{"id":372,"date":"2008-08-20T23:27:24","date_gmt":"2008-08-20T21:27:24","guid":{"rendered":"http:\/\/www.boscarol.com\/blog\/?p=372"},"modified":"2018-02-20T12:27:39","modified_gmt":"2018-02-20T11:27:39","slug":"risposta-del-sensore","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.boscarol.com\/blog\/?p=372","title":{"rendered":"Risposta del sensore"},"content":{"rendered":"<p>I <em>photosite<\/em> non hanno una capacit\u00e0 infinita di assorbimento dell&#8217;irradianza, cio\u00e8 dei fotoni, che ricevono. Durante il tempo di esposizione il <em>photosite<\/em> assorbe fotoni fino ad un livello di <span style=\"text-decoration: underline;\">saturazione<\/span> oltre il quale i fotoni non vengono pi\u00f9 assorbiti.<\/p>\n<p>In funzione dei fotoni assorbiti, ogni\u00a0<em>photosite<\/em> risponde con l&#8217;accumulo di elettroni, un elettrone per ogni fotone catturato.\u00a0Dopo l&#8217;esposizione, i foto-elettroni accumulati sono convertiti in un segnale elettrico in proporzione al loro numero.<\/p>\n<p>La risposta del\u00a0<em>photosite<\/em> \u00e8 lineare rispetto ai fotoni assorbiti (cio\u00e8 il numero di elettroni emessi \u00e8 proporzionale al numero di fotoni assorbiti)\u00a0fino a circa 80% della sua saturazione.\u00a0La\u00a0<em>charge capacity<\/em> \u00e8 il massimo livello di carica in cui la risposta del sensore \u00e8 ancora lineare.<\/p>\n<p>D&#8217;altra parte il <em>photosite<\/em> \u00e8 sensibile non solo alla radiazione visibile ma anche a radiazione extra e dunque emette un debole segnale anche quando non assorbe nessun fotone. Questo segnale \u00e8 detto <em>dark current<\/em>.<\/p>\n<p>Il rapporto tra il massimo e il minimo segnale emesso dal photosite \u00e8 il suo <em>range dinamico<\/em>. Nelle moderne fotocamere digitali reflex (DSLR) il range dinamico \u00e8 di circa 8000 a 1 equivalente a circa 12 stop (2<sup>13<\/sup> = 8192).<\/p>\n<p>Pu\u00f2 darsi che l&#8217;intervallo dinamico della scena da catturare sia inferiore a quello della fotocamera, e allora c&#8217;\u00e8 solo il problema di calcolare l&#8217;esatta esposizione. Se invece l&#8217;intervallo dinamico della scena \u00e8 superiore a quello della fotocamera, c&#8217;\u00e8 anche il problema di decidere quale parte o &#8220;finestra&#8221; dell&#8217;intervallo dinamico della scena catturare.<\/p>\n<p>Per esempio questa \u00e8 una scena ad alto intervallo dinamico di cui sono stati catturati quattro sottointervalli (immagini tratte dal sito <a href=\"http:\/\/www.cambridgeincolour.com\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">Cambridge in Colour<\/a>):<\/p>\n<div>\n<table class=\"table1\" border=\"0\" width=\"440\">\n<tbody>\n<tr>\n<td><img loading=\"lazy\" src=\"https:\/\/i0.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/09\/tut_hdr_image1.jpg?resize=120%2C219\" alt=\"\" width=\"120\" height=\"219\" data-recalc-dims=\"1\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" src=\"https:\/\/i2.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/09\/tut_hdr_image2.jpg?resize=120%2C219\" alt=\"\" width=\"120\" height=\"219\" data-recalc-dims=\"1\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" class=\"alignnone size-full wp-image-1931\" title=\"tut_hdr_image31\" src=\"https:\/\/i0.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/09\/tut_hdr_image31.jpg?resize=120%2C219\" alt=\"\" width=\"120\" height=\"219\" data-recalc-dims=\"1\" \/><\/td>\n<td><img loading=\"lazy\" class=\"alignnone size-full wp-image-1933\" title=\"tut_hdr_image41\" src=\"https:\/\/i2.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/09\/tut_hdr_image41.jpg?resize=120%2C219\" alt=\"\" width=\"120\" height=\"219\" data-recalc-dims=\"1\" \/><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td style=\"text-align: center;\">Reference<\/td>\n<td style=\"text-align: center;\">-1 Stops<\/td>\n<td style=\"text-align: center;\">-2 Stops<\/td>\n<td style=\"text-align: center;\">-3 Stops<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<\/div>\n<p>In questo caso per catturare tutta la scena sono necessarie tecniche di <em>bracketing<\/em> e multiesposizione oppure HDR (<em>High Dynamic Range<\/em>).