Alta Definizione: analisi delle prestazioni di un sistema Camera-Ottica
I costruttori di telecamere tipicamente offrono la risoluzione orizzontale (cioè il massimo numero di coppie
di righe verticali apprezzabili per unità di altezza dell’immagine sullo schermo [TVL/ph]) e, qualche volta, una
specifica separata per la risoluzione verticale (cioè il massimo numero di righe orizzontali apprezzabile per
unità di altezza dell’immagine sullo schermo [TVL/ph] ) come parametri di qualità misurabili per descrivere il
contributo massimo della telecamera alla nitidezza dell’immagine. Essi sono l’eredità di una tradizionale
“sinteticità” a lungo praticata nel fornire parametri di confronto tra prodotti diversi. Ora gli stessi costruttori,
specialmente nel caso di camere HD, esprimono tali parametri più precisamente, specificando la profondità
di modulazione ad una frequenza spaziale di riferimento di 800 TVL/ph (corrispondenti a 27.5 MHz nel
formato 1080), oppure specificando il limite di risoluzione espresso in TVL/ph corrispondente ad una
profondità di modulazione residua del 5%.
MTF (Modulation Transfer Function)
Le specifiche appena elencate sono importanti per stabilire un metodo semplice di valutazione delle
prestazioni assolute di una determinata camera HD. Tuttavia, esse dicono molto poco sulla nitidezza
(sharpness) delle immagini riprodotte dalla stessa camera. L’unico modo in cui tali preformance possono
essere valutate è quello di far riferimento alla misura della MTF (Modulation Transfer Function) dell’intero
sistema Camera-Ottica, strettamente correlata alla nitidezza di riproduzione di un’immagine. E’ dunque
fondamentale comprendere che non è possibile prescindere dalla presenza di un obiettivo nell’analisi delle
prestazioni di una telecamera. Viceversa, per confrontare due camere diverse, occorre disporre di due
obiettivi identici presi a campione. E ciò è vero, a maggior ragione, nel caso di telecamere in Alta Definizione.
La MTF è assimilabile alla risposta in frequenza di un qualsiasi sistema elettronico (un sistema Camera-Ottica
non è molto diverso da un sistema Antenna-Ricevitore nel caso delle onde radio. L’unica differenza è nella
porzione dello spettro elettromagnetico trattato. Onde Radio e Luce differiscono infatti solo per la lunghezza
d’onda. Pertanto, analogamente a quanto avviene nello studio delle antenne, anche per un sistema CameraOttica vale l’analisi dell’ “adattamento di impedenza”, della “risposta in frequenza” e della validità dell’ipotesi
di propagazione della luce per onde piane). Analogamente a quanto è consueto ipotizzare nel caso di un
amplificatore, anche per un sistema Camera-Ottica, è possibile scomporre uno stimolo luminoso
spazialmente limitato in una somma di componenti sinusoidali di frequenza spaziale crescente. Immaginando
ora che un sistema Camera-Ottica possa essere considerato, sotto alcune ipotesi, lineare e invariante nel
tempo, se ne può descrivere il comportamento nel dominio della Frequenza con una funzione reale, la MTF
appunto, che fornisce l’andamento del livello di contrasto in risposta ad un intervallo di opportune frequenze
spaziali fatte “transitare” nel sistema in esame. In termini pratici tale indicatore di qualità può essere ricavato
inquadrando con il sistema Camera-Ottica un tipico cartello “Multiburst Sinusoidale”, cioè con un cartello
che contiene gruppi di transizioni bianco-nero a frequenza spaziale progressivamente crescente [Figura 1].
