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[DSLR] - Rumore, Segnale e Fotografia Digitale
Definizione di rumore
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earlybird
Messaggio: #1
Frequento da poco il forum Nital: quel tanto che basta per aver notato che uno degli argomenti principali è quello inerente al rumore. Mi occupo di digitale da 25 anni, prima con il video, poi con le still camera, scientifiche, astronomiche e tradizionali. Di queste ultime conservo nei miei cassetti ancora una Canon/Bauer (la primissima!). Di Nikon ho D1, D70, D50 ed è in arrivo una D200. Per motivi miei pratici e non certo per sfizio testo tutte le macchine e in nessuna ho notato livelli di “rumore” come quelli segnalati, spesso impropriamente. Di foto tradizionali ne faccio relativamente poche e, visto che mi reputo un buon giudice di me stesso, ritengo che non siano meritorie di rimando a questo forum.
Mi permetto, però, il tentativo di chiarire il concetto di rumore sperando di far cosa utile a qualcuno. Non userò alcuna formula né diagramma.

Ho notato che molti usano impropriamente il termine “rumore”, non ponendo distinzione tra segnale, rumore del segnale e rumore non dipendente da segnale.
Per capire bene cosa sia, immaginiamo di trovarci sotto una larga tettoia in una giornata di pioggia: se la pioggia è torrenziale, il suono delle gocce che colpiscono il nostro riparo ci sembra giungere uniforme da tutta la sua superficie. In caso di pioggerellina, invece, abbiamo ora l’impressione che piova più a destra, ora più a sinistra, ora più al centro… Questa variazione di direzione ed intensità del suono che colpisce le nostre orecchie è causata dalla non uniformità del numero di gocce piovane che la tettoia raccoglie per unità di superficie in ogni istante. La disuniformità è presente anche nella pioggia battente, solo che è una piccola percentuale della pioggia totale: così il nostro orecchio non riesce a percepirla. Questa disuniformità è ciò che nella fisica dei segnali viene chiamato “rumore” : se rappresentassimo un segnale uniforme ed omogeneo come una linea retta, il rumore insito nella sua raccolta trasformerebbe questa retta in una linea ondulata.
Possiamo asserire, quindi, che questo tipo di rumore è funzione del segnale, perché dipende totalmente da esso. Da notare il fatto che possiamo quantificarlo solo dopo aver raccolto il segnale, quindi non possiamo sapere a priori a quanto ammonterà numericamente. Ho promesso di non presentare formule: dovete quindi credere sulla parola a ciò che segue. Se nel sensore avessimo accumulato un segnale luminoso pari a 100 (pioggerellina), il suo rumore sarebbe pari a 10, cioè il 10%. Se raccogliessimo 1000 (pioggia battente), il rumore sarebbe pari a 31, cioè il 3%.

Qualcuno si chiederà: esiste un rumore elettronico fine a se stesso, cioè che non sia funzione di un segnale? Certamente. Per scoprirlo continuiamo l’esempio della tettoia ed immaginiamo che questa sia ondulata, in modo che la pioggia sia convogliata verso dei secchielli di raccolta. Complichiamoci un poco la vita e facciamo sì che questi secchielli possano essere ruotati ma non staccati dalla tettoia: ora ci poniamo il gramo compito di controllare quanta acqua sia presente in ogni secchiello al termine della pioggia. Siamo costretti ad usare un altro secchiello: lo poniamo sotto quello appeso e solidale alla tettoia, ruotiamo questo, travasiamo l’acqua e ci dirigiamo verso una bilancia o un qualunque misuratore. Questa manovra la eseguiamo per ogni secchiello appeso alla tettoia. Vi sembra intuitivamente possibile che qualche goccia d’acqua non resti nel suo secchiello d’origine? O che non vada persa nel travaso? O che non debordi durante il trasporto? E la bilancia di misura è assolutamente esatta? Impossibile, neanche a pensarci. La quantità d’acqua che misureremo non corrisponderà mai a quella effettivamente raccolta. La differenza tra queste due quantità è un rumore puro, cioè che non dipende da un segnale ma dalla modalità di trattarlo. E’ prevedibile progettualmente? No. E’ misurabile? Sì. Come? Per via sperimentale. Nel caso della tettoia, ad esempio, potremmo versare su di essa una quantità nota di acqua e controllarne, poi, quanta ci risulti alla misurazione finale. Nelle nostre macchine questo rumore si chiama rumore di lettura (readout noise) e, con semplicità, possiamo dire che comprende i processi di trasferimento della carica del pixel, il suo passaggio attraverso l’amplificatore e la sua trasformazione in entità numeriche intellegibili dal computer.
Le case costruttrici misurano in maniera molto sofisticata questo rumore di lettura e le sue possibili variazioni in relazione alle regolazioni dell’utente, regina tra tutte la scelta della sensibilità ISO. A questo proposito cerchiamo di capire bene un concetto: quando scegliamo una pellicola con diverso valore ISO, effettivamente scegliamo un prodotto con la sensibilità desiderata. Quando, invece, impostiamo sulle nostre macchine digitali un valore ISO, stiamo scegliendo solo il livello di amplificazione del segnale proveniente dalla lettura del pixel. Non agiamo sulla sensibilità. Questa dipende dalle scelte del costruttore del sensore ed è immutabile. E aumentando l’amplificazione, cioè il guadagno, aumentiamo esponenzialmente il rumore di lettura.

