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Dinamica del Foveon, Sensibilità, Rumore.

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Italo:
Ormai tutti sanno che il pixel è un'unità corrispondente ad un singolo punto dell'immagine capace, come un secchiello, di raccogliere una certa quantità di fotoni che "piovono" entro il suo perimetro trasformandosi in elettroni.
Ovviamente più grande sarà il pixel, tanto maggiore sarà la quantità di elettroni che potrà contenere (+ sensibilità) ma tanto più grande sarà anche il punto, per cui il dettaglio dell'immagine prodotta sarà più grossolano anziché finemente leggibile.
In base a questo elementare principio è facile intuire che esiste una densità di pixel ottimale per ogni dimensione di sensore per coniugare opportunamente sensibilità e lettura del dettaglio, anche considerando le caratteristiche dell'ottica che formerà l'immagine.

Nel grafico sottostante i pixel sono rappresentati da cilindri riempiti di cariche elettriche (in verde) generate dai fotoni catturati, il limite (oltre il quale le cariche traboccherebbero "blooming" andando gradualmente a riempire i pixel adiacenti) è rappresentato dalla linea rossa superiore (Full Well Capacity).
Si può notare che maggiore è il valore ISO impostato (sottoesposizione) maggiore sarà la disponibilità di sovraesposizione prima di incontrare la linea rossa.

Ciò che riduce la capacità di sfruttare interamente il volume del "secchiello" è il rumore termico che, come "sabbia" si va formando col tempo sul fondo (in quantità casuale da un pixel all'altro) confondendo sempre più (con l'aumento del tempo d'esposizione) le informazioni che si trovano miscelate in esso.
Il rumore che si genera nel sensore, a partire dal momento in cui viene attivato (esposizione), è proporzionale al tempo di esposizione, alla temperatura e alla tecnologia del sensore.
Nel grafico ho supposto per semplicità un tempo e temperatura costanti in modo da ottenere una quantità costante di rumore in tutte le esposizioni con uniche variabili: iso e diaframmi (ipotetici). 
I dati del sensore, restando analogici, possono subire ulteriore incremento (qui non considerato) dall'hardware di lettura dei dati + quello dell'amplificatore ISO (assente nel foveon), ed infine, quello del convertitore A/D.

Per dinamica di un sensore si intende il rapporto tra la massima quantità di cariche che un pixel può contenere (Full Well Capacity) e il numero di elettroni in quantità casuale dovuti al rumore al termine di una determinata esposizione, il risultato è espresso in decibel = 20Log S/N (rapporto Segnale/Rumore).

Resta in generale il concetto che più grande è un pixel e migliore sarà il suo fattore dinamico, anche se questo può essere affermato in assoluto non sempre può essere verificato in pratica, infatti qualcuno potrebbe chiedersi come mai la dinamica di alcune compatte che hanno il lato dei pixel di alcuni micron (millesimi di mm.) sia quasi simile a quella delle reflex con lato più che doppio.
La definizione di dinamica ci può aiutare a capire il fenomeno.
Con riferimento al grafico sottostante, supponiamo di avere un pixel di dimensioni inferiori che possa accumulare la metà di elettroni (5.000), ma che grazie alla sua struttura tecnologica (CCD anzichè CMOS) produca, nello stesso tempo di esposizione, un rumore di soli 5 elettroni anziché 10, il suo indice dinamico sarà il medesimo del pixel del grafico: 5.000/5 = 1.000   






La scala di sensibilità in un sensore, sia foveon che a mosaico, dipende dalla tecnologia con cui è stato costruito, generalmente attorno a 60-70 iso arrotondati a 100 via sw (compensazione EV interna).
Nel foveon le sensibilità più alte si ottengono sottoesponendo quella nativa finché il livello di rumore permette, mentre il programma di visualizzazione in camera mostra l'immagine come esposta correttamente in relazione alla sensibilità impostata, applicando all'occorrenza la dose adeguata di "Noise Reduction".
A parte la diversa architettura del sensore, altra differenza tra il Bayer ed il foveon è che il primo comprende nell'hardware analogico uno stadio moltiplicatore di elettroni prima del convertitore A/D (X2, X4, X8....) impostabile dall'utente come scala ISO: questo non favorisce la qualità delle informazioni poiché moltiplica non solo i dati ma anche il rumore e aggiunge un certo tasso di rumore di lettura (read noise) da esso stesso generato, ma nel Bayer questa amplificazione è possibile perché sia l'efficienza che il rapporto S/N sono alti.
La peggiore gestione del rumore da parte del foveon è invece dovuta principalmente alla sua architettura a strati: già casuale in un solo strato, diventa estremamente "random" quando ne vengono sommati tre, per cui possono sommarsi 3 valori massimi in un pixel e 3 minimi in quello adiacente, triplicando così l'entità del problema, sgradevole soprattutto in ambito cromatico (colori).

