Gamma Dinamica nella Fotografia Digitale

La gamma dinamica in fotografia descrive il rapporto tra le intensità luminose massime e minime misurabili (bianco e nero, rispettivamente). Nel mondo reale, non si incontra mai il vero bianco o nero – solo gradi variabili di intensità della sorgente luminosa e riflettività del soggetto. Quindi il concetto di gamma dinamica diventa più complicato, e dipende se stai descrivendo un dispositivo di cattura (come fotocamera o scanner), un dispositivo di visualizzazione (come stampa o display), o il soggetto stesso.

Proprio come con la gestione del colore, ogni dispositivo nella catena di imaging sopra ha la sua gamma dinamica. Nelle stampe e display, nulla può diventare più luminoso del bianco carta o di un pixel a intensità massima, rispettivamente. In effetti, un altro dispositivo non mostrato sopra sono i nostri occhi, che hanno anche la loro gamma dinamica. Tradurre l'informazione d'immagine tra dispositivi può quindi influenzare come quell'immagine viene riprodotta. Il concetto di gamma dinamica è quindi utile per confronti relativi tra la scena reale, la tua fotocamera, e l'immagine sul tuo schermo o nella stampa finale.

INFLUENZA DELLA LUCE: ILLUMINANZA E RIFLETTIVITÀ

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

Scene con alta variazione di riflettività, come quelle contenenti oggetti neri oltre a forti riflessi, possono effettivamente avere una gamma dinamica maggiore di scene con grande variazione di luce incidente. La fotografia sotto entrambi gli scenari può facilmente superare la gamma dinamica della tua fotocamera – particolarmente se l'esposizione non è perfetta.

La misurazione accurata dell'intensità luminosa, o luminanza, è quindi critica quando si valuta la gamma dinamica. Qui usiamo il termine illuminanza per specificare solo la luce incidente. Sia illuminanza che luminanza sono tipicamente misurate in candele per metro quadrato (cd/m²). Valori approssimativi per sorgenti luminose comunemente incontrate sono mostrati sotto.

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

FOTOCAMERE DIGITALI

Anche se il significato di gamma dinamica per una scena reale è semplicemente il rapporto tra 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. Ricorda dal tutorial sui sensori delle fotocamere digitali che la luce è misurata in ogni pixel in una cavità o pozzo (fotosito). La dimensione di ogni fotosito, oltre a come i suoi contenuti sono misurati, determinano la gamma dinamica di una fotocamera digitale.

Livello Nero
(Limitato dal Rumore) Livello Bianco
(Fotosito Saturato) Livello Bianco Più Scuro
(Fotosito a Bassa Capacità)

I fotositi possono essere pensati come secchi che trattengono fotoni come se fossero acqua. Quindi, se il secchio diventa troppo pieno, traboccherà. Un fotosito che trabocca si dice saturo, ed è quindi incapace di discernere tra fotoni in entrata aggiuntivi – definendo così il livello bianco della fotocamera. Per una fotocamera ideale, il suo rapporto di contrasto sarebbe quindi solo il numero di fotoni che potrebbe contenere in ogni fotosito, diviso l'intensità luminosa più scura misurabile (un fotone). Se ognuno ne tenesse 1000, il rapporto di contrasto sarebbe 1000:1. Poiché fotositi più grandi possono contenere un range maggiore di fotoni, la gamma dinamica è generalmente più alta per le reflex digitali rispetto alle compatte (a causa di dimensioni pixel maggiori).

Nota Tecnica: In alcune fotocamere digitali, c'è un'impostazione ISO basso estesa che produce meno rumore, ma diminuisce anche la gamma dinamica. Questo perché l'impostazione in effetti sovraespone l'immagine di un f-stop intero, ma poi tronca le luci – aumentando così il segnale luminoso. Un esempio sono molte fotocamere Canon, che hanno una velocità ISO-50 sotto l'ordinario ISO-100.

In realtà, le fotocamere consumer non possono contare fotoni individuali. La gamma dinamica è quindi limitata dal tono più scuro dove la texture non può più essere discernuta; chiamiamo questo il livello nero. Il livello nero è limitato da quanto accuratamente ogni fotosito può essere misurato, ed è quindi limitato nell'oscurità dal rumore d'immagine. Quindi, la gamma dinamica generalmente aumenta per velocità ISO più basse e fotocamere con meno rumore di lettura.

