Il rumore ad alti ISO, le reflex digitali e le stampe

Il rumore è parte integrante delle prestazioni di un sensore digitale ed è un fenomeno complesso che non si può riassumere in un numero. Ha tre componenti fondamentali che sono:

Ogni fotocamera produce un differente ammontare di rumore, eppure la forma della curva del rapporto Segnale/Rumore è sempre la stessa: parte da valori negativi, cresce velocemente per piccoli segnali e poi aumenta sempre meno fino a che si stabilizza. La curva del rapporto Segnale/Rumore (d’ora in poi SNR, Signal Noise Ratio, Rapporto segnale Rumore) mostra il SNR come funzione del valore del segnale ed è espressa in dB (decibel). Ecco una tipica curva:

Anche se il sensore non riceve luce, ci possono essere fluttuazioni del segnale misurato, dovute a fattori elettronici e termici, che producono rumore. Per questo il SNR può essere negativo, perché senza segnale si ha comunque del rumore e calcolando i dB viene un valore negativo.

Il rumore in assenza di luce di chiama dark noise (rumore scuro) ed è correlato con la gamma dinamica. Ricordate che la gamma dinamica è il rapporto tra la luminosità che manda in saturazione il sensore e quella per cui SNR = 1, cioè è il massimo intervallo di luminosità registrabile dal sensore. Il valore SNR = 1 si ottiene per illuminazioni molto basse. Tuttavia, se abbiamo molto dark noise, si riduce la gamma dinamica utilizzabile.

Il rumore è anche amplificato dal processamento fatto dal raw converter nella fase di applicazione delle curve di gamma e del rendering dei colori.

Il rumore di una Canon EOS 50D a 12800 ISO. Ho effettuato lo scatto con il tappo compriobiettivo.

Anche il segnale stesso è rumoroso ed è una diretta conseguenza della meccanica quantistica. La luce è composta da fotoni che possiamo paragonare a macchine su una strada. Se ci mettiamo su un ponte e contiamo quelle che ci passano sotto in un minuto, vedremo che questo valore varia di minuto in minuto, fluttuando intorno ad un valore medio. La fluttuazione è il rumore. Altro punto da tener presente: SNR è più basso per piccoli periodi di osservazione perché i fotoni sono unità non divisibili (come le macchine dell’esempio). Perciò in meno tempo ne passano meno. Se poi i pixel (la strada) sono piccoli allora ne passano ancora meno. Ecco perché i sensori con pixel piccoli sono più rumorosi.

Questo si chiama rumore fotonico e aumenta con l’aumentare del segnale. In un modello molto semplificato, il numero di fotoni in arrivo e il segnale in uscita dal sensore sono legati da un fattore moltiplicativo di guadagno (analogico o digitale) che è correlato alla sensibilità ISO impostata. ISO alti significa guadagno alto. Attenzione che anche il rumore è amplificato allo stesso modo.

Se fotografiamo un target GretagMcBeth in scala di grigi, ed andiamo a misurare l’esposizione sul grigio medio, quello con riflettenza del 18%, osservando l’istogramma e la sua ampiezza, misuriamo il rumore. Facciamo una prova scattando due immagini con due fotocamere, una con il doppio di pixel dell’altra e la stessa dimensione del sensore. La seconda fotocamera è stata impostata ad una sensibilità quattro volte superiore e l’illuminazione era quattro volte minore, in modo da avere lo stesso livello di grigio. Questa prova serve a mettere sotto stress la fotocamera (il doppio di pixel sulla stessa superficie di sensore significa pixel più piccoli, sensibilità ISO quattro volte maggiore significa maggior amplificazione). Una regola grossolana dice che ogni raddoppio di ISO fa perdere 3 dB.

Se non ci fosse rumore, il picco sarebbe una linea retta perfetta. Il fatto che si allarghi è dovuto al rumore e più largo è l’istogramma, maggiore è il rumore.