Per darvi qualche dato esemplificativo, il Read-out noise medio della D70 è di circa 7 elettroni/pixel. Il suo segnale termico è inferiore a 0,1 elettroni/ pixel/secondo! Sono quasi delle nullità se pensate che il pixel della D70 può arrivare a contenere più di 35000 elettroni liberati dal segnale luminoso. Solo 7-10 anni fa costosissimi ccd scientifici (che uso ancora) presentavano un segnale termico a 20° di 20-80 elettroni/pixel/secondo, con rumore di lettura superiore a 40-100 elettroni…

Spero di aver suscitato la curiosità necessaria per leggere il manuale di Maio, dove la trattazione è più completa. Se qualcuno, invece, volesse approfondire tecnicamente l’argomento sono disponibile anche privatamente (il mio riferimento è in chiaro).

Che la luce sia con noi.

Enzo Franchini

Messaggio modificato da maxiclimb il Sep 17 2010, 12:49 PM
libertifrancesco
Messaggio: #2
QUOTE(vincenzo.franchini@fastwebnet.it @ Feb 9 2006, 07:13 PM)


Che la luce sia con noi.

Enzo Franchini
*




E con la tua D200 biggrin.gif Pollice.gif Pollice.gif

Molto illuminante.
Grazie
Utente cancellato
DEREGISTRATO
Messaggio: #3
Grazie per la spiegaziome, si vede che sei esperto di camere CCD biggrin.gif
infatti nei CCD astronomici e' molto importante il rapporto segnale/rumore


ciauz
libertifrancesco
Messaggio: #4
Volevo chiederti una cosa:
Secondo te, quali i sensori migliori, riguardo a cio' che hai spiegato sul Rumore?
CCD - CMOS - LBLAST ce ne qualcun'altro? mi sembra di si ma non ricordo come si chiamino.
Ciao
andreotto
Messaggio: #5
Benvenuto Vincenzo e ti ringrazio per la bellissima e utilissima spiegazione
Hai espresso i concetti in maniera comprensibilissima a tutti grazie.gif
Buone foto a tutti andreotto
marcelus
Messaggio: #6
mi piacerebbe che il buon vincenzo proseguisse questa sua trattazione sul rumore, l'ho trovata molto interessante e realizzata x essere compresa agevolmente, senza fare tanto...rumore wink.gif

Messaggio modificato da marcelusfire@tin.it il Feb 9 2006, 09:38 PM
MassiC
Messaggio: #7
Quoto in pieno quelo che è stato scritto e mi sento di aggiungere per concludere che tando è piu ampia la superfice del fotosito minore sarà l'incidenza percentuale del rumore....
MassiC
Messaggio: #8
ops mi è partito l'invio....
volevo aggiungere che quello è il ruore generato dal segnale, a questo deve essere aggiunto il rumore elettronico che nel caso nostro, cioè delle nostre macchine fotografice, è quello che maggiormante incide nella quialità finale del fotogramma.
mfossen
Messaggio: #9
Grazie per la spiegazione, chiara ed esauriente.
grazie.gif
MassiC
Messaggio: #10
per finire dico che in generale il rumore generato da un segnale è la radice quadrata dei fotoni letti nell'unità di tempo.
francesco.p
Messaggio: #11
Un grazie a Vincenzo per l'ottima trattazione dell'argomento. Pollice.gif

Grazie a post come questo da quando sono iscritto al forum ho imparato moltissime cose che altrimenti avrei continuato ad ignorare, è bello far parte di una community così disponibile e preparata smile.gif
_Led_
Messaggio: #12
QUOTE(Cencio @ Feb 9 2006, 11:27 PM)
Quoto in pieno quelo che è stato scritto e mi sento di aggiungere per concludere che tando è piu ampia la superfice del fotosito minore sarà l'incidenza percentuale del rumore....
*



