A ognuno il suo: l’attrezzatura digitale
“Senti, mi devo comprare una macchina fotografica, visto che sei un fotografo, cosa mi
consigli? Credi che mi basteranno 10 megapixel?”
Quello della scelta dell’attrezzatura è un problema che il digitale ha in comune con
l’analogico, con l’aggravante che anche chi si era fatto un’idea sull’analogico deve rivedere
alcuni importanti aspetti passando al digitale.
Non pretendo di affrontare, nel poco spazio a nostra disposizione, il problema della scelta
dell’attrezzatura. Vorrei però provare a mettere qualche punto fermo su due elementi: il
sensore e gli obiettivi. Cercheremo di vedere come questi componenti interagiscano tra
loro e come il digitale possa influire sul comportamento di un obiettivo.
Il sensore
Il sensore è senz’altro l’elemento più considerato nella scelta di una macchina fotografica,
se non altro perché è sulla sua risoluzione che le case puntano maggiormente per
pubblicizzare una nuova fotocamera.
Prima di parlare di questo importante elemento vorrei però fare alcune considerazioni:
spesso il sensore viene considerato la forma moderna della pellicola; in fondo è l’elemento
posto dietro l’obiettivo sul quale viene ad incidere la luce. In realtà la cosa è un poco più
complessa; il sensore, come vedremo, si limita a trasformare la luce in segnale elettrico.
Cosa questa molto importante, certo, ma non sufficiente. Dopo il sensore questo segnale
deve essere trattato da un processore mediante uno specifico software. Ogni casa, anzi
quasi ogni modello, ha uno specifico software. E’ questo che provvede a elaborare il
segnale elettrico definendo morbidezza, contrasto e le altre caratteristiche di quella che
sarà la nostra immagine. Se proviamo una stessa pellicola su due apparecchi analogici
differenti che montano lo stesso obiettivo i risultati saranno molto simili, viceversa se noi
potessimo impiantare un sensore di una macchina fotografica su di un’altra, l’immagine
risultante potrebbe essere molto differente.
Fatta questa premessa occupiamoci del sensore. Un sensore è un tipo di trasduttore,
Figura 1 – I sensori ad uso fotografico possono essere realizzati con tecnologie differenti che ne fanno
variare caratteristiche e prezzi. Nella figura a sinistra un sensore CCD, a destra un sensore MOS.
ossia è un dispositivo che trasforma la luce in un segnale elettrico.
Il sensore fotografico si può considerare formato da una serie di celle affiancate,
Figura 2 – Un sensore fotografico può essere considerato una scacchiera formata da sensori; mediante
l’utilizzo di filtri ogni punto produce un pixel il cui colore corrisponde al colore della luce che lo colpisce.
ognuna delle quali è sensibile ad uno dei colori necessari per formare un’immagine (rosso,
verde e blu). Questa sensibilità selettiva è ottenuta sovrapponendo ad ogni cella un filtro di
colore opportuno.
Le caratteristiche principali di un sensore, o quantomeno le più note, sono la risoluzione e
la dimensione. Entrambe queste caratteristiche possono variare molto in funzione dell’uso
e del costo del sensore stesso e, quindi, dell’apparecchio al quale è destinato. In realtà
avremo modo di vedere che ci sono altre caratteristiche da considerare, ma occupiamoci
per il momento di queste due.
Ormai anche i fotografi più distratti hanno sentito parlare della risoluzione; come abbiamo
detto il sensore è costituito da una griglia di sensori disposti su un'area rettangolare.
La scena fotografata viene scomposta in un insieme di punti rettangolari chiamati pixel.
Se consideriamo un sensore costituito da una griglia 25x20, l'immagine prodotta sarebbe
larga 25 pixel e alta 20, quindi avrebbe un totale di 25x20=500 pixel.
La stessa scena, fotografata con un sensore da 250x200 punti, sarebbe costituita da
50.000 pixel. Il numero di pixel è la risoluzione del sensore e viene misurata in Megapixel
(ossia milioni di pixel).
Più elevato è il numero di punti del sensore, più alta è la risoluzione dell'immagine
prodotta, maggiore l’informazione contenuta nell'immagine e maggiore lo spazio
necessario per salvarla.