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

Complessivamente, la gamma dinamica di una fotocamera digitale può quindi essere descritta come il rapporto tra l'intensità luminosa massima misurabile (a saturazione pixel), e l'intensità luminosa minima misurabile (sopra il rumore di lettura). L'unità più comunemente usata per misurare la gamma dinamica nelle fotocamere digitali è l'f-stop, che descrive il range luminoso totale per potenze di 2. Un rapporto di contrasto di 1024:1 potrebbe quindi anche essere descritto come avere una gamma dinamica di 10 f-stop (poiché 2^10 = 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 saturazione:rumore per la gamma dinamica come per le fotocamere digitali, eccetto che è invece descritto in termini di densità (D). Questo è utile perché è concettualmente simile a come i pigmenti creano toni nei media stampati, come mostrato sotto.

Bassa Riflettanza (Alta Densità)	Alta Riflettanza (Bassa Densità)	Alta Densità Pigmento (Tono Più Scuro)	Bassa Densità Pigmento (Tono Più Chiaro)

La gamma dinamica complessiva in termini di densità è quindi la densità massima pigmento (D), meno la densità minima pigmento (D). A differenza delle potenze di 2 per gli f-stop, la densità è misurata usando 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 10^3 = 1000).

Gamma Dinamica Originale
Gamma Dinamica Scanner

Invece di elencare la densità totale (D), i produttori di scanner tipicamente elencano solo il valore D, poiché D - D è approssimativamente uguale a D. Questo perché a differenza delle fotocamere digitali, uno scanner ha pieno controllo sulla sua sorgente luminosa, assicurando che una saturazione minima del fotosito avvenga.

Per alta densità di pigmento, gli stessi vincoli di rumore si applicano agli scanner come alle fotocamere digitali (poiché entrambi usano un array di fotositi per la misurazione). Quindi la D misurabile è anche determinata dal rumore presente durante la lettura del segnale luminoso.

CONFRONTO

La gamma dinamica varia così tanto che è comunemente misurata su una scala logaritmica, simile a come intensità di terremoto immensamente diverse sono tutte misurate sulla stessa scala Richter. Qui mostriamo la gamma dinamica massima 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 sotto per confrontare queste.

Seleziona Misura per Gamma Dinamica:
f-stop	Densità	Rapporto Contrasto

Seleziona Tipi da Visualizzare Sopra:
Media Stampati	Scanner	Fotocamere Digitali	Dispositivi Visualizzazione

Nota l'enorme discrepanza tra gamma dinamica riproducibile in stampe, e quella misurabile da scanner e fotocamere digitali. Per un confronto con la gamma dinamica reale in una scena, queste variano da circa 3 f-stop per una giornata nuvolosa con riflettività quasi uniforme, a 12+ f-stop per una giornata soleggiata con riflettività altamente non uniforme.

Attenzione nell'interpretare i numeri sopra; la gamma dinamica reale è una forte funzione della luce ambientale per stampe e dispositivi di visualizzazione. Stampe non viste sotto luce adeguata potrebbero non dare la loro gamma dinamica completa, mentre i dispositivi di visualizzazione richiedono quasi completa oscurità per realizzare il loro pieno potenziale – specialmente per display al plasma. Infine, questi valori sono solo approssimazioni; i valori reali dipendono da età del dispositivo, generazione modello, fascia di prezzo, ecc.

Attenzione che i rapporti di contrasto per dispositivi di visualizzazione sono spesso grandemente esagerati, poiché non c'è standard produttore per elencarli. Rapporti di contrasto oltre 500:1 sono spesso solo il risultato di un punto nero molto scuro, invece di un punto bianco più luminoso. Per questo motivo si dovrebbe prestare attenzione sia al rapporto di contrasto che alla luminosità. Alti rapporti di contrasto (senza una luminosità corrispondentemente più alta) possono essere completamente annullati anche da luce di candela ambientale.

L'OCCHIO UMANO

L'occhio umano può effettivamente percepire una gamma dinamica maggiore di quella ordinariamente possibile con una fotocamera. Se considerassimo situazioni dove la nostra pupilla si apre e chiude per luce variabile, i nostri occhi possono vedere su un range di quasi 24 f-stop.