Fig.1
Le coppie di linee più spesse corrispondono a stimoli a bassa frequenza spaziale, mentre le coppie di linee più
fitte corrispondono a frequenze spaziali più alte. Una telecamera moderna può agevolmente riprodurre il
contrasto derivante dalle frequenze spaziali più basse (ad esempio 50 TVL/ph). Il livello video risultante ne
rappresenta il livello di riferimento per il contrasto, cioè il 100%. Ed è solo il contrasto ad essere il fattore
critico nella qualità di un sistema di ripresa, piuttosto che la luminosità di riproduzione di un dato dettaglio. Il
sistema di visione umana processa infatti i livelli di contrasto piuttosto che livelli assoluti di luminosità,
dunque dà più importanza alla differenza tra livelli luminosità piuttosto che alla luminosità assoluta dell’intera
immagine. Volendone dare una definizione, si può affermare che il contrasto è la variazione di luminosità
comparata alla luminosità media di una determinata area ripresa.
MTF del sistema Camera-Ottica e nitidezza dell’immagine.
Per frequenze spaziali più elevate, il sistema, come è logico aspettarsi, riproduce livelli di contrasto via via
decrescenti. E’ esperienza comune per i tecnici del settore video analizzare su di un Waveform monitor
l’inviluppo del segnale video ottenuto inquadrando il cartello “Multiburst” descritto. Il sistema Camera-Ottica
è, in questo senso, sottoposto ad uno “sweep” attraverso le varie frequenze spaziali nell’area centrale
dell’immagine. Se è possibile estrarre da un simile inviluppo l’informazione relativa al contrasto di
riproduzione del singolo pacchetto di linee, sarà poi automatico tracciare un diagramma MTF dove tali livelli
di contrasto saranno messi sull’asse delle ordinate in relazione con lo stimolo che li ha determinati, posti
sull’asse delle ascisse (si noti che nel caso delle curve MTF, lo stimolo visivo è indicato in “coppie di linee per
mm [Lp/mm] sul target di acquisizione [CCD]” piuttosto che in “coppie di linee per unità di altezza
dell’immagine [TVL/ph], ma esse sono equivalenti) [Figura 2].
Fig.2
Il concetto di MTF è di importanza assoluta nella scienza del Processo delle Immagini. Il risultato più
importante dell’analisi delle curve MTF consiste nel fatto che la nitidezza di un’immagine riprodotta da un
qualsiasi sistema di visione a distanza (televisione, cinema o anche still-imaging) è direttamente proporzionale
al quadrato dell’area sottesa dalla relativa curva MTF. Da questo si deduce che la forma della curva MTF nella
banda utile è di vitale importanza per la nitidezza percepita nell’immagine acquisita. Essa è molto più
importante delle specifiche di risoluzione massima. La zona sottesa alle frequenze di maggiore sensibilità per
l’occhio corrisponde difatti alle caratteristiche di nitidezza complessive di un’immagine. I dettagli sono
contenuti solo nella coda della curva MTF e il loro discernimento dipende strettamente dalle dimensioni
dell’immagine e dalla sua distanza dall’osservatore. Dunque, non è il potere risolutivo massimo ad essere il
fattore determinante in un sistema di ripresa: tutte le telecamere moderne sono addirittura equipaggiate con
un filtro ottico passa basso (OLP) che impedisce la riproduzione di armoniche spaziali tali da innescare
fenomeni di aliasing dovuti alla natura discreta dei sensori CCD. L’aliasing dovuto all’erronea riproduzione di
un’alta frequenza posta oltre il limite di campionamento del CCD, costituisce un problema molto grave in
campo ottico, dato che l’occhio umano è, appunto, più sensibile alla parte bassa dello spettro. Un filtro OLP
ha dunque MTF=0 alla frequenza di campionamento spaziale massima di un CCD. Tale dispositivo deve
lavorare sia per le frequenze applicate sull’asse orizzontale, sia su quelle applicate secondo l’asse verticale. Nel
