Le “digitali” sono veramente digitali?

Questo sembra un gioco di parole, ma studiando il funzionamento delle macchine fotografiche digitali e paragonandolo a quello di un altro dispositivo digitale per antonomasia, il computer, questo dubbio mi è sorto. Per capire cosa ci sia di vero è necessario analizzare come funziona una fotocamera digitale e come si arriva a trasformare la luce che illumina il soggetto in una serie di 0 e 1. Con questa analisi riuciremo a capire se il dubbio è fondato o meno.

Il procedimento con cui l’immagine proiettata dall’obiettivo sul sensore viene trasformata in una serie di bit a 0 o 1 è abbastanza complesso. Cercherò di spiegarlo in modo semplice senza entrare in dettagli troppo tecnici, quindi agli addetti ai lavori potrà risultare non sufficientemente rigoroso. L’importante però è che sia di facile comprensione.

I sensori fotografici, sia CCD che CMOS, sono costituiti da chip contenenti un numero molto elevato di elementi sensibili alla luce detti “pixel”. Ogni pixel, posizionato in un punto della matrice del sensore detto “fotosito” quando riceve dei fotoni di luce incidente accumula una carica elettrica. Questa carica può poi essere letta da appositi circuiti, in modo differente per CCD e CMOS (ma questo ai fini della spiegazione non è importante), generando una tensione elettrica proporzionale alla quantità di fotoni ricevuta, cioè alla quantità di luce. L’insieme di tutti questi valori formano l’informazione che poi darà luogo all’immagine finale. I pixel però non distinguono i colori e restituiscono in uscita un solo valore comprensivo della luce di tutti i colori ricevuta. L’immagine ripresa è quindi in realtà in bianco e nero e se fosse elaborata così come è darebbe origine appunto ad un’immagine comprendente vari toni di luce, dal bianco al nero.
Per poter riprendere e riprodurre un’immagine a colori ci sono due strade.

La prima, quella più seguita, consiste nell’anteporre davanti ai pixel dei filtri colorati dei tre colori primari che consentono di riprodurre tutti gli altri. Considerando una matrice formata da 4 pixel (2×2)  2 di questi pixel avranno davanti un filtro verde, uno un filtro rosso e un altro un filtro blu. Questo perchè l’occhio è più sensibile al verde che quindi deve essere riprodotto in modo più accurato, anche perchè si trova nella parte centrale dello spettro luminoso, mentre rosso e blu sono agli estremi. L’immagine quindi sarà composta da un 50 % di pixel contenenti l’informazione del verde, un 25 % quella del rosso ed un 25 % quella del blu. Questo tipo di sensore viene definito a matrice Bayer.

Matrice Bayer

La seconda strada è quella di disporre in ogni fotosito, cioè ogni punto che compone la matrice di rilevamento, tre pixel invece di uno, ognuno capace di rilevare uno dei tre colori, rosso, verde e blu. In questo modo per ogni punto si hanno tre valori di tensione, una per ogni colore, e quindi si è ripreso un’immagine a colori. Questo tipo di sensore, chiamato Foveon, è usato solo da Sigma.

Confronto Foveon-Bayer

Per poter registrare e poi visualizzare l’immagine il valore della tensione prodotta da ciascun pixel, che a questo punto si riferisce ad uno dei tre colori, deve essere convertito da “analogico” a “digitale”. Nella catena di elaborazione del segnale a questo punto è infatti inserito un convertitore analogico/digitale che campiona e converte il segnale “analogico” proveniente dal sensore in segnale “digitale”, cioè in una sequenza di bit. Il convertitore può lavorare a 12 bit e in questo caso potrà registrare 4096 livelli di luminosità per colore, oppure a 14 bit ed allora arriverà a 16384 per colore. A questo punto la foto potrebbe essere registrata in memoria in formato raw, e se la fotocamera lo prevede e il fotografo ha fatto questa scelta il processo si ferma qui e la elaborazione successivamente descritta avverrà sul computer. In realtà non è ancora una foto visualizzabile, ma una matrice composta da punti verdi, rossi o blu.