La riflettenza media di una scena naturale è il 18%. Se la fotocamera è impostata per raggiungere la saturazione con un oggetto di riflettenza del 100% (bianco), allora il rapporto Segnale/Rumore del grigio al 18% rappresenta il livello di rumore nella scena.

Il rumore fotonico è la principale fonte di rumore nei mezzi toni e segue la regola dei 3 dB ogni EV:

Per illuminazioni elevate, appare un altro fenomeno. Ogni pixel del sensore ha un suo fattore di guadagno analogico (l’amplificazione del singolo fotodiodo) che è correlato alla dimensione fisica dei condensatori integrati sul chip. Questa differenza di guadagno tra pixel si chiama PRNU, Pixel Response Non-Uniformity ovvero non uniformità di risposta del pixel. Anche questo comportamento genera del rumore che si va a sommare a quelli precedenti.

Il PRNU aumenta più velocemente del rumore fotonico e quando la principale sorgente di rumore diventa il PRNU, allora il rapporto segnale/rumore (SNR) non aumenta più.

Comunque il valore di PRNU si può compensare con una calibrazione, per diminuirlo al minimo o annullarlo nella fortunata ipotesi che ogni pixel abbia lo stesso PRNU.

La sensibilità al colore dipende dal rumore nelle alte luci e dalla risposta spettrale del sensore, cioè dal modo in cui il sensore vede i colori.

Mettendo insieme i tre tipi di rumore e il loro intervallo di “competenza”, abbiamo che:

L’elettronica ha fatto dei passi avanti notevoli, sia come sviluppo dei sensori che come metodi per combattere il rumore direttamente in macchina. Inoltre, contrariamente a quanto si pensa, una risoluzione più alta compensa il rumore. Se, a parità di superficie del sensore, aumentiamo i pixel, la stessa luce si divide tra più pixel e quindi il SNR è più basso.

La EOS 30D ha i pixel da 6,4 µm ed una risoluzione da 8 megapixel. La 1Ds Mark III ha sempre pixel da 6,4 µm ma una risoluzione da 21 megapixel. Il SNR misurato nelle stesse condizioni dà lo stesso valore in dB, circa 35 (dati DxO). Ovviamente le fotocamere sono diverse, per cui alla stessa focale la 1Ds vede dettagli più piccoli oppure ha più angolo di campo (ha il sensore 24x36 mm rispetto ai 15 x 22 mm della 30D). Quello che però ci occorre è andare a vedere il rumore in stampa e non sul file ingrandito a livello di singolo pixel. Riprendendo una scena con le due macchine con ottiche differenti in modo da avere lo stesso angolo di campo, proviamo a stampare l’immagine in formato 20 x 30 cm a 300 dpi. Con la 1Ds abbiamo che la stampante riduce le dimensioni del file originale (ha molti più pixel di quelli necessari) e quindi riduce il rumore. Secondo DxO sono circa 3 dB di differenza a favore della 1Ds che si dimostra, quindi, superiore.

Un sensore ad alta risoluzione si può ottenere da uno a risoluzione più bassa “tagliando” i pixel in quattro. Questo ragionamento grossolano ci dice che, quindi, ogni pixel più piccolo riceve un quarto della luce del pixel grande. Il sensore a più alta risoluzione ha una sensibilità ISO che è un quarto di quella del sensore a più bassa risoluzione. Per avere la stessa risposta del sensore abbiamo allora bisogno di aumentarne il guadagno (in maniera analogica o digitale). Questo comporta maggior rumore. Se riduciamo le dimensioni del file (downsizing o ricampionamento) abbiamo un miglioramento del rapporto segnale/rumore.

Secondo DxO, in questo modo possiamo normalizzare, e quindi confrontare, le varie reflex digitali. DxO le porta ad una risoluzione normalizzata di 8 megapixel.