Attenzione però alla pubblicità ingannevole: alcune macchine fotografiche di marche
sconosciute dichiarano di avere 4 Mpixel. Leggendo con attenzione le caratteristiche
tecniche si scopre però che il sensore è da 1 o 2 Mpixel, e che i 4 Mpixel sono interpolati.
L'interpolazione è un procedimento che aumenta il numero di pixel generando i pixel
mancanti in base a particolari algoritmi. L’aumento di risoluzione ottenuto in questo modo
non aumenta la quantità di informazioni presenti nell’immagine.
Per quanto riguarda la dimensione del sensore ci sono molte possibilità, che dipendono
dal costo e dall’uso che intendiamo fare del sensore: un conto è una reflex, un altro un
telefonino.
Figura 3 – Dimensioni più comuni di sensori fotografici. Partendo dalle dimensioni della pellicola 35mm.,
dimensioni ormai raggiunte anche da diversi sensori, si può notare come i loro formati principali siano
sensibilmente inferiori. Questo fatto ha conseguenze sulla focale effettiva degli obiettivi e sulla qualità
dell’immagine finale. Sensori di dimensione pari o minore di 2/3” sono usati principalmente nei telefonini
dotati di fotocamera.
La grandezza del sensore ha un peso notevole sulle prestazioni della fotocamera
influendo su lunghezza focale, luminosità e profondità di campo. Vediamo come.
Diminuendo la dimensione del sensore, a parità di obiettivo, la porzione di immagine che
riusciamo a riprendere è minore;
Figura 4 – Porzione di immagine visibile a parità di obiettivo per sensori di dimensioni differenti. In giallo
sensore con fattore moltiplicativo 1,3 (utilizzato ad esempio nella Canon 1D), in rosso sensore con fattore
1,5 (usato ad esempio in alcune serie della Nikon) e in verde fattore moltiplicativo 1,6 (Canon 350D). Alcune
fotocamera della Canon (serie 5D e 1Ds) hanno sensori di dimensioni pari al 35mm., in questo caso
l’immagine ripresa coincide con quella della pellicola. Utilizzando il fattore moltiplicativo è possibile calcolare
con una semplice operazione la lunghezza focale equivalente. Ad esempio un obiettivo da 50mm usato con
un sensore con fattore moltiplicativo 1,6 corrisponde ad un 80mm. (1,6 x 50 = 80).
questo fenomeno, dà luogo al fattore di crop o di moltiplicazione: la lunghezza focale di un
obiettivo utilizzato con una camera digitale non ha gli stessi effetti di quelli che avrebbe
nell’analogico. Per ottenere la lunghezza equivalente occorre moltiplicare la lunghezza
focale dell’obiettivo per il fattore di conversione (generalmente 1.6). Ho parlato
intenzionalmente di effetto sulla lunghezza focale: un obiettivo, infatti, non cambia la sua
lunghezza focale solo perché cambia la dimensione del sensore, semplicemente gli effetti
a parità di lunghezza focale differiscono in base alle dimensioni del sensore.
Questo comportamento, pur se da un lato comporta la perdita di una parte dell’immagine,
ha anche un vantaggio: quasi tutti gli obiettivi hanno nitidezza maggiore nella zona
centrale, mentre la qualità tende a degradare man mano che si raggiunge il bordo. Il
sensore taglia la parte più esterna dell’immagine ossia la parte di qualità inferiore.
Figura 5 – Porzione dell’obiettivo utilizzata dal sensore (in nero). Si noti come sensori più piccoli taglino la
parte esterna dell’obiettivo, quella più vicina ai bordi. Questo taglio rende impossibile usare obiettivi nati per
il digitale sulle fotocamere tradizionali, in quanto questi obiettivi coprirebbero solo la parte centrale del
sensore.
Obiettivi di qualità inferiore hanno quindi una resa maggiore se utilizzati su apparecchi
digitali. Nella pratica questo vantaggio è reso meno evidente dal fatto che con sensori più
piccoli si ha la necessità di utilizzare obiettivi con lunghezza focale minore (proprio a
causa del fattore di conversione), e questi hanno generalmente resa ottica minore di quelli
a focale maggiore.
