GAMMA DINAMICA NELLA FOTOGRAFIA DIGITALE

La gamma dinamica in fotografia descrive il rapporto tra l'intensità della luce misurabile massima e minima (rispettivamente bianco e nero). Nel mondo reale, non si incontra mai il vero bianco o nero, solo vari gradi di intensità della sorgente luminosa e riflettività del soggetto. Pertanto il concetto di gamma dinamica diventa più complicato e dipende dal fatto che tu stia descrivendo un dispositivo di acquisizione (come una fotocamera o uno scanner), un dispositivo di visualizzazione (come una stampa o un display di computer) o il soggetto stesso.

Proprio come con la gestione del colore, ogni dispositivo all'interno della catena di imaging sopra ha la propria gamma dinamica. Nelle stampe e nei display dei computer, nulla può diventare più luminoso del bianco della carta o di un pixel di intensità massima, rispettivamente. In effetti, un altro dispositivo non mostrato sopra sono i nostri occhi, che hanno anche una propria gamma dinamica. La traduzione delle informazioni sull'immagine tra dispositivi può quindi influire sulla modalità di riproduzione dell'immagine. Il concetto di gamma dinamica è quindi utile per confronti relativi tra la scena reale, la fotocamera e l'immagine sullo schermo o nella stampa finale.

INFLUENZA DELLA LUCE:ILLUMINAZIONE E RIFLETTIVITÀ

L'intensità della luce può essere descritta in termini di luce incidente e riflessa; entrambi contribuiscono alla gamma dinamica di una scena (vedi tutorial su "misurazione ed esposizione della fotocamera").

Le scene con un'elevata variazione di riflettività, come quelle contenenti oggetti neri oltre a forti riflessi, possono effettivamente avere una gamma dinamica maggiore rispetto alle scene con una grande variazione della luce incidente. La fotografia in entrambi gli scenari può facilmente superare la gamma dinamica della tua fotocamera, in particolare se l'esposizione non è perfetta.

La misurazione accurata dell'intensità della luce, o luminanza, è quindi fondamentale quando si valuta la gamma dinamica. Qui usiamo il termine illuminamento per specificare solo la luce incidente. Sia l'illuminamento che la luminanza sono tipicamente misurati in candele per metro quadrato (cd/m). Di seguito sono riportati i valori approssimativi per le sorgenti luminose comunemente riscontrate.

Qui vediamo la vasta variazione possibile per la luce incidente, poiché il diagramma sopra è ridimensionato a potenze di dieci. Se una scena è illuminata in modo non uniforme dalla luce solare diretta e ostruita, questo da solo può aumentare notevolmente la gamma dinamica di una scena (come risulta dall'esempio del tramonto del canyon con una parete rocciosa parzialmente illuminata).

CAMERE DIGITALI

Sebbene il significato di gamma dinamica per una scena del mondo reale sia semplicemente il rapporto tra le regioni più chiare e più scure (rapporto di contrasto), la sua definizione diventa più complicata quando si descrivono dispositivi di misurazione come fotocamere digitali e scanner. Ricordiamo dal tutorial sui sensori delle fotocamere digitali che la luce viene misurata in ogni pixel in una cavità o in un pozzo (photosite). La dimensione di ogni fotosito, oltre al modo in cui viene misurato il suo contenuto, determina la gamma dinamica di una fotocamera digitale.

Livello nero
(Limitato dal rumore) Livello bianco
(Saturato Photosite) Livello di bianco più scuro
(Photosite a bassa capacità)

I fotositi possono essere pensati come secchi che contengono fotoni come se fossero acqua. Pertanto, se il secchio diventa troppo pieno, traboccherà. Si dice che un fotosito che trabocca sia diventato saturo e quindi non sia in grado di discernere tra fotoni aggiuntivi in ​​arrivo, definendo così il livello di bianco della fotocamera. Per una fotocamera ideale, il suo rapporto di contrasto sarebbe quindi solo il numero di fotoni che potrebbe contenere all'interno di ciascun fotosito, diviso per l'intensità della luce più scura misurabile (un fotone). Se ciascuno contenesse 1000 fotoni, il rapporto di contrasto sarebbe 1000:1. Poiché i fotositi più grandi possono contenere una gamma più ampia di fotoni, la gamma dinamica è generalmente maggiore per le fotocamere reflex digitali rispetto alle fotocamere compatte (a causa delle dimensioni dei pixel maggiori).

