Pixel Wars: preludio

Come spiegano bene gli amici di Scientificast (in Quanti MegaPixel?), in questi ultimi anni le macchine fotografiche tradizionali (quelle con la pellicola) sono state soppiantate dalla tecnologia digitale, prima con le macchine digitali compatte e poi con i telefonini con fotocamera. La fotografia è passata da passione di pochi a mezzo di comunicazione per tutti, con la ricerca da parte delle aziende produttrici della giusta strategia comunicativa per spingere il consumatore ad avere l’ultimo ritrovato tecnologico (non che avere un’ottima macchina sia garanzia di ottime foto, anzi).

E qui è partita la corsa ai Megapixel, l’unico parametro percepito dal consumatore quadratico medio come sinonimo di qualità. Come si spiega bene nel pezzo di cui sopra, aumentare i pixel significa tipicamente renderli più piccoli e quindi ottenere sensori più rumorosi, il che equivale a foto meno nitide cioè con risoluzione effettiva minore, con buona pace dell’aumento di pixel. E di solito i sensori delle macchine fotografiche (specie quelle compatte) sono davvero piccoli e con molti pixel.

In realtà nel tempo le tecnologia è avanzata per cui oggi a parità di dimensioni dei pixel si riescono ad ottenere sensori molto meno rumorosi. Siamo passati dalla tecnologia CCD a quella CMOS ed ultimamente ai sensori back-illuminated o BSI proprio per diminuire il rumore elettronico. Tecnologie arrivate ora al grande pubblico dopo essere state sperimentate in ambiti di ricerca. Già nel 1999 durante la mia tesi ho lavorato ad una camera CCD per il telescopio da 70 cm di Monte Porzio sensore con sensore CCD back-illuminated da 1024×1024 pixel (1 Mpx). Pensate che per ridurre il rumore, quella camera era raffreddata ad azoto liquido.

Ma torniamo a noi. Per dare qualche numero, le fotocamere compatte tradizionali hanno sensori da 1/2.3” (una misura che deriva dai tubi catodici, ma questa è un’altra storia che trovate qui), che equivale ad un sensore rettangolare da 6.16mm x 4.62mm. Se mettete in un sensore da 1/2.3” 16 Mpx avrete, con un conto molto approssimato, perché i pixel non coprono realmente tutta l’area, dei pixel da 1.3 um x 1.3 um ovvero 1.7 um2. Attenzione perché sensori così piccoli sono spesso montati anche su macchine più avanzate,  come le bridge, che possono arrivare a costare cifre non indifferenti pur con questi sensori di fascia bassissima.

Macchine (anche compatte) di migliore qualità montano sensori da 1/1.7” e cioè pixel (sempre considerando 16 Mpx) da 1.6 um x 1.6 um (2.56 um2) il che vuol dire che a parità di condizioni ogni pixel riceverà circa una volta e mezza la luce del sensore di prima. Vuol dire che con la stessa elettronica potete avere una macchina che arriva ad una sensibilità 1.5 volte maggiore  (ad esempio 300 ISO invece di 200 ISO) mantenendo lo stesso livello di rumore. Le reflex entry level hanno sensori (APS-C) da circa 24 mm x 16 mm e le reflex professionali hanno sensori, detti full-frame, con dimensioni analoghe a quelle della pellicola 35 mm e cioè da 26 mm x 36 mm. Visto che gli ultimi modelli montano tipicamente sensori da 24 Mpx o più, ci troviamo di fronte a pixel da 4 um x 4 um  (16 um2) oppure 6 um x 6 um (36 um2) per le full frame.

Per una idea sulle dimensioni dei sensori (anche se contano di più i pixel) sono interessanti le seguenti immagini.

24 x 36
APS
4/3”
1/1,6”
1/2,3”
1/2,5”

  fonte aristidetorrelli.it

fonte miol.it

A supporto del discorso sulla qualità (minore rumore) dei sensori c’è anche da considerare che recentissime macchine di alta fascia (come la Nikon D4) montano sensori full frame da solo 16 Mpx per aumentare la dimensione del singolo pixel. Pixel più piccoli implicano anche che la vostra ottica deve essere di ottima qualità, altrimenti le distorsioni ottiche renderanno inutili tutti i vostri Mpx.

Dopo questa introduzione arriviamo al motivo di questa serie di post.

Nokia Lumia 1020 con sensore da 41 Mpx

La domanda a cui voglio tentare di rispondere è se tutti questi Mpx siano utili davvero oppure siano solo una trovata di marketing. Per prima cosa il sensore del Lumia 1020 è davvero grande, 1/1.5”, più grande  quindi di quelli da 1/1.7” montati sulle compatte di fascia alta. Ma come abbiamo visto sopra, quello che conta davvero è la dimensione del pixel, che in questo caso è da 1.1 um x 1.1 um (1.21 um2), cioè un area non molto distante da quella delle macchine compatte.

