragonabili a quelli di una reflex, utilizzando il RAW per risolvere in post-produzione i limiti della compressione JPEG della macchina, sfruttando lo zoom per ottenere quando possibile e desiderabile una limitata profondità di campo (cioè per ottenere lo sfondo sfocato). Se non si verificano queste condizioni, occorrono il cavalletto e lunghe esposizioni a ISO 100.

      Confesso che la HS10 mi piace e la trovo pratica, ergonomica e divertente. Rispetto alla D5100 con zoom 18-270 che ho acquistato successivamente, ha alcuni limiti ma la differenza è soprattutto nei tempi e negli sforzi necessari per ottenere buone foto: per ottenere i risultati che la D5100 offre immediatamente in modo automatico, serve olio di gomito!

      Simone

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