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Il sensore delle Nikon D1 e la tecnica del Pixel Binning -----

Submitted by: Mauro Maratta
Submitted: dic 26 2009 09:37
Last updated: dic 26 2009 09:58
Category: Fotocamere Nikon Digitali
Titolo : Il sensore delle Nikon D1 e la tecnica del Pixel Binning
Keywords :
Dicembre 1999.

Nikon va in consegna con la sua nuova ammiraglia.

No, non ? la spesso vaticinata F6 il cui sviluppo ? stato interrotto (in realt? la F6 presentata cinque anni pi? tardi non ha nulla a che fare con quel progetto) ma la prima reflex digitale veramente Nikon, dopo le tante collaborazioni mezzo riuscite con Kodak e Fuji.

E' la Nikon D1, la fotocamera che segna l'inizio di un'era che ? ancora in corso e che con la Nikon D3x ? arrivata a vette forse inimmaginabili.

Immagine Allegata: d1.jpg



Questa macchina, nel corpo di una F5 (o di una F100 con il booster incorporato se vogliamo), era dotata di un fiammante CCD di produzione ignota ma di chiara progettazione Nikon, che di sensori se ne intende e molto.
I dati di targa parlavano di una risoluzione di 2,74 megapixel con una immagine di ben (per l'epoca !) 2.000x1.312 punti.

Su quella prima macchina storica, soltanto 18 mesi dopo, Nikon svilupp? due macchine specializzate che sostituirono la progenitrice, la Nikon D1H, dotata della stessa risoluzione e la Nikon D1x, dotata di una risoluzione doppia.

La letteratura dell'epoca - ricordo perfettamente l'articolo di Dpreview di presentazione e poi di test della D1x - diceva che il sensore delle tre fotocamere era lo stesso, solo che nella D1x i fotodiodi subivano uno strano processo di rimappatura che li rendeva rettangolari, con uno strano rapporto che poi in fase di conversione veniva normalizzato.

L? per l? non capii ma del resto l'uscita della D1x mi colpiva per altri motivi che non per le astruse manipolazioni che avvenivano nel suo cuore.

Immagine Allegata: d1x.jpg

La formidabile Nikon D1x


A met? ciclo di vita, Nikon propose un upgrade del buffer della Nikon D1x che le consentiva di avere una raffica pi? efficace e contemporaneamente un update di Nikon Capture realizzato specificatamente che permetteva di ricavare dalla D1x dei file di 10,8 megapixel.

All'epoca si parlava di semplice interpolazione software.

Il mistero si infittisce ulteriormente.

Archiviate le D1 con l'uscita nel 2003 della D2H e, l'anno dopo della pi? avanzata D2x, le peculiarit? delle D1 sono state dimenticate.
Usate molto pesantemente e piuttosto primordiali per certi versi, non sono macchine che hanno visto un grande spolvero sull'usato.

Sebbene la cosa mi abbia continuato ad incuriosire finch? non mi sono imbattuto in alcuni articoli riguardanti una particolare tecnica usata in special modo nei CCD speciali per usi astronomici.

Immagine Allegata: d1h.jpg

L'inossidabile Nikon D1H, ancora oggi in grado di svolgere il lavoro per cui ? stata progettata


Gi?, perch? D1, D1H e D1X sono in pratica la stessa macchina, con lo stesso sensore e lo stesso corpo.
Piccole differenze di elettronica e di dotazione del buffer.

Lo stesso sensore ?

Si. E non solo. Non un sensore da 2,74 megapixel come D1 e D1H. Non un sensore da 5,4 megapixel come la D1x.

Un sensore da 10,8 megapixel.

Un sensore di tale densit? si vedr? solamente con la D200 nel 2006 !

Eppure progettato, prodotto in grande quantit? e utilizzato in diverse soluzioni che consentiva prestazioni ineguagliate gi? nel 1999.
Con un accorgimento, per?.

Ovviamente un sensore con pixel cos? piccoli, senza un sistema di riduzione hardware del rumore (come quelli in uso con i moderni CMOS) sarebbe stato una semplice spacconata perch? avrebbe dato prestazioni inaccettabili ad ISO appena superiori al dato di targa.

Per ottenere i risultati attesi per le D1, Nikon intervenne alla fonte, sfruttando, appunto, una tecnica di approccio usata comunemente in astronomia.

Il Pixel Binning

Il binning ? un processo di lettura dei fotodiodi che compongono un sensore che si basa sulla somma delle informazioni di pi? pixel adiacenti.