D'altra parte, per confronti accurati con una singola foto (ad apertura, otturatore e ISO costanti), possiamo considerare solo la gamma dinamica istantanea (dove l'apertura pupillare è invariata). Questo sarebbe simile a guardare una regione dentro 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 di luminosità e contrasto. La maggior parte stima da 10-14 f-stop.

Il problema con questi numeri è che i nostri occhi sono estremamente adattabili. Per situazioni di visione stellare estrema in scarsa luce (dove i nostri occhi si sono adattati a usare cellule a bastoncelli per visione notturna), i nostri occhi si avvicinano a gamme dinamiche istantanee ancora più alte (vedi tutorial su "Percezione del Colore dell'Occhio Umano").

PROFONDITÀ DI BIT E MISURAZIONE GAMMA DINAMICA

Anche se la tua fotocamera digitale potesse catturare una vasta gamma dinamica, la precisione con cui le misurazioni luminose sono tradotte in valori digitali può limitare la gamma dinamica usabile. Il cavallo di battaglia che traduce queste misurazioni continue in valori numerici discreti è chiamato convertitore analogico-digitale (A/D). L'accuratezza di un convertitore A/D può essere descritta in termini di bit di precisione, simile alla profondità di bit nelle immagini digitali, sebbene si debba fare attenzione che questi concetti non siano usati intercambiabilmente. Il convertitore A/D è ciò che crea i valori per il formato file RAW della fotocamera digitale.

Precisione Bit Convertitore Analogico/Digitale	Rapporto 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 sono per precisione convertitore A/D solo, e non dovrebbero essere usati per interpretare risultati per file immagine 8 e 16-bit. Inoltre, i valori mostrati sono un massimo teorico, assumendo che il rumore non sia limitante, e questo si applica solo a convertitori A/D lineari.

Come esempio, 10-bit di precisione tonale si traducono in un range di luminosità possibile di 0-1023 (poiché 2^10 = 1024 livelli). Assumendo che ogni numero del convertitore A/D sia proporzionale alla luminosità d'immagine reale (significando che il doppio del valore 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 usa un convertitore A/D a 10-14 bit, e quindi la loro gamma dinamica teorica massima è 10-14 stop. Tuttavia, questa alta profondità di bit aiuta solo a minimizzare la posterizzazione d'immagine poiché la gamma dinamica totale è solitamente limitata dai livelli di rumore. Simile a come un'immagine ad alta profondità di bit non significa necessariamente che contenga più colori, se una fotocamera ha un convertitore A/D ad alta precisione non significa necessariamente che possa registrare una gamma dinamica maggiore. In effetti, la gamma dinamica può essere pensata come l'altezza di una scala mentre la profondità di bit può essere pensata come il numero di gradini. Nella 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 CURVA TONALE

I file immagine digitali possono effettivamente registrare la gamma dinamica completa di dispositivi di fascia alta? Sembra esserci molta confusione in rete sulla rilevanza della profondità di bit dell'immagine sulla gamma dinamica registrabile.

Dobbiamo prima distinguere se stiamo parlando di gamma dinamica registrabile, o visualizzabile. Anche un normale file JPEG 8-bit può concepire di registrare una gamma dinamica infinita – assumendo che la giusta curva tonale sia applicata durante la conversione RAW (vedi tutorial sulle curve, motivazione: gamma dinamica), e che il convertitore A/D abbia la precisione bit richiesta. Il problema sta nell'usabilità di questa gamma dinamica; se troppo pochi bit sono sparsi su un range tonale troppo grande, questo può portare a posterizzazione d'immagine.

D'altra parte, la gamma dinamica visualizzabile dipende dalla correzione gamma o curva tonale implicita dal file immagine, o usata dalla scheda video e dispositivo di visualizzazione. Usando un gamma di 2.2 (standard per PC), sarebbe teoricamente possibile codificare una gamma dinamica di quasi 18 f-stop (vedi tutorial su correzione gamma, da aggiungere). Di nuovo, però, questo soffrirebbe di severa posterizzazione. L'unica soluzione standard attuale per codificare una gamma dinamica quasi infinita (senza posterizzazione visibile) è usare file immagine HDR (High Dynamic Range) in Photoshop (o altro programma supportato).