Rumore fotografico

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Rumore fotografico


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Introduzione
Il rumore digitale, detto anche rumore elettrico, rumore termico, noise o semplicemente rumore non ha nulla a che vedere con i suoni. In fotografia il suo effetto finale è visibile sulle foto, soprattutto in quelle scattate a ISO elevati e particolarmente nelle aree più scure dell’immagine. A occhio si presenta come una variazione semicasuale, ma limitata, del colore dei pixel. In altre parole il rumore è dato da un’immagine sbiadita formata da colori casuali che variano da punto a punto e che si sovrappone all’immagine originale determinandone un forte calo di qualità. Nelle reflex digitali più costose il rumore è limitato ma nelle compatte una foto notturna a 800 ISO può essere completamente inutilizzabile. Le foto seguenti mostrano un esempio che speriamo possa chiarirvi le idee.

Anche le foto sviluppate dalla pellicola presentano rumore, ma in maniera ridotta rispetto alle digitali, inoltre il loro rumore è di colore neutro, non cambia cioè il colore e la saturazione del puntino/pixel a cui va a sovrapporsi.

Cause del rumore
Le cause del rumore sono variabili. Il rumore infatti non è altro che un errore variabile nel tempo ed è presente in qualsiasi fenomeno fisico che si verifichi al mondo. A voler essere precisi il rumore esiste solo in quanto noi tentiamo di prevedere i fenomeni fisici e chiamiamo il nostro errore di modello rumore. Il rumore è dovuto cioè a fenomeni fisici complessi e difficilmente modellabili (o semplicemente non previsti) che fanno si che il risultato di un esperimento sia leggermente diverso da quanto previsto. A differenza della maggior parte degli errori il rumore varia però in maniera rapidissima e anche sapendo che esiste è quasi impossibile da eliminare a priori. Teoricamente però potrebbe essere calcolato e di conseguenza rimosso da un immagine o da un segnale, ma la cosa è di fatto quasi impossibile (soprattutto senza perdere informazioni utili e deteriorando la qualità del segnale/immagine).

Rumore elettrico
Il rumore elettrico è dovuto al calore e al moto molecolare da esso innescato. Esso infatti non si verifica a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15 °C) e aumenta di intensità all’aumentare della temperatura, tuttavia data l’estrema difficoltà del mantenere un dispositivo elettrico a queste temperature bassissime, non rimane altra scelta che cercare di ridurre il rumore al minimo anche senza eliminarlo totalmente.

Il rumore è un normalissimo segnale elettrico prodotto da ogni dispositivo elettronico che si somma al segnale “pulito” prodotto in uscita dal sensore “sporcandolo”. Il segnale e il rumore sono prodotti nello stesso punto ed è quindi impossibile eliminare il rumore, che tuttavia può aumentare sommandosi al rumore prodotto da altri apparati vicini. Il rumore si presenta quindi come un errore variabile nel tempo con ritmo elevatissimo a valor medio nullo che viene campionato e convertito in digitale insieme al segnale puro a cui è indissolubilmente legato.

Tipi di rumore
Esistono diversi tipi di rumore. Dal punto di vista del segnale analogico prodotto da un sensore nel tempo il rumore può essere bianco o colorato (rosa, marrone, ecc.) a seconda del suo spettro (lo spettro misura le frequenze che un segnale copre e l’energia del segnale per ciascuna di esse).

Ma la distinzione che interessa un fotografo è di tutt’altro tipo e riguarda le caratteristiche che il rumore ha nell’immagine finale. A questo fine è possibile distinguere il rumore in due componenti: “hot pixel” e rumore casuale. La prima componente è dovuta a un difetto di fabbricazione (inevitabile e presente su ogni sensore) che determina un errore fisso e quindi facilmente eliminabile da una foto che tuttavia spesso non viene affatto eliminato…
Il rumore casuale è il rumore vero e proprio prodotto dalle componenti elettroniche e l’unica possibilità di ridurlo è quella di basarsi su statistiche e probabilità, nonché sulle caratteristiche dell’immagine, per ridurlo cercando di non toccare i pixel puliti.

Il rumore inoltre può essere di colore neutro (ad esempio nelle Sigma SD9 e SD10) oppure può presentare una colorazione molto vivace e risultare quindi ben visibile. Quasi tutte le fotocamere digitali ricadono in questa seconda categoria: il problema è infatti dovuto al modo in cui i CCD/CMOS vengono attualmente costruiti e a un filtro (filtro di Bayern) che deve essere applicato per ricostruire le immagini a partire da questo tipo di sensori.