Anche la luminosità di un obiettivo è influenzata dalla dimensione del sensore: sensori più
piccoli richiedono obiettivi più luminosi (a parità di altre condizioni). La quantità di luce che
possono catturare è infatti minore rispetto a quella ottenuta con sensori di maggiori
dimensioni che generalmente hanno pixel di dimensioni maggiori. (vedi il box di
approfondimento)
Per quanto riguarda la profondità di campo, questa decresce con il crescere delle
dimensioni del sensore. Ciò in realtà non è una caratteristica fisica, ma è dovuto al fatto
che per ottenere la stessa copertura dell’immagine, a causa del fattore moltiplicativo, sono
costretto ad utilizzare lunghezze focali maggiori che hanno profondità di campo minore.
Per ottenere quindi la stessa profondità di campo devo utilizzare diaframmi più chiusi. Ad
esempio per ottenere la stessa profondità di campo che avrei utilizzando un obiettivo da
10mm a f/11, con una fotocamera con fattore moltiplicativo 1,6 dovrei usare un obiettivo
da 16mm e un’apertura f/18.
Ciò che abbiamo visto non esaurisce l’argomento sensori, ma ci permette di comprendere
meglio come questo importante elemento influisca sulle nostre immagini.
Gli obiettivi
Vediamo ora le principali caratteristiche di un obiettivo e come queste influenzino e siano
influenzate dal sensore.
Lunghezza focale
Si definisce lunghezza focale la distanza tra la superficie dell'obiettivo e il punto nel quale
converge la luce. Gli obiettivi in cui la lunghezza focale non può cambiare si chiamano
obiettivi a focale fissa; dove può variare l'obiettivo prende il nome di focale variabile o
zoom. La lunghezza focale è espressa in millimetri (es. 135mm per focale fissa o 35135mm per focale variabile).
Aumentando la lunghezza focale l’immagine risulta ingrandita e ha un angolo di campo più
piccolo.
Parlando di lunghezza focale non posso almeno accennare ad una novità specifica del
digitale: lo zoom digitale. Di fatto lo zoom digitale non è altro che un ritaglio ingrandito di
una parte dell’immagine presa alla massima risoluzione. Questo comporta che mostrerà
dettagli poco definiti e che si può ottenere lo stesso risultato ritagliando l’immagine con
computer usando un normale programma di fotoritocco e poi ingrandendolo con l'aggiunta
di pixel calcolati matematicamente (interpolazione). Il principale utilizzo dello zoom digitale
è quello di rendere più precisa la messa a fuoco manuale.
Apertura o luminosità
Rappresenta il principale sforzo nella ricerca tecnologica in cui sono impegnate le case
produttrici di ottiche fotografiche. I teleobiettivi per essere molto luminosi necessitano di un
sovradimensionamento delle lenti che determina l’incremento di alcune aberrazioni ottiche
e l’aumento del peso (e del costo). Il problema consiste nella scelta tra obiettivi meno
luminosi ma leggeri e più economici, oppure luminosi ma pesanti e costosi; come al solito
la scelta deve essere fatta sulla base dell’utilizzo che si fa dell’obiettivo.
L'apertura massima di un obiettivo è uguale alla lunghezza focale diviso il diametro interno
dell'obiettivo. Maggiore è l'apertura massima, più luminoso sarà l'obiettivo, ossia maggiore
è la luce che passa.
La quantità di luce che attraversa le lenti è regolata da un dispositivo chiamato diaframma,
situato di solito all'interno dell'obiettivo. La sua dimensione determina la profondità di
campo e di conseguenza quella di fuoco. Il valore di diaframma indicato sull'obiettivo è la
massima apertura ottenibile.
Angolo di campo
L'immagine formata dall'obiettivo sulla superficie posta in corrispondenza del piano focale
è di forma circolare.
All'interno di questo cerchio è posto il sensore. L'angolo di campo è quello misurato al
vertice di un triangolo isoscele con base sulla diagonale del sensore; varia quindi in
funzione del formato del sensore e della lunghezza focale: è più ampio quando questa è
corta e viceversa.