Possiamo avere il binning 1x1 (equivalente alla lettura diretta di ogni singolo pixel) :

Immagine Allegata: post-1-1233083689_thumb.jpg
In questo caso abbiamo un reticolo di 144 pixel (un quadrato di 12x12 pixel)


il binning 2x2 :

Immagine Allegata: post-1-1233083740_thumb.jpg
in cui i pixel vengono letti a gruppi di quattro e il reticolo precedente diventa composto da 36 pixel (un quadrato di 6x6 pixel)

il binning 3x3 :

Immagine Allegata: post-1-1233083830_thumb.jpg
in cui i pixel vengono letti a gruppi di nove e il reticolo precedente diventa composto da 16 pixel (un quadrato di 4x4 pixel)

il vantaggio ? di avere pixel piccoli, con una sensibilit? bassa ma che sommati si comportano come pixel grandi, con una sensibilit? molto pi? alta (teoricamente doppia o tripla) e che possono essere utilizzati in cattura per periodi di tempo superiore a quanto potrebbero i singoli pixel.
Il risultato ? una necessit? di amplificazione inferiore con una figura di rumore migliore.

La domanda sorge spontanea. Ma perch? Nikon non ha usato semplicemente un sensore con pixel pi? grandi e una minore risoluzione ?

Per diversi motivi. Innanzitutto costi e flessibilit?.

Producendo un solo sensore (come adesso per la D3 e la D700) si abbattono i costi di produzione e di sviluppo ma al contempo si possono fare pi? macchine semplicemente cambiando l'uso che si fa di quel sensore (con il binning per l'appunto, e con una taratura di sensibilit? di base adattata alla risoluzione effettivamente letta).

In pi? per sfruttare gli indubbi vantaggi ottenibili con il binning rispetto al singolo pixel grande.

- La sensibilit? del gruppo di pixel ? superiore a quella del singolo pixel a parit? di rumore generato.
Oppure di converso, il rumore ? inferiore a parit? di sensibilit? nel gruppo rispetto al singolo pixel (vi risparmio le formule che potrete leggere nei link inseriti nelle note bibliografiche).
- la minore amplificazione consente inoltre un tempo di lettura inferiore con un frame rate superiore.
Il tutto ovviamente, a scapito di una perdita di risoluzione.

Il risultato ? elegante, efficiente, flessibile e all'atto pratico, funzionale.

Note bibliografiche sul Binning :

National Optical Astronomy Observatory
Apogee Instruments
In italiano
Roper Scientific

In sintesi, quindi, partendo dal sensore CCD da 10,8 megapixel - un vero miracolo tecnologico per il 1999 considerando che la concorrenza non andava oltre ai 3 megapixel - Nikon ha potuto produrre :

- la Nikon D1 e la successiva D1H da 2,7 megapixel applicando un binning 2x2 per ottenere alta cadenza di raffica
- la Nikon D1x da 5,4 megapixel applicando un binning 2x1 per ottenere un'alta risoluzione

mantenendo al contempo il rumore al pi? basso livello ottenibile all'epoca.

Il risultato ? elegante, efficiente, flessibile e all'atto pratico, funzionale.

Perch? sar? vero che chi fotografa pu? anche non avere la minima idea di cosa ci sia dentro la propria fotocamera quando ne ? soddisfatto, ma per i veri appassionati ? molto pi? soddisfacente sapere perch? Nikon is different ™

ATTENZIONE : NON ESISTONO FONTI DOCUMENTATE CERTE ED APPROVATE DA NIKON SU QUANTO DA ME SCRITTO SU QUESTO ARTICOLO.

Esiste per? una intervista al progettista delle D1 che avvalora la mia tesi. (Che peraltro viene dal sito Nikon Imaging)

Interview with Kiyoshige Shibazaki, Nikon General Manager, 1st Development Department, Development Management Department, Imaging Company (whew!):

"I guess that it's now safe to reveal that the D1 image sensor, with specifications noting a pixel count of 2.7-million pixels, actually had a pixel count of 10.8-million pixels.

The technical reason for an actual pixel count four times greater than that indicated publicly lies in the need to achieve high sensitivity and a good signal-to-noise ratio.

Unlike current cameras, for which final pixel counts account for individual pixels, we had to include multiple pixels in each pixel unit with the D1. In short, our development of an image sensor with so many pixels at such an early stage in the history of digital cameras indicates the importance placed on SLR camera development at Nikon."


Da qui, la congettura che sia stato usato il binning, unica tecnologia disponibile per queste situazioni, a meno che Nikon non abbai voluto usare un sensore ultracostoso e con una densit? 4 volte superiore a quanto necessario e disponibile al momento solo perch? ... non riuscivano a farne uno meno denso ....

:bigemo_harabe_net-03:

Mr. Kiyoshige Shibazaki dice in quella intervista di essere orgoglioso di aver contribuito al progetto delle famiglie D1 e D2. Ne ha ben donde secondo me !

L'intero articolo che parla della genesi del progetto D1 (partito nel 1996, per arrivare alla D2, passando per la D200) :




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