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5 Canon a Confronto : TEST RUMORE ISO

05. ottobre 2011 | Categorie:

Eos 5D Mark II, Eos 1D Mark IV, Eos 7D, Eos 50D e
Eos 1000D. Studiare il comportamento della propria reflex alle diverse sensibilità ne aumenta la conoscenza e ci permette di capire come sfruttarla al meglio.

Eos 5d MK II - Eos 1D MK IV - Eos 7d - Eos 100d

Partiamo dalla Eos 5D Mark II, ovvero la più recente versione della prima fotocamera che ha portato il formato Full Frame a livello amatoriale. Abbiamo poi la Eos 1D Mark IV, una fotocamera professionale progettata per la fotografia d’azione, con raffica velocissi-ma, altissima sensibilità ed un formato leggermente inferiore al Full Frame, 18,6 x 27,9mm, denominato da Canon APS-H, con un fattore moltiplicativo della focale di 1,3x. Abbiamo poi le più diffuse APS-C, tra cui la professionale Eos 7D, caratterizzata da un’alta velocità di raffica, e la Eos 50D, fotocamera per i fotoamatori evoluti. Completa la panoramica la Eos 1000D, la eflex più economica del catalogo Canon. Va sottolineato che il formato APS-C di Canon è leggermente inferiore a quello di altre case, 14,9 x 22,3mm, con un fattore moltiplicativo della focale di 1,6x.

Le misurazioni

Le nuove misurazioni del rumore che eseguiamo presso il Centro Studi Progresso Fotografico si basano su due elementi fondamentali: l’utilizzo di una quantità di luce costante per tutte le fotocamere per ogni sensibilità nominale impostata, e sull’analisi diretta dei file Raw. Queste scelte consentono di eseguire delle misurazioni i cui risultati risultano indipendenti dalle particolari impostazioni di una fotocamera, e quindi consentono di confrontare il livello di qualità sia del sensore che dei circuiti di lettura. Il confronto può essere eseguito tra fotocamere della stessa marca ed anche di marca diversa: basta confrontare i grafici con ricampionamento delle immagini (quelli riassuntivi).
Rumore e sensibilità
Presentiamo innanzi tutto l’andamento del rapporto segnale/rumore, al variare della sensibilità ISO, misurato al grigio medio, o meglio, con l’intensità di luce alla quale una fotocamera tarata sull’esatta sensibilità nominale fornirebbe un grigio medio.
Per tutte le fotocamere all’aumentare della sensibilità impostata è evidente un progressivo abbassamento del segnale/rumore, ovvero un aumento del rumore nell’immagine (facciamo notare che ad ogni incremento della sensibilità corrisponde un dimezzamento della quantità di luce fornita).
Dato che la fonte principale di rumore è lo Shot Noise (vedi il box degli approfondimen-ti tecnici), che dipende dalle fluttuazioni che sa marca ed anche di marca diversa: basta confrontare i grafici con ricampionamento delle immagini (quelli riassuntivi).