caso di alcune telecamere con sensore FT a struttura programmabile, è la struttura stessa del CCD che può
agire come filtro OLP verticale (ad es. nel caso del sensore DPM-HD della Thomson, in tutti i formati di
acquisizione i macro-pixel hanno larghezza di 5µm: ciò significa che la massima frequenza spaziale
1
riproducibile è di
= 200 Lp / mm corrispondenti ad oltre 2000 TVL/ph!. Il filtro OLP è calibrato per
0.005
avere MTF=0 a tale frequenza. Sull’asse verticale le componibilità dei sub-pixel costituisce un filtro FIR di
frequenza di taglio opportuna). Un sistema Camera-Ottica comprende due componenti, pertanto la curva
MTF complessiva sarà data dal prodotto delle curve MTF dell’ottica e della sezione di acquisizione
telecamera. Per quanto detto, essendo il limite di risoluzione dell’occhio umano valutabile intorno alle 800
TVL/ph, per la nitidezza dell’immagine ripresa sarà determinante la forma della curva MTF risultante
nell’intervallo frequenziale compreso tra le 200 TVL/ph e le 600 TVL/ph. E’ per questo motivo che, ad
esempio, i progettisti Canon si avvalgono di straordinari (ed unici!) software di simulazione in grado di
valutare il comportamento delle ottiche congiuntamente alla modellizzazione del sistema di acquisizione delle
varie telecamere. Come già detto, le prestazioni native di un’ottica sono invariabilmente “filtrate” nel
comportamento dell’intero sistema di ripresa e quindi possono essere valutate appieno solo in combinazione
con la telecamera. E’ dunque fondamentale che un’ottica HD cerchi di elevare il più possibile la sua curva
MTF nel range di frequenze di interesse e non introduca altri fattori penalizzanti come dominanti cromatiche,
distorsioni geometriche e un elevato tasso di aberrazioni ai bordi dell’immagine al variare del punto di lavoro
[Figura 3].
Fig.3
Le ottiche HD non distinguono ovviamente tra diversi standard di produzione HDTV (sia il 1920x1080, sia
il 1280x720). Ma la citata massimizzazione della curva MTF nel range di frequenze spaziali di maggiore
interesse [200 TVL/ph, 600 TVL/ph] fa sì che anche nei sistemi 1280x720 la qualità soggettiva dell’immagine
sia altrettanto buona di quella per i sistemi 1920x1080. In linea di principio non è dunque possibile valutare
accuratamente le prestazioni di una camera HD senza associare un’ottica HD: ciò complica notevolmente le
cose. La risoluzione di una camera HD rimane essenzialmente costante su tutta l’area di acquisizione del
CCD, ma, come già accennato, il comportamento complessivo è determinato dal prodotto di tutte le risposte
MTF della sezione di acquisizione: quella del CCD stesso, della sezione di prisma di separazione tricromica,
del filtro OLP e dall’elettronica di amplificazione / filtraggio precedente ai convertitori A/D della telecamera
[Figura 4].
Fig.4
Inoltre, quando si esamina il comportamento del sistema complessivo, occorre considerare che la natura della
fisica ottica impone che le prestazioni in risoluzione e in MTF delle ottiche HD siano in realtà “dinamiche” in
almeno tre contesti:
1. I vincoli del progetto ottico, le tolleranze di produzione e l’estrema complessità associata alla
concatenazione di elementi ottici multipli si manifestano in una prestazione MTF che non può
fisicamente essere la stessa su tutto il piano dell’immagine.
2. Il controllo dell’esposizione dell’ottica attraverso il diaframma produce una variazione delle
caratteristiche MTF. Ciò è in larga parte dovuto agli effetti diffrattivi prodotti dall’apertura semicircolare del diaframma meccanico e dall’approssimazione di ottica parassiale quando si lavora a
diaframmi molto chiusi.
3. Variando il punto di lavoro come Fuoco e Zoom, le caratteristiche MTF variano inevitabilmente.
Un’ottica HD di altissimo livello qualitativo è soprattutto un’ottica che ha un comportamento quasi
costante al variare del punto di lavoro.