Dove per superficie del fotosito NON si intende la superficie geometrica del singolo pixel nella matrice del sensore...vero?
earlybird
Messaggio: #13
QUOTE(Cencio @ Feb 9 2006, 10:27 PM)
Quoto in pieno quelo che è stato scritto e mi sento di aggiungere per concludere che tando è piu ampia la superfice del fotosito minore sarà l'incidenza percentuale del rumore....
*



Nella quantificazione del rumore relativo al segnale non compare mai la superficie di raccolta: è solo la quantità di segnale che conta. A parità di segnale il rumore riscontrato sarà identico, indipendentemente dalla estensione del pixel. La geometria del sensore conta solo nella capacità di raccolta del segnale (ciò che viene chiamato efficienza quantica) e non in maniera direttamente proporzionale.
La superficie del pixel non entra in gioco neanche nel rumore di lettura, perché l'unità di misura è l'elettrone/pixel. Notare che ho usato il termine geometria, di cui la superficie è solo una delle caratteristiche.

QUOTE
per finire dico che in generale il rumore generato da un segnale è la radice quadrata dei fotoni letti nell'unità di tempo


In relazione al segnale-luce l'unità di tempo non conta: il rumore è pura funzione del segnale totale. Che questo sia stato raccolto in 1/8000 di secondo o in 10 secondi non influisce sul calcolo. Forse stai facendo riferimento al segnale -termico indesiderato (corrente di buio), che vede come unità di misura l'elettrone/pixel/secondo. Anche qui, come vedi, il rumore è solo una funzione della quantità del segnale.
La formula di cui parli si riferisce all'analisi del 66,7 % del segnale. Se volessimo estenderci al 99% del segnale dovremmo moltiplicare x 3 il valore ottenuto dalla radice quadrata. Nei calcoli pratici, però, si tiene generalmente conto della sola radice quadrata, come dici tu , a meno che non si stia inseguendo il singolo elettrone.
Faccio notare agli altri che davanti alla radice quadrata va posto il segno +/-.
Mi spiego:
- se raccogliamo 1000 di segnale, la formula riportata da Cencio dice che il rumore è pari a 31. Ciò significa che nell'immagine finale, trascurando per semplicità altri segnali e rumore di lettura, sarà immagazzinato non 1000, ma un valore casuale compreso tra 969 (pari a 1000-31) e 1031 (pari a 1000+31).

Credo che cominci a venire alla luce l'importanza chiave di lavorare su file Raw piuttosto che su jpeg manipolati all'origine.

Grazie a tutti dell'accoglienza.

Enzo Franchini


earlybird
Messaggio: #14
QUOTE(libertifrancesco @ Feb 9 2006, 08:38 PM)
Volevo chiederti una cosa:
Secondo te, quali i sensori migliori, riguardo a cio' che hai spiegato sul Rumore?
CCD - CMOS - LBLAST  ce ne qualcun'altro? mi sembra di si ma non ricordo come si chiamino.
Ciao
*



Ammetto la mia ignoranza: non conosco gli LBLAST. Hai qualche link? Google non mi ha restituito nulla.

CCD-CMOS
Annosa questione, con argomenti a favore e sfavore sia dell'uno che dell'altro, che, nell'insieme, si pareggiano. Almeno per quanto riguarda la fotografia tradizionale.

Ciò che conta a mio parere è il risultato finale: la stampa. Qualcuno è in grado, di fronte ad una stampa, dire se provenga da un CCD piuttosto che da un CMOS? Io no.

Qualche anno fa la differenza sarebbe stata plateale

Buona giornata

Enzo Franchini

earlybird
Messaggio: #15
QUOTE(andreotto @ Feb 9 2006, 09:19 PM)
Benvenuto Vincenzo e ti ringrazio per la bellissima e utilissima spiegazione
Hai espresso i concetti in maniera comprensibilissima a tutti grazie.gif
Buone foto a tutti andreotto
*



Detto da te è più che un complimento.

Grazie a te.

Enzo
_Led_
Messaggio: #16
QUOTE(vincenzo.franchini@fastwebnet.it @ Feb 10 2006, 06:03 AM)
Ammetto la mia ignoranza: non conosco gli LBLAST. Hai qualche link? Google non mi ha restituito nulla.

