Fotografia digitale

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

I metodi più comuni per ottenere fotografie digitali consistono nell'effettuare la scansione di un'immagine precedentemente stampata, oppure sotto forma di negativo o diapositiva, con uno scanner d'immagini oppure di effettuare uno scatto con una fotocamera digitale.

Sensori

Per ottenere un'immagine digitale, in ogni caso, occorrono un certo numero di dispositivi in grado di trasformare l'intensità di luce riflessa proveniente da diverse parti di una scena o di un'immagine cartacea. Dunque, sia in uno scanner, sia in una fotocamera, l'elemento 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 all'interno 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 dell'immagine 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 l'adozione della tecnologia CCD. Altro fattore di distinzione delle tecnologie è la metodologia di lettura dei segnali elettrici in uscita dai sensori: Area array, permette una capacità nella cattura dell'immagine identica alla foto analogica, soluzione che può essere utilizzata con i sensori CCD Linear array, dovendo riprendere la scena riga per riga si ha il difetto dell'effetto "distortion shutter", soluzione che può essere utilizzata con i sensori CCD o CMOS Pixel array, dovendo riprendere la scena pixel per pixel e riga per riga si ha il difetto dell'effetto "distortion shutter" in modo ampliato, soluzione che può essere utilizzata con i sensori CMOS In estrema sintesi, un sensore area array legge l'intera immagine, mentre un sensore linear array lavora con modalità simile a quella di uno scanner.

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 permette 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 limitati alla memoria disponibile. Una scheda di memoria da 1 GB può memorizzare approssimativamente un'ora 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 può registrare l'audio, spesso anche in stereo, ed essere comandata in remoto dal PC, e ovviamente, memorizzare i video sull'hard 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.

Prestazioni La qualità dell'immagine prodotta da una fotocamera digitale, è sempre la somma di svariati fattori. Il numero di pixel (di solito indicato in megapixel, ossia milioni di pixel) è solo uno dei fattori da considerare, sebbene sia quello più marcato dalle case di produzione e non sia un vero indice di qualità. Un indice di qualità può essere la dimensione del pixel o anche la velocità di cattura delle immagini, ed un ruolo strettamente collegato a quest'ultima prestazione, lo svolge il processore d'immagine, un microcalcolatore dedicato alla elaborazione dei dati provenienti dal sensore che permette la fruibilità dell'immagine per la visione nei vari formati che la fotocamera può realizzare. A questa funzione vanno annesse anche quelle di governo degli automatismi di funzionamento della fotocamera stessa e in concorso col sensore, che può essere integrata nello stesso processore o, separatamente, in un altro processore.

Il fattore più critico è comunque il sistema che trasforma i dati grezzi (raw data) in un'immagine fotografica. Ma da considerare vi sono anche: la qualità delle ottiche: distorsione (aberrazione sferica), luminosità, aberrazione cromatica... (vedi Lente o Obiettivo fotografico); il sensore utilizzato: CMOS, CCD, che fra l'altro gioca un ruolo centrale nella ampiezza della gamma dinamica delle immagini catturate, sul modo in cui viene catturata l'immagine (acquisizione simultanea o acquisizione a scansione progressiva)... il formato di cattura: numero di pixel, formato di memorizzazione (Raw, TIFF, JPEG, ...): il sistema di elaborazione interno: memoria di buffer, algoritmi di elaborazione immagine.

Numero di pixel e qualità delle immagini

L'analisi 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.

Il numero dei pixel del sensore è un parametro che indica la risoluzione e può essere dato sia come misura «lato per lato», che come quantità totale dell'area, e in un certo modo, ciò può essere usato come indicatore del più piccolo dettaglio fotografabile. Ma per valutare la qualità complessiva dell'immagine, servono altri fattori, come ad esempio la dimensione spaziale del pixel e la fedeltà cromatica, senza tralasciare l'elettronica che lo regola.

Il numero totale di pixel, di un sensore o di una immagine, viene calcolato come l'area di un rettangolo, base per altezza e generalmente misuata in megapixel. Ad esempio, 1,92 megapixel (equivalenti a pixel) sono il risultato 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 nominale, approssimativo e arrotondato, in quanto una parte dei pixel (in genere quelli periferici del sensore) servono al processore d'immagine 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 un'immagine di 3.488 x 2.616 pixel). La maggior parte delle macchine fotografiche digitali tende ad avere un rapporto d'aspetto 3:2 come il formato Leica, ma è possibile che alcune macchine usino il formato 4:3, e rarissimamente il 16:9, perlopiù le compatte con sensori di derivazione video. In vari modi è possibile riprende le fotografie selezionando il formato, indipendentemente da quello nativo del sensore, e quelli più usati sono, 1:1, 4:3, 3:2 e 16:9, più qualche altro formato panoramico, in base al software della fotocamera.

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 un'onda 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 d'immagine, specie con luce scarsa, fra le fotocamere compatte col sensore più piccolo, e le fotocamere con sensore più grande, di pari pixel.Paolo Villa - FOTOGRAFIA Corso Manuale - base principianti - Verona 2013.pdf

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 dell'immagine".

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 dell'immagine.

Il "photosite", invece, è un luogo fisico, appartenente quindi alla categoria dell'hardware. 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 cosiddetto C.F.A. (Color Filter Array) (che può essere il filtro Bayer, RGBE, RYYB, CYYM, CYGM, RGBW Bayer, X-Trans, Quad Bayer, RYYB Quad Bayer, Nonacell), che in alcuni casi si possono reinterpretare (remosaic) per passare da un sistema all'altro.

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.

L'elemento unitario fotosensibile (fotorivelatore) La funzione dell'elemento 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) l'elemento unitario fotosensibile riesce dunque a registrare solamente livelli di intensità di luce monocromatica.