Il sensore fotografico. Qual è quello giusto?

In questo articolo ci piacerebbe fare una piccola disquisizione (senza addentrarci troppo in dettagli tecnici)  della differenza tra i diversi tipi di sensori, dimensioni, megapixel e il modo in cui tali elementi influenzino la post-produzione.

Sensori

Sia che si parli di utenti alle prime armi o di professionisti del settore, tutti più o meno sono a conoscenza che, uno degli elementi fondamentali di un corpo macchina (da considerare come un vero e proprio cuore), è rappresentato dal sensore digitale che può differire per tipologia e dimensione. Questo elemento, non è altro che un chip a base silicea, contenente milioni di componenti fotosensibili, che convertono la luce raccolta attraverso l’obiettivo in segnali elettrici che poi vengono processati per dare forma all’immagine bidimensionale della scena catturata.

Le specifiche del sensore sono un’importante considerazione quando bisogna scegliere quale fotocamera acquistare, perché influenzerà direttamente la scelta successiva degli obiettivi, la risoluzione delle immagini catturate e il livello di aberrazione visibile nelle immagini.

Per motivi di comodità e per non addentrarci in una lunga lista di differenze tecniche, ci soffermeremo parlando dei due tipi di sensori più comuni:

• il CCD (Charge Coupled Device)
• il CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

La tecnologia dietro ai sensori digitali CCD e stata sviluppata nei tardi anni ’60, quando gli scienziati dei laboratori Bell stavano effettuando la sperimentazione per creare un nuovo tipo di memoria a semiconduttore da usare per i computer. Ulteriormente, negli anni ’70, i sensori CCD sono stati incorporati nelle prime videocamere a stato solido.

La differenza tra CMOS e CCD è nel modo in cui il sensore cattura e converte la luce in un'immagine digitale.

Diciamo pure per semplificare che il CCD è un sensore che produce una qualità d’immagine molto alta, ma che, per sua specifica progettazione, necessita di una complessa circuitazione e di una serie di componenti supplementari particolari.

Rispetto alla tecnologia un po’ più recente e più economica dei CMOS, i CCD hanno il vantaggio di avere un rapporto tra segnale e rumore migliore, di permettere una sensibilità maggiore da parte del dispositivo di acquisizione, di permettere la costruzione si elementi di base (pixel) più piccoli e hanno finora rappresentato il punto di riferimento per le prestazioni in ambito fotografico, scientifico e applicazioni industriali che richiedevano la massima qualità dell'immagine possibile, anche a discapito delle dimensioni del sistema.

Dal canto loro i CMOS hanno il vantaggio di essere più economici, di integrarsi più facilmente nei circuiti degli apparecchi che li ospitano, di consumare meno corrente (e in questo senso sono molto interessanti a causa della durata critica delle batterie) e di consentire la costruzione di dispositivi più compatti (piccole fotocamere consumer o nelle fotocamere dei cellulari). Questo non tanto per le dimensioni del sensore, ma perché non richiedono quei dispositivi supplementari (es. generatori di frequenze diverse) tipici del CCD.

Gli sforzi dei progettisti di CMOS sono stati direzionati a raggiungere una più alta qualità dell'immagine, mentre i costruttori di CCD hanno lavorato per ridurre il consumo energetico e le dimensioni dei pixel.

Il risultato è che mentre fino a pochi anni fa c'era una netta divisione di ambiti fra i sensori CMOS, legati a foto e videocamere consumer e cellulari, e CCD presenti su fotocamere reflex professionali e dorsi digitali, ora non è più così. Mentre i dorsi digitali montano esclusivamente sensori CCD per la maggiore precisione cromatica e qualità dell'immagine a discapito di dimensioni e consumi, il mondo delle reflex digitali professionali e prosumer ha visto un proliferare di fotocamere con sensori CMOS a fianco di quelle che montano CCD.

I sensori CMOS, hanno subito moltissime implementazioni in questi ultimi anni, richiedono minori componenti e consumano meno energia, ma generalmente necessitano della presenza di un chip che ottimizzi la qualità dell'immagine, incrementando così il costo e riducendo il vantaggio sui consumi.

Insomma...entrambe le tecnologie presentano punti di forza e di debolezza che le rendono più adatte per certe applicazioni e non altre, ma il nostro scopo non è quello di discutere su quale sia il sistema migliore, bensì incentrare l'attenzione su come le dimensioni dei sensori e i megapixel possono influenzare la post-produzione.

Megapixel

Uno dei punti di forza dal punto di vista marketing per la presentazione di un nuovo dispositivo di acquisizione di immagini, è sicuramente quello di sottolineare il numero sempre crescente di megapixel ed è facile trovare in rete, numerosissimi articoli che cercano di spiegare se sia poi così vero che il valore sempre più alto, sia sinonimo di un'immagine di alta qualità.

Nel corso degli anni, abbiamo assistito ad una continua lotta tra i produttori che si sono sfidati aumentando la quantità di megapixel nei loro corpi macchina, superandosi a vicenda. Ciò ha creato un effettivo aumento nelle vendite perché tutti hanno automaticamente assunto che maggiore era il numero, migliore era la qualità.

Questo tuttavia non è sempre vero.

Facciamo un esempio: negli ultimi anni, i dispositivi Apple e Android sono stati muniti di fotocamere sempre più performanti (negli ultimi modelli è addirittura possibile scattare in formato raw), come anche le piccole fotocamere compatte raggiungendo i 20 o addirittura 40 megapixel. Questo significa che la qualità di scatto di un cellulare o una compatta da 20 megapixel equivalga al medesimo scatto eseguito su una reflex professionale con lo stesso numero di megapixel?