Tornando al grafico, si nota facilmente che all'aumentare della sensibilità fittizia il rapporto tra l'informazione utile e il rumore si riduce peggiorando progressivamente la qualità, però si nota anche l'aumento della disponibilità di sovraesposizione (spazio per raggiungere la linea rossa), cioè ad alta sensibilità è ovviamente difficilissimo sovraesporre anche se il file viene visualizzato in modo devastato come nell'esempio sottostante dove uno scatto a 800iso (in realtà sottoesposto di 3EV) è volontariamente sovraesposto 3EV (cosa improponibile partendo da 100 iso).

SD10 800 iso +3EV (100 iso) zero setting in SPP (come viene visto sul display e sul jpeg in camera):


Interessante notare che gli ISO e i valori EV di compensazione agiscono in modo diverso perché i secondi (EV) si riferiscono a come l'utente vuole vedere l'immagine sul display della camera e sul jpeg incorporato, anche se gli ISO impostati annullano totalmente sul RAW la sovraesposizione di compensazione.
Recuperando l'esposizione in SPP si ritrova infatti un aspetto pari a quello di 100 iso:



Diverso il discorso se sovraesponiamo i 100iso di +1 per ottenere i 50 iso (ufficialmente non disponibili nella SD10) oppure 100iso+2 per 25iso: si può fare ma, come nella SD14, solo con scene a basso contrasto prive di luci troppo "spinte" perchè, come si vede nel grafico, la "linea rossa" è vicina!


SD10 100iso +1EV (50iso) "livellata", nonostante i contrasti non proprio moderati si è comportata molto bene, il rumore è ai minimi livelli anche nelle ombre, non so se la 14 in queste condizioni di luce reggerebbe!





Ho anche fatto questo tentativo ma, come ho rappresentato nel grafico, non c'era più spazio per la dinamica e le informazioni di colore delle parti più chiare sono andate "fuori dal vaso" come sul muro della casa sulla destra che da rosato è diventato biancastro, però con scene adatte (ritratti in studio con basso contrasto) penso che i grossi pixel della "10 rendano possibile questa sensibilità.
Zoomando al 500% non si riesce a notare il rumore nemmeno nelle ombre più scure.

SD10 100iso +2EV (25iso) "livellata"

 



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Finora ho mostrato le possibilità del foveon verso l'alto (sovraesposizione) ma la cosa si rivela interessante anche verso il basso (sottoesposizione).
L'immagine che segue è stata scattata in manuale con Sigma DP1, ISO 100, 1/30 sec, F4.0, ±0.00 EV (volutamente sottoesposta di 5 EV... o se vogliamo 3200iso).
Il Raw a zero setting in SPP e sul display della camera si presenterebbe così:





Questo è il migliore risultato ottenibile dal trattamento bn "in camera" del corrispondente jpeg (qualità "Fine"):





Questo, invece, quello che si può ottenere dal trattamento del raw in SPP:




Questo dimostra che dal raw si possono ricavare molte più informazioni rispetto al jpeg e si conferma ancora una volta che col foveon gli scatti ad alta sensibilità sono fatti sempre secondo il valore di esposizione (tempo / diaframma) a 100 iso, ma virtualmente visualizzati secondo i valori EV / ISO impostati in camera.


famarm:
Quindi Italo se ho capito bene sul foveon si utilizzano i bassi ISO (diciamo 100) per avere poco rumore su scene non contrastate (a bassa dinamica).
Sulle riprese con alte escursioni si aumentano gli ISO ottenendo più dinamica (recuperabile con lo strumento Fill Light) ma con lo svantaggio di generare più rumore.
Dagli esempi da te riportati esporre lo stesso EV a ISO diversi restituisce il medesimo risultato salvo per la quantità di rumore e dinamica ottenibile all'aumentare di questi.
Ho detto giusto?

Italo:

--- Citazione ---Sulle riprese con alte escursioni si aumentano gli ISO ottenendo più dinamica...
--- Termina citazione ---
In realtà, cambiando ISO ed EV si variano indirettamente i parametri di scatto (in "tempo d'esposizione" se a priorità di apertura o viceversa)... non si aumentano gli iso come nelle camere Bayer ma si sottoespone una "pellicola" (sensibilità fissa) per non bruciare le luci o per evitare il mosso con un tempo più veloce, in questo modo si sposta il problema dinamico sulle ombre, che però potrebbero essere lasciate chiuse per non mostrare l'aumento di rumore.


--- Citazione ---Dagli esempi da te riportati esporre lo stesso EV a ISO diversi restituisce il medesimo risultato...
--- Termina citazione ---
Non mi risulta, citami il passaggio.
In ogni caso, è la somma "algebrica invertita" dei valori ISO ed EV che nel foveon possono dare lo stesso risultato (rumore compreso) ma, in ripresa, è molto più agevole e rapido cambiare gli EV che andare nel menù per cambiare gli ISO, inoltre in EV si possono impostare valori iso intermedi (frazioni di EV).