Figura 6 – Angolo di campo. L'obiettivo rifrange i raggi luminosi e li focalizza a una distanza equivalente alla
sua lunghezza focale. Il diametro del cerchio immagine che così si viene a formare è la base del triangolo
isoscele di raggi rifratti dall'obiettivo, triangolo che ha per altezza la lunghezza focale dell'obiettivo. L'angolo
(α) al vertice del triangolo ABC è l'angolo di campo dell'obiettivo.
Profondità campo
Per ogni regolazione dell'obiettivo, c'è una sola distanza alla quale gli oggetti appaiono
perfettamente a fuoco, allontanandosi da questa distanza in avanti o indietro la nitidezza
diminuisce gradualmente. L’intervallo di spazio davanti e dietro il soggetto in cui la
sfocatura è impercettibile è la profondità di campo. Occorre tenere presente che a causa
dell'angolo di incidenza dei raggi luminosi il campo nitido è sempre maggiore dietro al
soggetto a fuoco che davanti; più precisamente un terzo della profondità di campo si trova
davanti al soggetto e due terzi dietro.
Figura 7 - Profondità di campo. Variare la profondità di campo ci permette di ottenere effetti diversi
sull’immagine. Nel ritratto, ad esempio, lo sfondo sfocato permette di evidenziare il volto del soggetto. Nelle
due immagini la stessa inquadratura con stessa focale con apertura di diaframma differente. (5 per
l’immagine a sinistra e 32 per quella a destra)
Sono molti i fattori che incidono sulla profondità di campo. I più importanti sono la
lunghezza focale, la distanza del soggetto, e l'impostazione del diaframma della
fotocamera.
Obiettivi con lunghezza focale maggiore hanno una minore profondità di campo. Questa
nota asserzione richiede una precisazione: in effetti questo rapporto fra profondità di
campo e focale dipende più dall'uso che si fa delle focali di diversa lunghezza che non da
proprietà fisiche delle lenti. E’ sufficiente allontanarsi o avvicinarsi al soggetto per avere la
stessa profondità di campo tra due obiettivi di focale diversa.
A parità di condizioni, la profondità di campo risulta tanto maggiore quanto più il soggetto
è distante. La distanza alla quale la profondità di campo è maggiore si chiama distanza
iperfocale.
Per quanto riguarda il rapporto con l’apertura del diaframma, a maggiori aperture del
diaframma corrisponde una minore profondità di campo, e viceversa.
Una piccola curiosità: l’occhio può essere considerato un obiettivo con una lunghezza
focale di 17 mm e il cui sensore ha una superficie di oltre 1500 millimetri quadrati (quasi il
doppio di una pellicola 35 mm).
Esposizione: diaframma, otturatore e sensibilità.
In fotografia, il concetto di esposizione è di fondamentale importanza. Non abbiamo qui lo
spazio per affrontare questo tema, ci limiteremo quindi a definirlo brevemente e a vedere
in quale misura il digitale influenza questa grandezza. Vorrei inoltre sottolineare come su
questo tema, più ancora che su altri nella fotografia, è fondamentale l’esperienza; solo
questa permette di considerare le innumerevoli condizioni che intervengono nella scelta
dell’esposizione e di tenere conto di come ogni singola scelta (diaframma, tempi e
sensibilità) influisca sul risultato finale.
L’esposizione è uguale all’intensità luminosa per il tempo. Possiamo dire che dipende da
tre fattori: apertura del diaframma, tempo di esposizione e sensibilità della pellicola. Il
rapporto che intercorre tra questi tre elementi è tale che parità di condizioni di luce, si
ottiene la stessa esposizione se aumentando un fattore se ne diminuisce un altro nello
stesso rapporto. Ad esempio, portando il tempo da 1/125 a 1/250, quindi dimezzando
l'esposizione alla luce, si può scegliere se raddoppiare il diaframma oppure la sensibilità
della pellicola: in entrambi i casi la quantità di luce che colpisce il sensore è la stessa.
Come sempre a complicare la vita del fotografo ci sono molti fattori che intervengono in
questo rapporto: controluce, capacità di riflettere la luce del soggetto ecc.
Allo stato attuale il diaframma e l’otturatore sono i componenti della fotocamera che meno
hanno risentito dell’enorme progresso tecnologico fatto dalla fotografia. A mio avviso però
la ricerca porterà, anche se occorreranno ancora diversi anni, grandi novità anche per
questi elementi, si pensi ai superconduttori e ai nuovi materiali.