Nota tecnica :In alcune fotocamere digitali è disponibile un'impostazione ISO bassa estesa che produce meno rumore, ma riduce anche la gamma dinamica. Questo perché l'impostazione in effetti sovraespone l'immagine di un f-stop completo, ma poi tronca le alte luci, aumentando così il segnale luminoso. Un esempio sono molte delle fotocamere Canon, che hanno una velocità ISO-50 inferiore alla normale ISO-100.

In realtà, le fotocamere consumer non possono contare i singoli fotoni. La gamma dinamica è quindi limitata dal tono più scuro in cui non è più possibile distinguere la trama; lo chiamiamo il livello nero. Il livello di nero è limitato dalla precisione con cui ogni fotosito può essere misurato ed è quindi limitato al buio dal rumore dell'immagine. Pertanto, la gamma dinamica generalmente aumenta per velocità ISO inferiori e fotocamere con meno rumore di misurazione .

Nota tecnica :Anche se un fotosito potesse contare i singoli fotoni, sarebbe comunque limitato dal rumore dei fotoni. Il rumore dei fotoni è creato dalla variazione statistica nell'arrivo dei fotoni e quindi rappresenta un minimo teorico per il rumore. Il rumore totale rappresenta la somma del rumore del fotone e del rumore di lettura.

Nel complesso, la gamma dinamica di una fotocamera digitale può quindi essere descritta come il rapporto tra l'intensità luminosa massima misurabile (a saturazione dei pixel) e l'intensità luminosa minima misurabile (al di sopra del rumore di lettura). L'unità più comunemente utilizzata per misurare la gamma dinamica nelle fotocamere digitali è l'f-stop, che descrive la gamma di luce totale con potenze di 2. Un rapporto di contrasto di 1024:1 potrebbe quindi anche essere descritto come avente una gamma dinamica di 10 f-stop (dal 2 =1024). A seconda dell'applicazione, ogni unità f-stop può anche essere descritta come "zona" o "eV".

SCANNER

Gli scanner sono soggetti allo stesso criterio di saturazione:rumore come per la gamma dinamica nelle fotocamere digitali, tranne per il fatto che è invece descritto in termini di densità (D). Ciò è utile perché è concettualmente simile al modo in cui i pigmenti creano toni nei supporti stampati, come mostrato di seguito.

Bassa riflettanza (alta densità)	Alta riflettanza (bassa densità)	Alta densità di pigmento (tono più scuro)	Bassa densità di pigmento (tono più chiaro)

La gamma dinamica complessiva in termini di densità è quindi la densità massima del pigmento (D), meno la densità minima del pigmento (D). A differenza delle potenze di 2 per f-stop, la densità viene misurata utilizzando potenze di 10 (proprio come la scala Richter per i terremoti). Una densità di 3,0 rappresenta quindi un rapporto di contrasto di 1000:1 (poiché 10 =1000).

Gamma dinamica dell'originale
Gamma dinamica di scanner

Invece di elencare la densità totale (D), i produttori di scanner in genere elencano solo il valore D, poiché D-D è approssimativamente uguale a D. Questo perché, a differenza delle fotocamere digitali, uno scanner ha il pieno controllo sulla sua fonte di luce, assicurando che il fotosito minimo si verifica la saturazione.

Per un'elevata densità di pigmenti, agli scanner si applicano gli stessi vincoli di rumore delle fotocamere digitali (poiché entrambi utilizzano una serie di fotositi per la misurazione). Pertanto la D misurabile è determinata anche dal rumore presente durante la lettura del segnale luminoso.