...
*



Voleva dire LBCAST, la tecnologia Nikon del sensore della D2h.
_Led_
Messaggio: #17
QUOTE(vincenzo.franchini@fastwebnet.it @ Feb 10 2006, 05:10 AM)
Nella quantificazione del rumore relativo al segnale non compare mai la superficie di raccolta: è solo la quantità di segnale che conta. A parità di segnale il rumore riscontrato sarà identico, indipendentemente dalla estensione del pixel. La geometria del sensore conta solo nella capacità di raccolta del segnale (ciò che viene chiamato efficienza quantica) e non in maniera direttamente proporzionale.
La superficie del pixel non entra in gioco neanche nel rumore di lettura, perché l'unità di misura è l'elettrone/pixel. Notare che ho usato il termine geometria, di cui la superficie è solo una delle caratteristiche.
...
*



Eh già, e mo' vallo a spiegare... wink.gif biggrin.gif

Ti preavviso che tra poco sarai tacciato di nikonismo becero ed oltranzista: benvenuto tra i "piccoli fans". biggrin.gif

Io, a scanso di equivoci aggiungo che, per quanto mi è dato sapere, uno dei sensori con migliore "efficienza quantica" è quello della Canon 1Dsm2, ma i sensori Sony non sono molto lontani, anzi.
ideal
Messaggio: #18
QUOTE(vincenzo.franchini@fastwebnet.it @ Feb 9 2006, 07:13 PM)
Spero di aver suscitato la curiosità necessaria per leggere il manuale di Maio, dove la trattazione è più completa. Se qualcuno, invece, volesse approfondire tecnicamente l’argomento sono disponibile anche privatamente (il mio riferimento è in chiaro).

Che la luce sia con noi.

Enzo Franchini
*



FINALMENTE il forum riprende la giusta piega e si ricomincia a parlare in maniera costruttiva.
Grazie per le spiegazioni, in merito alla curiosità che la trattazione mi ha scuscitato mi puoi consigliare fonti per attingere spiegazioni con le formule, con queste ultime ci sono abbituato a ragionare.
Intervento molto interessante saluti Gigi
libertifrancesco
Messaggio: #19
QUOTE(Led566 @ Feb 10 2006, 08:07 AM)
Voleva dire LBCAST, la tecnologia Nikon del sensore della D2h.
*




Esatto mi e' scappata la L al posto della C LBCAST.

Piu' che sapere quale e' meglio, mi interessava sapere quali i pregi e i difetti piu' ecclatanti. wink.gif

Messaggio modificato da libertifrancesco il Feb 10 2006, 11:25 AM
-missing
Messaggio: #20
QUOTE(vincenzo.franchini@fastwebnet.it @ Feb 10 2006, 05:03 AM)
Ciò che conta a mio parere è il risultato finale: la stampa.

Pollice.gif
MLJ
Messaggio: #21
Un grazie a Vincenzo per la spiegazione e speriamo che la discussione continui su questi livelli, la fotografia e'anche tecnologia, molta tecnologia visto le mecchine che usiamo,quindi chi puo' spiegarci qualcosa in piu' per cortesia lo faccia! smile.gif smile.gif
Grazie Vincenzo e continua a parlarci del funzionamento dei sensori/rumore ecc..
Ciao Gianni MLJ
MassiC
Messaggio: #22
QUOTE(vincenzo.franchini@fastwebnet.it @ Feb 10 2006, 04:10 AM)
Nella quantificazione del rumore relativo al segnale non compare mai la superficie di raccolta: è solo la quantità di segnale che conta. A parità di segnale il rumore riscontrato sarà identico, indipendentemente dalla estensione del pixel. La geometria del sensore conta solo nella capacità di raccolta del segnale (ciò che viene chiamato efficienza quantica) e non in maniera direttamente proporzionale.
La superficie del pixel non entra in gioco neanche nel rumore di lettura, perché l'unità di misura è l'elettrone/pixel. Notare che ho usato il termine geometria, di cui la superficie è solo una delle caratteristiche.
In relazione al segnale-luce l'unità di tempo non conta: il rumore è pura funzione del segnale totale. Che questo sia stato raccolto in 1/8000 di secondo o in 10 secondi non influisce sul calcolo. Forse stai facendo riferimento al segnale -termico indesiderato (corrente di buio), che vede come unità di misura l'elettrone/pixel/secondo. Anche qui, come vedi, il rumore è solo una funzione della quantità del segnale.
La formula di cui parli si riferisce all'analisi del 66,7 % del segnale. Se volessimo estenderci al 99% del segnale dovremmo moltiplicare x 3 il valore ottenuto dalla radice quadrata. Nei calcoli pratici, però, si tiene generalmente conto della sola radice quadrata, come dici tu , a meno  che non si stia inseguendo il singolo elettrone.
Faccio notare agli altri che davanti alla radice quadrata va posto il segno +/-.
Mi spiego:
- se raccogliamo 1000 di segnale, la formula riportata da Cencio dice che il rumore è pari a 31. Ciò significa che nell'immagine finale, trascurando per semplicità altri segnali e rumore di lettura, sarà immagazzinato non 1000, ma un valore casuale compreso tra 969 (pari a 1000-31) e 1031 (pari a 1000+31).