Per capire meglio questo, diamo prima un'occhiata alle dimensioni dei sensori più comuni sul mercato oggi: 

E' decisamente percepibile la differenza di dimensioni tra 1 2/3” e un sensore full frame (senza parlare dei sensori medio formato). Basta dare un'occhiata ai due rettangoli neri qui sotto che rappresentano, in proporzione,  la differenza di dimensioni tra un sensore full frame 36 x 24 mm (a sinistra) e un sensore da 5,7 x 4,2 mm (a destra) che si trovano più comunemente nelle fotocamere compatte e negli smartphone. 

Se entrambi i sensori possono produrre immagini da 20 megapixel, quale dei due genererà il file di qualità più alta?

Bene, il sensore più piccolo, anche se è munito dello stesso numero di megapixel, come da scheda tecnica, prende meno luce e cattura meno informazioni.  Pertanto, al fine di produrre lo stesso valore di megapixel del sensore full frame, la fotocamera deve optare per una sorta di simulazione,  ingrandendo l'immagine usando un'interpolazione tramite il processore interno.  Questa operazione, produrrà un file dalle medesime dimensioni su entrambi i dispositivi, ma quello prodotto dal sensore più piccolo, sarà innegabilmente  più sfocato e distorto con difetti molto evidenti ad un ingrandimento del 100%.

È importante capire che per fare in modo che un sensore con un alto numero di megapixel produca un'immagine di qualità più elevata e più dettagliata, le dimensioni contano davvero.  Ciò non significa che non si possa ottenere un'immagine di buona qualità con un sensore più piccolo, ma i sensori più grandi produrranno sempre la migliore qualità e il più alto dettaglio possibile.

Detto questo è d'obbligo dire che la scelta della dimensione del sensore e del valore di megapixel è direttamente proporzionale alla tipologia di fotografia verso la quale ci si vuole specializzare nonché dalle preferenze personali.

Guardando agli impressionanti sviluppi scientifici, oggi stiamo assistendo a enormi miglioramenti nella tecnologia dei sensori su tutta la linea, in particolare nel medio formato e nei sensori CMOS full frame.  Un esempio dello straordinario sviluppo in questo ambito è dato dall'azienda danese Phase one specializzata nella produzione di macchine medio formato. Phase one ha immesso sul mercato il modello IQ4 che monta il nuovo sensore Sony XF IQ4 da ben 151 megapixel, che è in assoluto il sensore con la risoluzione più alta al mondo, superando di gran lunga anche il sensore montato sull’Hasselblad H6D da 100 megapixel.

La tecnologia del sensore Sony montato sulla Phase One IQ4 è di tipo BSI (Back-Side Illuminated quindi retroilluminato) che introduce un nuovo standard nella fotografia a medio formato garantendo una cattura ininterrotta della luce al fine di ottenere un’immagine di qualità pazzesca con una gestione del “rumore” digitale mai vista sino ad ora. 

Post produzione

Guardiamo questa immagine scattata con una Canon EOS Mark 5Ds da 50 megapixel e notiamo la nitidezza del dettaglio anche con lo zoom al 100%

 Questo è lo stesso scatto ingrandito al 300%, solo un paio di passaggi prima di vedere i singoli pixel:

^{Image courtesy Azzurra Piccardi}

La capacità del sensore di produrre questa tipologia di dettagli diventa fondamentale quando si scatta in maniera professionale garantendo la possibilità di ottenere non solo una grande nitidezza, ma anche di poter intervenire digitalmente con risultati non ottenibili quando si lavora con file creati utilizzando un sensore più piccolo. Basti pensare, ad esempio, come i file RAW prodotti dai sensori di ultima generazione, ci consentono di intervenire sui passaggi di  luci e ombre senza influire sulla qualità generale dell'immagine scattata.  Inoltre, questi sensori di grandi dimensioni sono in grado di elaborare i colori e le tonalità mediante sfumature più uniformi, riducendo al minimo le distorsioni e le alterazioni cromatiche. Anche con un'immagine gravemente sottoesposta, è possibile ripristinare un'esposizione accettabile se non addirittura corretta senza rischiare di perdere molti dettagli o compromettere la qualità del file.  

Detto questo, vogliamo sottolineare, come già ripetuto più volte, che migliore non significa necessariamente migliore a tutti i costi. Ci spieghiamo meglio. Se la vostra attrezzatura risponde in maniera soddisfacente alle vostre necessità, potrebbe non essere necessario effettuare un investimento per “upgradare” il corpo macchina. Se il vostro lavoro verrà pubblicato principalmente online, potrebbe non essere necessario passare ad un medio formato. Battute permettendo  diciamo che il vostro cliente vuole che produciate immagini per il suo sito web dove l'immagine più grande sarà vista al massimo a 1080 pixel, significa che la vostra  immagine prodotta da un sensore da 36 megapixel o più, sarà sempre visualizzata al massimo intorno ai 2 megapixel (1920 x 1080 = 2.073,600 pixel, più o meno).  Pertanto, avere il sensore più grande potrebbe essere eccezionale, ma non effettivamente necessario.

Come sempre, si tratta di esigenze professionali individuali ed il nostro solito suggerimento per quanto riguarda l'acquisto delle attrezzature, è di valutare effettivamente le proprie necessità e ponderare attentamente costi e benefici.

Chiara Camera

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