CONFRONTO

La gamma dinamica varia così tanto che viene comunemente misurata su una scala logaritmica, in modo simile a come vengono misurate tutte le intensità dei terremoti molto diverse sulla stessa scala Richter. Qui mostriamo la massima gamma dinamica misurabile (o riproducibile) per diversi dispositivi in ​​termini di qualsiasi misura preferita (f-stop, densità e rapporto di contrasto). Sposta il mouse su ciascuna delle opzioni seguenti per confrontarle.

Seleziona Misura per intervallo dinamico:
f-stop	Densità	Rapporto di contrasto

Seleziona i tipi da visualizzare sopra:
Supporti stampati	Scanner	Fotocamere digitali	Dispositivi di visualizzazione

Si noti l'enorme discrepanza tra la gamma dinamica riproducibile nelle stampe e quella misurabile da scanner e fotocamere digitali. Per un confronto con la gamma dinamica del mondo reale in una scena, questi variano da circa 3 f-stop per una giornata nuvolosa con una riflettività quasi uniforme, a oltre 12 f-stop per una giornata di sole con una riflettività altamente irregolare.

Prestare attenzione quando si interpretano i numeri di cui sopra; la gamma dinamica del mondo reale è una forte funzione della luce ambientale per le stampe e i dispositivi di visualizzazione. Le stampe non visualizzate con una luce adeguata potrebbero non fornire la loro gamma dinamica completa, mentre i dispositivi di visualizzazione richiedono un'oscurità quasi completa per realizzare il loro pieno potenziale, specialmente per i display al plasma. Infine, questi valori sono solo approssimazioni approssimative; i valori effettivi dipendono dall'età del dispositivo, dalla generazione del modello, dalla fascia di prezzo, ecc.

Tieni presente che i rapporti di contrasto per i dispositivi di visualizzazione sono spesso molto esagerati , poiché non esiste uno standard del produttore per elencarli. Rapporti di contrasto superiori a 500:1 sono spesso solo il risultato di un punto nero molto scuro, invece di un punto bianco più luminoso. Per questo motivo occorre prestare attenzione sia al rapporto di contrasto che alla luminosità. Rapporti di contrasto elevati (senza una luminosità corrispondentemente più elevata) possono essere completamente annullati anche dalla luce ambientale delle candele.

L'OCCHIO UMANO

L'occhio umano può effettivamente percepire una gamma dinamica maggiore di quella normalmente possibile con una fotocamera. Se dovessimo considerare le situazioni in cui la nostra pupilla si apre e si chiude per luce variabile, i nostri occhi possono vedere in una gamma di quasi 24 f-stop.

D'altra parte, per confronti accurati con una singola foto (a diaframma, otturatore e ISO costanti), possiamo considerare solo la gamma dinamica istantanea (dove la nostra apertura pupillare è invariata). Sarebbe simile a guardare una regione all'interno di una scena, lasciare che i nostri occhi si adattino e non guardare da nessun'altra parte. Per questo scenario c'è molto disaccordo, perché la sensibilità e la gamma dinamica del nostro occhio cambiano effettivamente a seconda della luminosità e del contrasto. La maggior parte stima tra 10-14 f-stop.

Il problema con questi numeri è che i nostri occhi sono estremamente adattabili. Per le situazioni di osservazione delle stelle in condizioni di scarsa illuminazione (in cui i nostri occhi si sono adattati all'uso dei bastoncelli per la visione notturna), i nostri occhi si avvicinano a intervalli dinamici istantanei ancora più elevati (vedi tutorial su "Percezione del colore dell'occhio umano").

PROFONDITÀ DI BIT E GAMMA DINAMICA DI MISURA

Anche se la propria fotocamera digitale è in grado di acquisire una vasta gamma dinamica, la precisione con cui le misurazioni della luce vengono tradotte in valori digitali può limitare la gamma dinamica utilizzabile. Il cavallo di battaglia che traduce queste misurazioni continue in valori numerici discreti è chiamato convertitore da analogico a digitale (A/D). L'accuratezza di un convertitore A/D può essere descritta in termini di bit di precisione, simili alla profondità di bit nelle immagini digitali, anche se è necessario prestare attenzione affinché questi concetti non siano usati in modo intercambiabile. Il convertitore A/D è ciò che crea valori per il formato file RAW della fotocamera digitale.