Rumore e sensibilità

Il rumore Shot (Photon Shot Noise)
Il rumore Shot dipende dalla natura stessa della luce, ovvero dalle fluttuazioni che si hanno nel flusso di fotoni. Questo rumore è proporzionale alla radice quadrata del numero di fotoni che giungono sul sensore; è evidente quindi che ad una diminuzione dell’esposizione corrisponda una diminuzione del rapporto tra il segnale ed il rumore stesso.
Se ad esempio i fotoni che giungono al sensore producono all’uscita di un convertitore analogico/digitale a 14 bit un segnale medio di 10000 ADU (Unità Analogico Digitali), non tutti i pixel avranno questo valore, ma la maggior parte di essi avrà valori compresi tra  9900 e 10100, con un rumore quindi di 100.
All’aumentare dell’intensità della luce cresceranno sia il numero di fotoni che il rumore, ma quest’ultimo crescerà molto più lentamente, quindi il rapporto segnale/rumore aumenterà, ovvero l’immagine ci apparirà via via più “pulita”.
E’ importante sottolineare che il rumore Shot è sicuramente la fonte di rumore principale, nel normale utilizzo della fotocamera.
Il rumore di lettura (Read Noise)
I fotoni stimolano negli elementi sensibili del sensore l’emissione di elettroni, uno per ogni fotone. Gli elettroni accumulati vengono poi convertiti in una tensione elettrica, amplificata in base all’impostazione ISO della fotocamera, e quindi convertita in un valore digitale attraverso un convertitore A/D analogico / digitale. Ognuno di questi 3 passaggi è soggetto a fluttuazioni nel segnale elettrico, ovvero a rumore. Esso dipende dalla qualità dei componenti della fotocamera e dalla velocità con cui il processo viene eseguito.
Non si tratta di un rumore ugualmente distribuito nelle frequenze spaziali (o come si dice in gergo elettronico, non è un rumore bianco) ma in genere sono presenti bande (Binding Noise) o sequenze ripetitive (Pattern Noise) che risultano particolarmente riconoscibili dall’occhio, e quindi più fastidiose di un rumore con distribuzione casuale (gaussiana).
Il Pattern Noise è più frequente sui modelli meno recenti.
Il Patter Noise può avere una componente che si ripete su tutte le immagini, il Fixed Pattern Noise, che può essere eliminato eseguendo la media di un certo numero di scatti identici.
Il Read Noise è pressoché costante al variare dell’esposizione e diventa rile-vante solo a livelli di illuminazione molto bassi.
Il rumore termico
Non sono solo i fotoni a liberare elettroni all’interno degli elementi sensibili, ma anche il movimento delle molecole legato alla temperatura. Il numero di elettroni liberato aumenta con la temperatura ed è pressoché costante nel tempo. Questo significa che il suo contributo è irrilevante nelle pose brevi, mentre diventa più evidente in pose superiori a 1/4 s o 1 s.
I componenti che generano calore all’interno della fotocamera, ad esempio gli amplificatori del segnale, possono influire sul rumore termico del senso-re, talvolta in modo poco piacevole, con una distribuzione irregolare sulla superficie del fotogramma.
Al di fuori di applicazioni astronomiche tuttavia il rumore termico può essere trascurato.
La risposta non uniforme dei pixel
(PRNU, Pixel Response Non-Uniformity)
Non tutti i pixel hanno la stessa efficienza nel catturare e contare i fotoni, cosicché abbiamo delle variazioni di segnale da un pixel all’altro, tanto mag-giori quanto maggiore è il flusso di fotoni.
Questo rumore varia perciò linearmente con l’intensità della luce, e diventa rilevante nelle alte luci, dove lo Shot Noise aumenta più lentamente (cresce infatti secondo la radice quadrata del numero dei fotoni).
Il rumore di quantizzazione
Anche la conversione A/D introduce del rumore, in quanto il segnale analogico viene arrotondato al valore numerico più vicino; maggiore è il numero di gradini a disposizione nella conversione, tanto è minore il rumore di quantizzazione.
Se abbiamo un convertitore a 12 bit, come è ormai prassi anche sulle fotoca-mere più economiche, il rumore di quantizzazione risulta nettamente inferiore alle altre forme di rumore presenti.

 

Presentiamo innanzi tutto l’andamento del rapporto segnale/rumore, al variare della sensibilità ISO, misurato al grigio medio, o meglio, con l’intensità di luce alla quale una fotocamera tarata sull’esatta sensibilità nominale fornirebbe un grigio medio.
Per tutte le fotocamere all’aumentare della sensibilità impostata è evidente un progressivo abbassamento del segnale/rumore, ovvero un aumento del rumore nell’immagine (facciamo notare che ad ogni incremento della sensibilità corrisponde un dimezzamento della quantità di luce fornita).
Dato che la fonte principale di rumore è lo Shot Noise (vedi il box degli approfondimen-ti tecnici), che dipende dalle fluttuazioni che i hanno nel flusso di fotoni che giungono sul sensore, è evidente che ad una diminuzione dell’esposizione non può che corrispondere una diminuzione del rapporto tra il segnale ed il rumore stesso.