Il rumore nelle foto digitali
Nelle fotografie il problema maggiore legato al rumore digitale è la sua visibilità nelle zone scure che aumenta incredibilmente se si tenta di aumentare la luminosità dell’immagine. Se ad esempio l’immagine è stata sottoesposta tentare di correggerne la luminosità evidenzierà in maniera netta il rumore. Il problema aumenta ulteriormente se si scatta a sensibilità elevate (ISO 400 o superiore), in questi casi infatti il segnale “pulito” è di intensità minima e il rumore, segnale elettrico anch’esso debole, diventa tuttavia chiaramente visibile. Nelle compatte il rumore a ISO elevati, in una foto notturna, è qualcosa di intollerabile che può arrivare a rendere la foto inutilizzabile, tanto più se il sensore della compatta è di piccole dimensioni (1/2.7”). Il rumore infatti diminuisce al crescere delle dimensioni del sensore, mentre aumenta (anche se di poco) all’aumentare del numero di megapixel, difatti proprio per questo motivo si sconsigliano macchine con sensori minuscoli e molti megapixel.

Ridurre il rumore (dark frame subtraction e altre tecniche)
Al fine di ridurre notevolmente il rumore è possibile eliminare la sua parte fissa. Se scattate diverse foto notturne a ISO 800 disattivando ogni algoritmo di riduzione del noise noterete che si formano molti pixel di un colore vivace (rosso, blu, verde, ecc.). Se passate da una foto all’altra noterete che il 70% dei pixel rimane nella stessa posizione da una foto all’altra. Questo è appunto il rumore dovuto agli “hot pixel”. Per eliminarlo le fotocamere utilizzano la tecnica del “dark frame subtraction”, scattano cioè una seconda foto identica alla prima ma con l’otturatore completamente chiuso (non entra luce). L’immagine, denominata “dark frame”, è quindi determinata esclusivamente dal rumore. In seguito sottraggono la seconda immagine alla prima ottenendo un’immagine depurata dagli hot pixel.

La tecnica potrebbe sembrare perfetta, almeno per eliminare la maggior parte del rumore, e si può eseguire manualmente anche se la fotocamera non la supporta in automatico (basta bloccare le impostazioni relative all’esposizione e scattare una seconda foto con il copriobiettivo inserito) ma alla prova pratica i risultati non sono perfetti (il rumore sottratto risulta essere troppo forte nelle zone chiare). Per ottenere risultati perfetti occorrerebbero infatti 256 foto scattate a livelli crescenti di luminosità e non solo quella relativa al buio più completo!

Tuttavia alcune variazioni sul metodo permettono di ottenere risultati migliori. Ad esempio si possono usare le maschere per limitare la sottrazione solo alle aree più scure o ricavare una mappa degli hot pixel (dal dark frame) per sostituire il loro colore con quello dei pixel più vicini (nella foto). Ancora si possono usare i livelli di Adobe Photoshop (o altri programmi compatibili) tentando la soluzione migliore di opacità e tipo di fusione (multiply, darken, ecc.).

Esistono inoltre diversi programmi e plugin commerciali o freeware che permettono di ridurre il rumore basandosi su apparentemente sofisticati metodi statistici, ma in realtà tali metodi sono piuttosto elementari e i risultati non sono certamente impressionanti. Tuttavia se il rumore è contenuto, e se si accetta una discreta perdita di qualità dei dettagli dell’immagine, il rumore viene effettivamente ridotto di moltissimo.

Ridurre il rumore al momento dello scatto
Al fine di ridurre al minimo il rumore si deve evitare scaldare la macchina fotografica e di usare ISO elevati. Usando un cavalletto, un diaframma aperto e un tempo di esposizione molto lungo è possibile scattare foto notturne anche con ISO 100.

Inoltre se si accende la macchina fotografica solo un istante prima di scattare si evita di scaldare il sensore e si ottengono immagini molto più pulite. Di notte, con una compatta questa accortezza diventa un vero e proprio must!

Tuttavia se volete scattare a sensibilità elevate l’unica soluzione è quella di usare la pellicola o una costosa Reflex semiprofessionale. Solo una macchina fotografica con un sensore di dimensioni generose permette questo genere di scatto…

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