Credo che cominci a venire alla luce l'importanza chiave di lavorare su file Raw piuttosto che su jpeg manipolati all'origine.

Grazie a tutti dell'accoglienza.

Enzo Franchini
*



Ti ringrazio per la tua precisazione, dopo diversi anni non solo i libri hanni preso la polvere ma anche un pochino la mia memoria.....
Ciao.
Eliantos
Messaggio: #23
QUOTE(vincenzo.franchini@fastwebnet.it @ Feb 9 2006, 07:13 PM)
Mi permetto, però,  il tentativo di chiarire il concetto di rumore sperando di far cosa utile a qualcuno. Non userò alcuna formula né diagramma.
*



Il Prof. Zichichi non avrebbe saputo fare di meglio.
Grazie per l'ottima spiegazione.
Giuseppe
Gennaro Ciavarella
Messaggio: #24
grazie vincenzo

una spiegazione dalla chiarezza esemplare

gennaro
earlybird
Messaggio: #25
QUOTE(Led566 @ Feb 10 2006, 08:17 AM)
Eh già, e mo' vallo a spiegare... wink.gif  biggrin.gif

Ti preavviso che tra poco sarai tacciato di nikonismo becero ed oltranzista: benvenuto tra i "piccoli fans". biggrin.gif

Io, a scanso di equivoci aggiungo che, per quanto mi è dato sapere, uno dei sensori con migliore "efficienza quantica" è quello della Canon 1Dsm2, ma i sensori Sony non sono molto lontani, anzi.
*



Prego tutti di credere che quando parlo non sto pensando ai soli sensori Nikon: quanto scrivo è valido per ogni sensore. Sono principi e regole generali.
Sono nikonista, certo, ma senza fette di salame sugli occhi. Nel particolare, non ho avuto sottomano una Canon per la prova, ma ho provato a lungo i ccd ad interlinea della Sony, fin da quando avevano lo schema colore CMYG invece che quello Beyer delle macchine attuali. Ho provato ed uso i Kodak. Quando dico provare intendo sottoporre il sensore alla luce di led calibrati in lunghezza d'onda e in corrente (purtroppo non posso permettermi gli emittori al gas di trizio!). Nel verde i Sony hanno una efficienza quantica superiore a quella di molti ccd di altri produttori. Nel blu e nel rosso si equivale.
In ogni caso l'efficienza quantica degli attuali ccd (Sony, Kodak ecc ecc), che sono tutti front-illuminated non potrà mai superare il 55-65%, per limiti insiti nella loro struttura. E ciò nella banda del verde e del rosso. Per il blu tale efficienza scende di 10-20 punti percentuali.

Front-illuminated significa che tutta la circuiteria di pilotaggio del pixel è posta tra la luce e la superficie sensibile, quindi si oppone al passaggio dei fotoni. Può sembrare strano, ma anche la nostra retina ha la stessa struttura: tutte le fibre nervose "circuitali" passano al davanti delle cellule sensibili alla luce!

Esiste questa definizione, front-illuminated, per distinguere un'altro tipo di struttura: i ccd back-illuminated, cioè con circuiteria posta sul retro del sensore. La loro efficienza quantica supera il 90%, anche per la banda del blu! Io ne ho uno, per uso astronomico: quindi parlo per conoscenza diretta. Vi state chiedendo perché non ne vengano dotate le nostre macchine. Risposta: una D200 costerebbe non meno di 10000 euro....e guai ad appoggiarla rozzamente su un tavolo...addio al nostro bel sensore.

Ho provato il Foveon, che mi ha sempre affascinato per l'idea brillante, che sfrutta una caratteristica ben nota dei fotoni: quella della diversa penetrazione nel cristallo di silicio a secondo della loro lunghezza d'onda. Potrebbe essere materia di discussione se a qualcuno interessasse l'argomento. La mia opinione, personale ed opinabile naturalmente, è che per ora i foveon non riescono a coniugare la qualità con un prezzo di mercato abbordabile. Teniamoli d'occhio.

Non ho provato gli LBCAST, nati da un'idea circuitale innovativa. La mia opinione conterebbe come il due di picche.


Enzo

 
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