Il rumore cresce diminuendo l’esposizione
Andiamo poi ad esaminare per ogni sensibilità come varia il rapporto segnale/rumore riducendo progressivamente l’esposizione, con una diminuzione fino a 6 EV.
Anche in questo caso è evidente come ad una diminuzione della luce fornita corrisponda una diminuzione del rapporto segnale/rumo-re, ovvero aumenti il rumore nell’immagine. Da questo grafico è possibile estrarre un’importante informazione che riportiamo nel successivo grafico della latitudine di posa.
Il grafico della latitudine di posa Stabilire qual è il livello massimo di luce registrabile da una fotocamera è piuttosto semplice, basta infatti vedere a quale intensità di luce abbiamo la saturazione del sen-sore, ovvero non riusciamo ad ottenere un incremento nel valore del segnale.
Ben diverso è il discorso per la latitudine di posa nelle ombre. Qui il discorso è soggettivo, in quanto dipende da quale livello di qualità riteniamo accettabile. Più il segnale è elevato rispetto al rumore più “pulita” è l’immagine, e contemporaneamente più limitata è la gamma di luci registrabili.  Se scegliamo un livello che ci soddisfa (noi abbiamo adottato un segnale/disturbo=8 che corrisponde ad un’immagine di elevata qualità) possiamo ottenere per ogni sensibilità il valore di latitu-dine di posa nelle ombre. Come si può vedere in quasi tutte le fotocamere alle sensibilità più elevate non è possibile raggiungere un buon livello di qualità nelle ombre.
Il confronto fra le fotocamere
Per confrontare fra di loro fotocamere dotate di diversa risoluzione è indispensabile metterle in condizioni confrontabili. Non ha infatti significato misurare il rumore di un certo numero di pixel, senza mettere questo dato in relazione alle dimensioni dell’immagine complessiva.  La soluzione corretta è quindi quella di ricampionare le immagini, facendo in modo che tutte presentino la stessa risoluzione. A questo punto è possibile capire quale fotocamere abbiano livelli di rumore inferiori.
Il confronto fra le Canon
Dal confronto fra le cinque fotocamere Canon in prova si conferma che più grande è il sensore, migliore è la resa per quanto riguarda il rumore.  In testa a tutte abbiamo a Canon Eos 5D Mark II, che con un livello superiore a 75 del rapporto segnale disturbo a 200 ISO, stacca in modo abbastanza netto le altre fotocamere. Segue la Eos 1D Mark IV, che dispone di un sensore leggermente più piccolo. In coda le tre APS-C,  la Eos 7D, la Eos 50D e  la Eos 1000D. Va segnalato che la Eos 7D riesce ad essere leggermente superiore alla Eos 50D nonostante il sistema di lettura debba lavorare in modo eccezionalmente  rapido, vista l’elevatissima risoluzione e la rapidità di raffica.  L’economica Eos 1000D risulta la meno performante, tuttavia va nota-to come le differenze con le altre fotocamere APS-C siano limitate.

Per confrontare queste fotocamere che hanno una risoluzione diversa e per rendere possi-bile il confronto con le Nikon , abbiamo fatto un ricampionamento delle immagini portandole tutte a 6 Mpixel. Si può notare come in questo modo il rapporto segnale/rumore sia più elevato rispetto ai gra?ci delle singole macchine; il motivo è che riducendo la risoluzione il pixel diventa più grande.  Come sensibilità abbiamo scelto 200 e 1600 ISO: la prima è generalmente la sensibilità base del sensore, mentre la seconda è sì spinta, ma è una sensibilità oggi ancora ampiamente utilizzabile. Osservando i risultati si può notare come la Eos 5D Mark II, grazie al sensore Full Frame, prevalga sulle altre (75 a ISO 200 e 29,5 a ISO 1600), seguita dalla Eos 1D Mark IV (sensore APS-H) e poi dalle APS-C. Tra queste la di?erenza di prestazioni dipende dall’e?cienza con cui gestiscono i fotoni che arrivano al sensore; da notare però come le misure rilevate per la Eos 7D siano simili a quelle della Eos 50D nonostante la maggiore risoluzione (e quindi la dimensione del ?le) e la ra?ca molto più rapida. La Eos 1000D è la meno performante, ma in termini di rumore le di?erenze con le altre APS-C sono limitate.

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