Qual è stata quindi la convenienza di inserire così tanti pixel? Una quantità di pixel così elevata certo non serve in una singola foto, a meno che non vogliate stampare un poster da un metro di lato. Inoltre gestire in memoria una così grande quantità di informazioni diventa difficile da un punto di vista computazionale. Per cui il Lumia 1020 introduce una modalità detta Dual Capture che permette di acquisire contemporaneamente una foto ad altissima risoluzione, insieme ad una foto a 5 Mpx. Questa modalità è attiva solo con l’app Nokia Pro Cam, sviluppata appositamente per poter gestire le foto ad alta risoluzione e per poter regolare tutte le impostazioni di scatto in modo davvero comodo e funzionale. Per tutte le altre app la fotocamera produce solo foto a 5 Mpx. Con questa tecnica, denominata oversampling, i 41 Mpx vengono combinati per ottenerne soltanto 5. Ma in questo caso è come se scattassimo con un sensore con pixel di quasi 10 um2 di area. Cioè pixel poco più piccoli di quelli di una reflex APS-C. In un telefono. Impressionante.

Per avere una idea, le fotocamere dei telefoni (iPhone 5, Galaxy S4) sono tipicamente da 1/3.2”, cioè circa un quarto dell’area di quello del 1020.

theverge-lumia-1020-sensor-size-comparison

fonte: PhoneArena

L’altro motivo per cui potrebbe essere interessante avere 41 Mpx è per ottenere una immagine solo da una porzione dello scatto originale. Visto che i cellulari di solito non sono provvisti di uno zoom ottico, il ritaglio di una porzione di immagine è una tecnica intelligente per avere un ingrandimento. Di solito gli zoom digitali producono immagini di scarsa qualità, perché i pixel necessari per la visualizzazione ingrandita non esistono nella foto originale e vengono creati con tecniche di interpolazione. Non se avete un sensore da 41 Mpx. In questo modo potete avere uno zoom fino a 3x senza dover inventarvi nessun pixel. Basta usare quelli che sono presenti. Ovviamente le performance di nitidezza diminuiscono al diminuire della dimensione equivalente del pixel (all’ingrandimento massimo avrete un pixel pari a quello di una compatta economica). L’altro vantaggio di questo approccio per lo zoom è che l’immagine a piena risoluzione viene comunque salvata, quindi potete decidere di cambiare la porzione ingrandita successivamente allo scatto e correggere eventuali difetti di inquadratura della vostra foto.

Ovviamente questa abbondanza di pixel è utilizzata per ingrandire anche durante i video, che però, in alta definizione, arrivano poco oltre i 2 Mpx. Questo permette di ingrandire, fino ad utilizzare tutti i pixel, fino a 4x per il 1080p e fino a 6x per il 720p. Ovviamente anche in questo caso le performance saranno quelle di una compatta.

C’è da dire che in realtà le foto prodotte dal Lumia 1020 non sono da 41 Mpx. Infatti quello è il numero totale dei pixel del sensore che però non viene mai utilizzato per intero. A seconda che vogliamo fare una foto in formato 4:3 oppure 16:9 il sensore viene utilizzato interamente lungo uno solo dei due lati, come si vede nello schema seguente.

image

Fonte: Lumia 1020 official white paper

Per cui in realtà la risoluzione delle foto è di 33.6 Mpx in 16:9 e di 38.2 Mpx in 4:3.

Per massimizzare la luce in ingresso, e aumentare di conseguenza il rapporto segnale/rumore, oltre alle dimensioni del singolo pixel è importante anche quanta luce fanno arrivare le ottiche sul sensore stesso. L’ostruzione di un gruppo ottico è misurata dal valore minimo del diaframma (o f-stop) che misura l’apertura dell’obiettivo. Gli obiettivi che trovate nei kit reflex economici o quelli delle macchine compatte vanno di solito 3.5 fino a 5.6 (il diaframma minimo aumenta con lo zoom, cioè per alti ingrandimenti entra meno luce), mentre zoom professionali che costano più di un migliaio di euro hanno diaframmi minimi costanti a 2.8 lungo tutta l’estensione dello zoom. Sotto questo aspetto, Nokia ha fornito il Lumia 1020 di un’apertura massima pari a 2.2. Il Lumia inoltre ha un sistema di stabilizzazione ottico che permette di fare foto non mosse anche con tempi piuttosto lunghi.

Tutti questi accorgimenti permettono dunque di avere una fotocamera che promette prestazioni di poco inferiori alle reflex di fascia bassa (nella modalità a 5 Mpx) con capacità di effettuare zoom fino a 3x mantenendo comunque una qualità comparabile a quella di una buona compatta.

Vedremo nei prossimi pezzi alcuni confronti e scopriremo se il Lumia 1020 riesce a mantenere fede alle sue promesse.

“Cominciata la guerra dei pixel è…”


La mia recensione del Lumia 1020 con qualche scatto di esempio:
Lumia 1020: primo contatto
Provate a farlo con un altro telefono #aworldofdetails

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