Sul raw non c'è alcuna variazione di rumore impostando la stessa esposizione risultante dalla somma algebrica di ISO più EV, ma sul display della camera, sul Jpeg in camera e sulla preview in SPP, l'immagine viene mostrata secondo il valore EV.
Nell'esempio sottostante le prime tre combinazioni hanno la stessa esposizione (tempo/apertura), quindi la stessa qualità/rumore sul raw ma visualizzazioni jpeg diverse:

  200iso + 1EV = raw 100iso jpeg visualizzato sovraesposto +1EV
  400iso + 2EV =   "      "           "               "               "             +2EV
  100iso    0EV = raw 100iso visualizzato uguale           
  400iso    0EV = raw sottoesposto -2EV ma jpeg visualizzato 0EV (+ rumore)                   
  100iso + 1EV =   "   50iso visualizzato sovraesposto +1 (possibile solo in condizioni di basso contrasto su versioni pre Merrill).
  100iso  - 2EV = raw 400iso (sottoesposto 2EV), jpeg visualizzato -2EV (con più rumore sia su raw che jpeg).

famarm:

--- Citazione da: Italo - Mercoledì, 16 Novembre 2016, 11:12:52 ---  200iso + 1EV = raw 100iso jpeg visualizzato sovraesposto +1EV
  400iso + 2EV =   "      "           "               "               "             +2EV
  100iso    0EV = raw 100iso visualizzato uguale           
  400iso    0EV = raw sottoesposto -2EV ma jpeg visualizzato 0EV (+ rumore)                   
  100iso + 1EV =   "   50iso visualizzato sovraesposto +1 (possibile solo in condizioni di basso contrasto su versioni pre Merrill).
  100iso  - 2EV = raw 400iso (sottoesposto 2EV), jpeg visualizzato -2EV (con più rumore sia su raw che jpeg).

--- Termina citazione ---

Questa tabellina mi ha chiarito un po le idee. Purtroppo il retaggio dato dal mosaico mi porta a ragionare diversamente...
Facendo un'esempio, su una scena a medio o alto contrasto dovrei utilizzare ISO maggiori per avere più recupero nelle ombre? Tipo:

400ISO + 2EV

mi permettono un recupero maggiore che

100ISO    0EV

quando poi aprirò il RAW in SSP dovrò regolare l'esposizione riportandola entro i limiti.
Se invece utilizzo 100ISO non posso avere tutto quel margine di recupero.
Ma il rumore risultante è comunque inferiore?

Italo:

--- Citazione ---Purtroppo il retaggio dato dal mosaico mi porta a ragionare diversamente...
--- Termina citazione ---
Esatto! Invece per me, che dall'analogico sono passato direttamente al foveon, quadra perfettamente.


--- Citazione ---.... 400ISO + 2EV mi permettono un recupero maggiore che 100ISO  0EV ?
--- Termina citazione ---
No, sono la stessa cosa! Per non crearti confusione gli EV non dovresti usarli mai (sempre a zero), così sul display in camera vedresti il vero aspetto del raw invece di quello del jpeg.
Dimentica di avere una scala EV e vivrai più felice col foveon!  ;)

Come già detto più volte, l'HW delle sigma non ha il moltiplicatore analogico di cariche (ISO) prima della conversione in digitale come nella versione Bayer, per cui non può essere "aggiustata" la sensibilità del foveon ma solo sovraesposto o sottoesposto con tutte le conseguenze del caso.


--- Citazione ---...su una scena a medio o alto contrasto dovrei utilizzare ISO maggiori per avere più recupero nelle ombre?
--- Termina citazione ---
Questo è il punto che ti porta fuori strada: col foveon "ISO maggiori" significa sottoesposizione per cui avrai certamente una minore lettura e maggior rumore nelle ombre, ma avrai maggiori informazioni sulle luci... di solito 200 iso risolvono le luci in quasi tutte le circostanze mentre nei controluce potrebbe essere necessario sottoesporre maggiormente (400iso) a seconda di ciò che si vuole ottenere.
Se però vuoi fare bn puoi spingerti anche a 3200 iso per avere una bella grana simil analogica.


--- Citazione ---Se invece utilizzo 100ISO non posso avere tutto quel margine di recupero.
--- Termina citazione ---
Perché te la fa vedere già uguale a quella 400iso recuperata! Si fa anche presto a dimostrarlo con un paio di scatti dello stesso soggetto nelle stesse condizioni di luce, come già mostrato con i primi 2 scatti del post iniziale del topic.  ;)
Se però ti disturba avere già l'esposizione giusta, puoi continuare a perdere tempo nel recupero.  :ohi:

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