Il diaframma è il meccanismo in grado di regolare il diametro del fascio di luce che,
passando attraverso un obiettivo, raggiunge la superficie sensibile. L’otturatore è invece il
meccanismo che consente di regolare la durata dell'esposizione del materiale sensibile
negli apparecchi fotografici. Possono essere di due tipi: centrale a lamelle e a tendina
Figura 8 - Otturatori. Gli otturatori fotografici possono essere di due tipi: centrale a lamelle (a sinistra
nell’immagine) e a tendina (a destra nell’immagine).
Abbiamo detto che la regolazione di questi due elementi ci permette di variare
l’esposizione e che la stessa esposizione si ottiene indifferentemente variando l’uno o
l’altro. Occorre però specificare che, pur con la stessa esposizione, non avremo la stessa
immagine. Va tenuto conto del fatto che tempi troppo lunghi fanno aumentare il rischio del
mosso e richiedono l’uso di un cavalletto per ottenere un’immagine nitida.
Ma non sempre il mosso è considerabile un errore; talvolta è un effetto voluto per
evidenziare il movimento o per ottenere effetti particolari. Per mettere in evidenza il
movimento può utilizzare l’effetto panning: in pratica si tratta di mantenere quanto più a
fuoco il soggetto sfuocando lo sfondo. Per ottenere questo risultato durante lo scatto è
necessario seguire con la fotocamera il movimento del soggetto. In pratica non esistono
regole fisse sui tempi da utilizzare, consiglio di fare più prove partendo da 1/30 di secondo
e aumentando i tempi.
Come per molte cose il digitale ci aiuta anche in questo caso permettendoci di creare
l’effetto panning in post-produzione con il computer. Partendo da un’immagine a fuoco
isoliamo il soggetto con la “bacchetta magica” e con il “lazo”, poi dal menu selezione
scegliamo “inversa” per selezionare lo sfondo. Per ottenere l’effetto movimento
utilizzeremo il filtro “sfocatura -> effetto movimento”. Effetti gradevoli si ottengono con una
“distanza pixel” a partire da 50 (ma come al solito consiglio di provare diversi valori fino ad
ottenere il risultato voluto). Per ottenere un effetto più realistico nel caso di soggetti su
mezzi meccanici come bici, moto o auto, si può agire sulle ruote per dare l’idea del
movimento. Anche in questo caso selezioniamo le ruote con il “lazo” poi applichiamo il
filtro “Stilizzazione -> effetto vento”.
Interessante è anche l’effetto che si ottiene sull’acqua che scorre mediante l’utilizzo di
tempi lunghi.
Figura 9a/b - Utilizzo di tempi lunghi. Non sempre l’esposizione tecnicamente perfetta è la migliore, spesso il
fotografo sente la necessità di manovrare tempi e apertura del diaframma per ottenere effetti particolari.
Nelle immagini vediamo l’uso di tempi lunghi di esposizione (2 sec. nell’immagine di sinistra e 4 sec. in
quella di destra) che ci permettono di accentuare l’impressione di movimento dell’acqua che scorre.
Naturalmente è necessario l’uso del cavalletto.
Conclusioni
Come anticipato in apertura, mi sono limitato a parlare di due soli componenti
l’attrezzatura fotografica. Non ho neanche risposto alle ipotetiche domande poste all’inizio.
La scelta approfondita dell’attrezzatura richiede soprattutto esperienza. Insomma il mio
intento non è quello di dare delle soluzioni ma solo fornire alcuni mezzi per permettervi di
raggiungere la migliore delle decisioni: quella fatta in base alla vostra esperienza.
Massimo Isotti
Box approfondimento - Sensori e dimensione dei pixel
La dimensione del sensore non influisce solo sul numero di pixel e quindi sulla risoluzione,
ma anche sulla dimensione del singolo pixel. In genere sensori più grandi hanno pixel più
larghi. La dimensione del singolo pixel influenza a sua volta l’immagine finale in diversi
aspetti. I due aspetti senza dubbio più interessanti sono l’aumentare della gamma
dinamica e l’aumento del rapporto segnale-rumore.