Immagine Bayer

Per trasformarla in una foto a colori è quindi necessario calcolare, nel caso dei sensori Bayer, il valore dellinformazione mancante per ciascu pixel. Questo è fatto per interpolazione con i pixel vicini. Il processo comporta degli inconvenienti in caso di forti variazioni di luminosità fra i pixel vicini, cioè nel caso di ripresa di dettagli molto fini, portando alla creazione di falsi colori, le frange colorate chiamate effetto moirè. Per limitare il fenomeno si limita la risoluzione con un filtro antialias, detto anche passa-basso, anteposto al sensore. Sia questo, sia il fatto che in realtà il numero di pixel che riporta la maggior parte delle informazioni di luminanza, quelli sul verde, sono il 50 % del numero dei fotositi totali, determinano il fatto che la risoluzione effettiva dei sensori Bayer corrisponda circa al 50% del loro numero di pixel, con qualche caso in cui si arriva al 60 %, usando un algoritmo di interpolazione, detta anche demosaicizzazione, particolarmente efficace.
Il sensore Foveon invece non ha bisogno di interpolazione in quanto fornisce l’informazione completa sui tre colori per ogni fotosito. La sua risoluzione corrisponde quindi a quella del numero dei fotositi disponibili, per ciascuno dei quali sono presenti tre pixel, su tre strati sovrapposti. Non c’è quindi nemmeno bisogno di un filtro antialias che ne limiti la risoluzione e l’eventuale effetto moirè, che anche qui si può presentare quando si riprendono dettagli molto fini, può essere controllato via software.
In conclusione una fotocamera con sensore Bayer da 12 Mpx ad esempio avrà una risoluzione effettiva di circa 6-7 Mpx. Una fotocamera con sensore Foveon da 5 Mpx avrà una risoluzione effettiva di 5 Mpx.
I dati così digitalizzati, ed eventualmente interpolati, relativi a ciascun pixel a questo punto compongono un’immagine che può essere registrata in vari formati, Tiff, Jpeg o altri.

In realtà però tutto il processo potrebbe avvenire senza la digitalizzazione e l’immagine potrebbe essere registrata in modo analogico su supporto magnetico. Ciò avveniva infatti nelle videocamere VHS o Video 8.

Tornando alla domanda nel titolo dell’articolo “Le digitali sono veramente digitali?” dalla precednete descrizione si vede che la risposta è NO.

Un sensore digitale per definizione infatti dovrebbe rispondere alle sollecitazioni derivate dalla luce incidente con solo due stati, on off, 0 1, bianco nero. Un sensore come il pixel invece risponde con un’uscita proporzionale alla quantità di luce ricevuta ed è quindi analogico. E per di più, nel caso dei sensori Bayer, registra un’immagine in bianconero!
Un vero sensore digitale dovrebbe avere tantissimi pixel, molto più piccoli degli attuali. ognuno dei quali, a secondo se riceve o meno qualche fotone, rimane bianco o diventa nero, o meglio emette un segnale 0 o 1. La superfice del sensore riporterebbe quindi un’informazione più chiara o più scura, oppure contenente più zeri o più uno, in funzione della quantità di luce che raggiunge ogni sua unità di superficie.
Un sensore elettronico digitale così ancora non esiste e non so se possa essere realizzato.
Ma un sensore così non esiste in assoluto? In realtà esiste ed è noto da molto tempo. Si tratta della pellicola. Nell’emunsione che ricopre la pellicola sono contenuti dei sali di alogenuri d’argento (cloruro, bromuro, ioduro d’argento) in forma cristallina. Gli atomi di questi elementi se ricevono energia dall’impatto di un fotone di luce si separano liberando l’argento metallico. Il processo di separazione, che sarebbe naturalmente molto lungo, richiedendo tempi di posa di ore, viene accelerato e completato chimicamente mediante le fasi di sviluppo per separare l’argento metallico dagli alogenuri per i cristalli che hanno ricevuto luce, e fissaggio per eliminare gli alogenuri non impressionati dalla luce. In ogni punto della pellicola più ha ricevuto luce più sono presenti minuti grumi di argento derivati dai cristalli di alogenuro impressionato. Dove la pelicola ha ricevuto più luce quindi diventa più scura, rappresentando un’immagine negativa del soggetto che può essere trasformata in positiva con un processo di stampa analogo. Le foto a colori sono ricavate usando tre strati senibili in ognuno dei quali i sali d’alogenuro sono associati ad un colorante.
Questo comportamento della pellicola è certamente molto più vicino a quello del sensore digitale di cui ho precedentemente parlato in confronto a quello del sensore elettronico attuale.
Se poi si volessero digitalizzare le foto su pellicola, per poterle portare su computer, si dovrebbero passare allo scanner, ripetendo il processo che avviene nelle fotocamere “digitali”.

Le fotocamere digitali quindi sono delle fotocamere che registrano un’immagine con un sensore analogico e poi la digitalizzano al loro interno.
In conclusione il termine più appropriato per definire le attuali fotocamere sarebbe “elettroniche” piuttosto che “digitali”.