Realtà delle ottiche HD nel dominio MTF
La natura dinamica della MTF è dunque inevitabilmente legata alla natura fisica degli obiettivi zoom. Per
controllare tutte queste variabili i progettisti di ottiche devono considerare molto di più delle sole prestazioni
al centro dell’immagine. Un possibile approccio è quello di studiare diversi punti sul piano delle immagini,
includendo alcune zone poste nella periferia. In Figura 5 sono riportati i punti considerati dai progettisti
Canon nel piano d’immagine con rapporto di aspetto 16:9.
Fig.5
Questi punti includono il centro geometrico, la sezione mediana (middle) e gli angoli (4 punti) ed essi sono
utilizzati nei software di simulazione al fine di ottenere le prestazioni MTF più elevate ed omogenee,
considerando comunque che tutto ciò è complicato dalla contemporanea presenza dell’Iris. Anche il rapporto
di aspetto deve essere preso nella giusta considerazione: il 16:9 è caratterizzato da una base più larga della
corrispondente nel 4:3. La valutazione delle distorsioni geometriche su questo asse assume dunque un’enfasi
diversa rispetto a quella del rapporto di aspetto convenzionale. Il numero di variabili da considerare nel
progetto di uno zoom HD può così essere enormemente elevato. Per questa ragione, in fase di progettazione,
non si può più prescindere dall’impiego di tecnologie e materiali allo stato dell’arte (è incredibile il lavoro fatto
da Canon in questo settore: per il dispositivo anti-appannamento, ad esempio, sono impiegate addirittura
delle nano-tecnologie. A Bormio 2005, in occasione dei Mondiali di Sci, le ottiche Canon erano difatti le
uniche prive dei problemi di condensa dell’umidità a qualsiasi temperatura operativa) e dagli strumenti di
simulazione 3D. Il risultato oggi è visibile in obiettivi per Alta Definizione che mostrano prestazioni MTF
straordinarie: su tutti occorre citare il rivoluzionario zoom super-compatto Canon XJ22x7.3 in HD.
In Alta Definizione le problematiche tecniche sono dunque esasperate; è evidente che anche in fase di
manutenzione e diagnostica, deve essere mantenuto lo stesso approccio e la stessa attenzione per le
metodologie di lavoro. Ad esempio, nel caso della misura reale della MTF di uno zoom HD su uno dei canali
RGB, si fa eseguire all’ottica una vera e propria trasformata di Fuorier, applicando nel punto del piano
dell’immagine prescelto un impulso spaziale di caratteristiche note. Un analizzatore di spettro e un software
opportuno, posti a valle di un sensore, analizzeranno la “line-spread-function” per determinare il
comportamento dell’ottica (in termini di contrasto) nel dato punto di lavoro F/Z/I e nel particolare punto
del piano dell’immagine. A causa delle limitazioni fisiche coinvolte con l’Alta Definizione (dimensione
massima del circolo di confusione ad es., decadimento rapidissimo delle prestazioni nel caso di meccaniche
deteriorate o non revisionate in modo adeguato) soltanto strutture altamente specializzate, e dotate della
strumentazione originale del produttore, possono affrontare il delicato compito di ripristinare le prestazioni di
uno zoom o di una prime-lens HD. Nel caso di Canon, lo sforzo di progettazione è esteso anche a questi
aspetti. Tutte le sue realtà europee sono inoltre omogenee: quelle più importanti dispongono degli autocollimatori elettronici a tecnologia proprietaria usati nelle fabbriche giapponesi (Italia con Trans Audio Video
s.r.l., UK, Germania, Francia, Olanda, Spagna), partecipano comunitariamente ai corsi semestrali di
aggiornamento, formano team di supporto internazionali in caso di grandi eventi e garantiscono una struttura
compatta di service a disposizione degli utilizzatori, ovunque essi si trovino.
Laurence J. Thorpe (Canon U.S.A.) e Sergio Brighel (Trans Audio Video S.r.l.)