In tabella abbiamo un confronto, fatto da DxO, tra alcune tra le reflex digitali più diffuse o chiacchierate:

Modello	ISO minimi	SNR Normalizzato
Nikon D3	200	42,86
Canon EOS 1Ds Mark III	100	42,89
Canon EOS 1Ds Mark II	100	41,49
Canon EOS 5D	100	40,93

Come si può vedere, la macchina con il più alto SNR è la 1Ds Mark III, praticamente appaiata dalla D3, seguite da 1Ds Mark II e dalla 5D. Sono tutte fotocamere con un comportamento esemplare dal punto di vista del SNR.

Nel seguito esamineremo una serie di immagini che ho scattato con reflex digitali a sensibilità di 800 ISO e 1600 ISO, andando a cercare il rumore.

Questa immagine della Tour Eiffel a Parigi, in vendita in formato fino al 30 x 40 cm, è stata ripresa ad 800 ISO con una EOS 300D da 6 megapixel. Ha subito una leggera riduzione del rumore di luminanza ed è di una pulizia esemplare.

Questa immagine del Parlamento di Budapest, in vendita in formato fino al 30 x 40 cm, è stata ripresa a 1600 ISO con una EOS 30D da 8 megapixel. Ha subito una riduzione del rumore di luminanza ed è molto pulita.

Questa immagine del Ponte delle Catene di Budapest, in vendita in formato fino al 30 x 40 cm, è stata ripresa a 1600 ISO con una EOS 30D da 8 megapixel. Ha subito una riduzione del rumore di luminanza ed è molto pulita. Ne ho una stampa 50 x 75 cm che mostra una leggera rumorosità nel cielo nero, visibile ad una ispezione ravvicinata. Sul 30 x 40 cm non ci sono tracce evidenti di rumore.

Questa immagine delle statue di Kannon nel Sanjusangendo, in vendita in formato 30 x 40 cm, è stata ripresa a 1600 ISO con una EOS 5D da 12 megapixel. Non ha subito riduzione del rumore ed è molto pulita. Comunque, l’eventuale rumore di luminanza darebbe struttura all’immagine.

Questa immagine del Pantheon di Parigi è stata ripresa, per errore, a 1600 ISO con una EOS 300D da 6 megapixel. Non ha subito riduzione del rumore e, se andiamo ad esaminare la parte in ombra sotto al tetto, c’è una notevole presenza di rumore che è tuttavia invisibile su stampe 20 x 30 cm. Attenzione quindi a scattare ad alti ISO di giorno: il rumore si annida nell’ombra!

Questa immagine notturna di Reno (Nevada) è stata ripresa a 1600 ISO con una EOS 5D da 12 megapixel. Ha subito una leggera riduzione del rumore ed è molto pulita. Una stampa 20 x 30 cm non mostra assolutamente segni di rumore.

In questa tabella vi riassumo la relazione da me consigliata tra ISO e dimensioni di stampa. Non tengo conto della risoluzione del sensore, per cui quando dico 50 x 75 cm o più, assicuratevi di avere i pixel e la qualità necessari. Da 800 ISO in su sarebbe preferibile scattare con una full frame.

Sensibilità ISO	Ingrandimento massimo consigliato in cm
100	50 x 75 cm o più
200	50 x 75 cm o più
400	50 x 75 cm
800	50 x 75 cm
1600	30 x 40 cm
3200	20 x 30 cm

I fotografi seri si trovano spesso a combattere con il rumore. Visitano siti web, leggono manuali, si consultano con colleghi fotografi e tutto per trovare un modo migliore per sconfiggere il rumore nelle ombre, nei mezzi toni e nelle alte luci. E’ utile conoscere delle tecniche specifiche per affrontare il rumore, ma è ancora più utile capire bene questo fenomeno e le sue cause principale. Ed è quello che abbiamo fatto. La lezione che possiamo trarre da questa analisi è che è possibile scattare a qualsiasi sensibilità senza paura del rumore. Tuttavia, salendo con l’ingrandimento, si devono utilizzare sensibilità più basse.

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