Precisione in bit del convertitore analogico/digitale	Rapporto di contrasto	Gamma dinamica
		F-stop	Densità
8	256:1	8	2.4
10	1024:1	10	3.0
12	4096:1	12	3.6
14	16384:1	14	4.2
16	65536:1	16	4.8

Nota:i valori sopra indicati sono solo per la precisione del convertitore A/D e non devono essere utilizzati per interpretare i risultati per file di immagine a 8 e 16 bit. Inoltre, i valori indicati sono un massimo teorico, presupponendo che il rumore non sia limitante, e questo vale solo per i convertitori A/D lineari.

Ad esempio, 10 bit di precisione tonale si traducono in un possibile intervallo di luminosità di 0-1023 (poiché 2 =1024 livelli). Supponendo che ogni numero di convertitore A/D sia proporzionale alla luminosità effettiva dell'immagine (il che significa che il doppio del valore del pixel rappresenta il doppio della luminosità), 10 bit di precisione possono codificare solo un rapporto di contrasto di 1024:1.

La maggior parte delle fotocamere digitali utilizza un convertitore A/D da 10 a 14 bit, quindi la loro gamma dinamica massima teorica è di 10-14 stop. Tuttavia, questa elevata profondità di bit aiuta solo a ridurre al minimo la posterizzazione dell'immagine poiché la gamma dinamica totale è generalmente limitata dai livelli di rumore. Simile a come un'immagine ad alta profondità di bit non significa necessariamente che l'immagine contenga più colori, se una fotocamera digitale ha un convertitore A/D ad alta precisione non significa necessariamente che può registrare una gamma dinamica più ampia. In effetti, la gamma dinamica può essere considerata come l'altezza di una scala, mentre la profondità di bit può essere considerata come il numero di gradini. In pratica, la gamma dinamica di una fotocamera digitale non si avvicina nemmeno al massimo teorico del convertitore A/D; 8-12 stop è generalmente tutto ciò che ci si può aspettare dalla fotocamera.

INFLUENZA DEL TIPO DI IMMAGINE E DELLA CURVA TONALE

I file di immagini digitali possono effettivamente registrare l'intera gamma dinamica dei dispositivi di fascia alta? Sembra esserci molta confusione su Internet sulla rilevanza della profondità di bit dell'immagine sulla gamma dinamica registrabile.

Dobbiamo prima distinguere tra se stiamo parlando di gamma dinamica registrabile o di gamma dinamica visualizzabile. Anche un normale file immagine JPEG a 8 bit può plausibilmente registrare una gamma dinamica infinita, supponendo che venga applicata la giusta curva tonale durante la conversione RAW (vedi tutorial sulle curve, in motivazione:gamma dinamica) e che il convertitore A/D abbia il precisione di bit richiesta. Il problema sta nell'usabilità di questa gamma dinamica; se vengono distribuiti troppo pochi bit su una gamma tonale troppo ampia, ciò può portare alla posterizzazione dell'immagine.

D'altra parte, la gamma dinamica visualizzabile dipende dalla correzione gamma o dalla curva tonale implicita nel file immagine o utilizzata dalla scheda video e dal dispositivo di visualizzazione. Utilizzando una gamma di 2.2 (standard per PC), sarebbe teoricamente possibile codificare una gamma dinamica di quasi 18 f-stop (vedi tutorial sulla correzione gamma, da aggiungere). Ancora una volta, però, questo soffrirebbe di una grave posterizzazione. L'unica soluzione standard attuale per codificare una gamma dinamica quasi infinita (senza posterizzazione visibile) consiste nell'utilizzare file immagine HDR (High Dynamic Range) in Photoshop (o altro programma di supporto).