<\/p>\n<p>Il segnale elettrico emesso da ogni <em>photosite<\/em> viene convertito in un valore digitale con queste operazioni:<\/p>\n<ul>\n<li>gli elettroni vengono trasferiti ad un &#8220;amplificatore&#8221; (in realt\u00e0 un condensatore) nel chip stesso; il segnale elettrico \u00e8 amplificato di una quantit\u00e0 proporzionale al guadagno ISO impostato in fotocamera;\u00a0unit\u00e0 di misura \u00e8 il Coulomb; \u00e8 in questa operazione che viene introdotto il <em>readout noise<\/em>;<\/li>\n<li>viene misurata la differenza di potenziale indotta da queste cariche, unit\u00e0 di misura \u00e8 il Volt;<\/li>\n<li>la differenza di potenziale viene convertita da un convertitore ADC (<em>analog to digital converter<\/em>) in una differenza di potenziale a livelli discreti; in questa operazione interviene una\u00a0funzione di conversione optoelettronica (OECF, <em>opto-electronic conversion function<\/em>) che introduce una non linearit\u00e0;<\/li>\n<li>la differenza di potenziale viene convertita \u00a0in un numero digitale che l&#8217;hardware passa al software e che viene registrato come valore fornito dal <em>photosite<\/em>.<\/li>\n<\/ul>\n<p>I numeri digitali risultanti sono i numeri Raw, un numero per ogni photosite.\u00a0Il minimo e massimo valore che ogni numero Raw pu\u00f2 assumere dipende dal numero di bit assegnati ad ogni <em>photosite<\/em>. Per esempio se il numero di bit \u00e8 12 i valori digitali possono andare da 0 a 2<sup>12<\/sup> &#8211; 1 = 4095.<\/p>\n<p>A questo punto, dunque, ogni <em>photosite<\/em> ha generato un numero che va da un minimo a un massimo (nel caso di profondit\u00e0 12 bit va da 0 a 4095), per esempio come indicato in questo schema:<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" class=\"alignnone size-full wp-image-653\" title=\"Dati Raw e filtri CFA\" src=\"https:\/\/i0.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/08\/raw3.jpg?resize=333%2C225\" alt=\"\" width=\"333\" height=\"225\" srcset=\"https:\/\/i0.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/08\/raw3.jpg?w=333 333w, https:\/\/i0.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/08\/raw3.jpg?resize=300%2C202 300w\" sizes=\"(max-width: 333px) 100vw, 333px\" data-recalc-dims=\"1\" \/><\/p>\n<p>Questi sono i dati Raw CFA (<em>Color Filter Array<\/em>): un numero digitale per ogni\u00a0<em>photosite<\/em>, ottenuto dall\u2019esposizione del sensore e con la conversione in digitale del segnale analogico generato.<\/p>\n<p style=\"padding-left: 30px; font-size: 11px; font-color: #333;\">In alcune fotocamere ci sono dei\u00a0<em>photosite<\/em> ai bordi del sensore che vengono coperti in modo che non siano esposti. Questo viene fatto per ragioni tecniche, per esempio per il controllo del rumore. Altri <em>photosite<\/em>, sempre sui bordi, che invece vengono esposti possono non essere inseriti nell&#8217;immagine, sempre per ragioni tecniche (processi che si basano sui photosite vicini e ragioni di rapporto di forma (3:2, 4:3) o fotocamere con diversi rapporti di forma). Dal sito Luminous Landscape si pu\u00f2 scaricare una utilit\u00e0 che si chiama <a href=\"http:\/\/www.luminous-landscape.com\/contents\/DNG-Recover-Edges.shtml\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">DNG Recover Edge<\/a> scritta da Thomas Knoll che recupera <span style=\"text-decoration: underline;\">tutti<\/span> i pixel del sensore per ogni fotocamera supportata.<\/p>\n<p>Una immagine Raw non \u00e8 ancora un&#8217;immagine &#8220;visibile&#8221;, per molti motivi. Il principale motivo \u00e8 che pur trattandosi di una immagine con pixel a tre canali (R, G e B), in ogni pixel\u00a0due canali hanno valore uguale a zero e solo un canale pu\u00f2 avere valore diverso da 0. Se si dovesse vedere l&#8217;immagine a questo punto, apparirebbe in una caratteristica configurazione &#8220;a mosaico&#8221;, come appare per esempio l&#8217;immagine qui sotto che rappresenta il capitello di una colonna.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" class=\"alignnone size-full wp-image-665\" title=\"Il capitello di una colonna in dati Raw\" src=\"https:\/\/i0.