La gamma dinamica rappresenta l’intervallo di toni che un sensore è in grado di catturare
tra il bianco e il nero. Dato che pixel più grandi hanno un maggior volume, riescono a
immagazzinare un numero maggiore di fotoni (le particelle elementari della luce), ciò
comporta un aumento della gamma dinamica.
Il rapporto segnale-rumore è dato dalla divisione del segnale per il rumore. Per
comprendere bene il fenomeno conviene fare un esempio: supponiamo di trovarci ad una
festa con molti invitati e di cercare di conversare con un amico. In questo contesto il
rumore è, evidentemente, quel sottofondo acustico dovuto agli altri invitati, mentre il
segnale è formato dalla nostra conversazione. Perchè la conversazione sia intelligibile è
necessario che il segnale sia maggiore del rumore; maggiore è il rapporto tra il segnale e il
rumore, migliore è la qualità della mia conversazione. Nella fotografia il segnale è
l’immagine che voglio riprendere, il rumore è un disturbo che il sensore introduce quando
trasforma la luce in segnale elettrico.
La maggiore dimensione del pixel rende maggiore il flusso di fotoni che viene assorbito nel
tempo di esposizione scelto, ciò rende più forte il segnale. Dato quindi che il rumore di
fondo è costante il rapporto tra il segnale utile e il rumore (rapporto segnale/rumore)
aumenta dando un’immagine più uniforme.
Figura 10 - Rumore di fondo. A sinistra un immagine “pulita”: il rumore di fondo è praticamente inesistente. A
destra un immagine con un rumore di fondo marcato, si noti come il rumore di fondo influisca sulla qualità
delle immagini in modo particolare nelle zone di colore uniforme (ad esempio il cielo). Con pixel di
dimensioni maggiori è possibile diminuire l’effetto che il rumore ha sull’immagine aumentando la quantità di
segnale luminoso che raggiunge il sensore.
La dimensione dei pixel non è l’unico elemento ad influire sul rapporto segnale/rumore,
oltre ad aumentare il segnale è infatti necessario diminuire il rumore. Il rumore non può
essere completamente eliminato, può però essere contenuto attraverso il processo
industriale di realizzazione dei sensori e aumentando l’efficienza con la quale la
fotocamera estrae le informazioni tonali da ogni pixel.
Perché allora i costruttori continuano a realizzare sensori piccoli? Il motivo, come al solito,
è di ordine economico: il costo di un sensore cresce sensibilmente con l’aumento delle
dimensioni, raddoppiare l’area di un sensore ne aumenta il costo di circa quattro volte.
Questo è dovuto al fatto che i sensori sono realizzati con “fette” di silicio.
Figura 11 – Rapporto costi/dimensione sensori. Vediamo nelle figure perché il costo del sensore non segue
un rapporto lineare con la sua dimensione. Le due figure rappresentano due “fette” di silicio con le linee di
taglio necessarie per realizzare sensori di dimensione (superficie) una quadrupla dell’altra. Due sono le
problematiche di cui dobbiamo tenere conto. La prima considerazione da fare è il numero di sensori che
possiamo ricavare da ogni fetta: considerando solo i quadrati completi vediamo che nel primo caso
ricaviamo 45 sensori, nel secondo caso ne otteniamo 8; considerando che i primi sensori hanno una
dimensione quadrupla ne avremmo dovuti ottenere 11(45/4=11,25) abbiamo quindi “sprecato” il 27% del
nostro materiale. La seconda considerazione riguarda le imperfezioni: anche il miglior materiale ha alcune
imperfezioni che lo rendono inutilizzabile, abbiamo rappresentato queste imperfezioni con puntini bianchi. Si
noti che nel caso di sensori piccoli la quantità di materiale inutilizzabile è quattro volte minore di quella che
abbiamo con sensori più grandi. Considerando entrambi questi elementi risulta chiaro perché un sensore
quattro volte più grande costi intorno alle otto volte di più.
Queste fette non sono esenti da difetti: riuscire a ritagliare da una fetta una porzione
grande che abbia un numero molto basso di imperfezioni genera un grande scarto di
silicio, e il silicio ha un costo elevato.