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/08\/raw5.jpg?resize=500%2C300\" alt=\"\" width=\"500\" height=\"300\" srcset=\"https:\/\/i0.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/08\/raw5.jpg?w=500 500w, https:\/\/i0.wp.com\/www.boscarol.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2008\/08\/raw5.jpg?resize=300%2C180 300w\" sizes=\"(max-width: 500px) 100vw, 500px\" data-recalc-dims=\"1\" \/><\/p>\n<p>Per questo motivo si dice che i dati Raw sono &#8220;mosaicizzati&#8221;, e una delle operazioni di compensazione dei dati Raw sar\u00e0 proprio la cosiddetta &#8220;demosaicizzazione&#8221;.<\/p>\n<p style=\"padding-left: 30px; font-size: 11px; font-color: #333;\">Una curiosit\u00e0: per scattare in bianco e nero (cio\u00e8 a scala di grigi) basterebbe togliere i filtri colorati dal sensore. Per ora questo non \u00e8 possibile (chiss\u00e0 in futuro) e dunque per ottenere uno scatto in bianco e nero occorre scattare a colori e applicare qualche elaborazione di desaturazione nel Raw converter. La fotocamera, da parte sua, pu\u00f2 inserire un metadato per indicare al software di elaborazione che l&#8217;immagine deve uscire in bianco e nero (ma di solito questo metadato funziona solo con il <em>Raw converter<\/em> proprietario).<\/p>\n<p>I dati Raw hanno queste caratteristiche:<\/p>\n<ul>\n<li>sono dati a 10, 12, 14 bit (mentre i dati di un JPEG finale sono a 8 bit);<\/li>\n<li>sono dati proporzionali alla luminanza della scena (cio\u00e8, come si dice, <span style=\"text-decoration: underline;\">lineari<\/span> mentre i dati di un JPEG finale non sono lineari rispetto alla luminanza);<\/li>\n<li>essendo dati lineari consentono di correggere l&#8217;esposizione e di bilanciare il bianco in uno spazio adeguato, con matematica lineare, senza introdurre degradazione dell&#8217;immagine;<\/li>\n<li>non sono ancora convertiti in uno spazio RGB di output, quindi non sono <em>clippati.<\/em><\/li>\n<\/ul>\n<p>Dal punto di vista del colore i dati Raw sono\u00a0<em>device dependent<\/em>, cio\u00e8 dipendono dal sensore, \u00e8 la codifica fatta da quel sensore. Un sensore diverso avrebbe generato altri dati Raw per la stessa scena.\u00a0L&#8217;immagine codificata in dati Raw (un numero per pixel) \u00e8 codificata, come si dice, nello\u00a0<span style=\"text-decoration: underline;\">spazio colore del sensore.<\/span><\/p>\n<p>Pi\u00f9 precisamente i dati Raw di una immagine dipendono:<\/p>\n<ul>\n<li>dalla illuminazione della scena;<\/li>\n<li>dal sensore e dai suoi filtri;<\/li>\n<li>dalla <span style=\"text-decoration: underline;\">esposizione e dalla sensibilit\u00e0<\/span> impostata dal fotografo nel men\u00f9 della fotocamera (apertura + tempo + ISO).<\/li>\n<\/ul>\n<p>Nessuna impostazione dei men\u00f9 della fotocamera influisce sui dati Raw di una immagine, escluse le impostazioni appena indicate: apertura, tempo e sensibilit\u00e0 ISO.<\/p>\n<p style=\"padding-left: 30px; font-size: 11px;\">Una eccezione si ha quando l&#8217;elettronica della fotocamera applica un <span style=\"text-decoration: underline;\">bilanciamento del bianco analogico<\/span> oppure <span style=\"text-decoration: underline;\">digitale<\/span>, prima di scrivere i dati digitali in memoria. In tal caso i dati Raw dipendono anche dalla impostazione di bilanciamento del bianco impostata nella fotocamera (tag White Balance di Exif). Ma ad oggi nessuna fotocamera <em>one-shot<\/em> applica il bilanciamento analogico, ed una sola (Nikon D1) applica il bilanciamento digitale. Ci sono invece alcuni dorsi digitali (Better Light) che applicano il bilanciamento analogico.<\/p>\n<p><strong>Pixel difettosi<\/strong><\/p>\n<p>Bisogna anche tener conto del fatto che alcuni <em>photosite<\/em> del sensore possono essere difettosi. Si distingue tra <em>hot pixel<\/em>, un <em>photosite<\/em> che risponde sempre alla luce, e <em>dead pixel<\/em>, un <em>photosite<\/em> che non risponde mai.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>I photosite non hanno una capacit\u00e0 infinita di assorbimento dell&#8217;irradianza, cio\u00e8 dei fotoni, che ricevono. 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