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Sottoesporre o Sovraesporre ? (RAW, Gamma Lineare e corretta Esposizione)
mar 24 2016 01:00 |
gpb01
in Corso di Fotografia
Questo articolo prende spunto da una presentazione a cui ho assistito tempo fa, in occasione del "Digital Symposium 2006", presentazione tenuta dall'amica Marianna Santoni (Adobe Guru) assieme ad un suo collega.
Contattata ultimamente in merito all'argomento, non solo mi ha fornito il riferimento da cui era partita la sua ricerca, ma mi ha cortesemente anche inviato un estratto degli studi di un tale Bruce Fraser proprio in relazione alla "Gamma Lineare ed Esposizione".
[
Bruce, Scozzese, emigrato a S.Francisco, ha effettuato studi sulla visione umana e sulla sua correlazione con la fotografia. E'autore del libro "Real World Camera Raw" pubblicato da "Peachpit Press" nel Agosto 2004.
Il mio intento qui é quello di esporre il contenuto di questi studi, integrando il tutto con un esempio pratico, da me realizzato, a dimostrazione della "teoria", contestando l'opinione diffusa che in "digitale" sia meglio "sottoesporre" che "sovraesporre" per non bruciare i dettagli nelle alte luci
Una delle maggiori differenze tra la fotografia "analogica" (su pellicola) e quella "digitale" é sicuramente quella relativa alla "risposta alla luce" di questi due differenti supporti. Difatti, mentre la pellicola ha una risposta che assomiglia a quella dell'occhio umano, il sensore delle digitali ha un comportamento totalmente diverso.
Ignorare questa fondamentale differenza, significa mettersi a rischio di non sfruttare completamente la gamma dinamica del sensore e di avere una maggiore quantità di "rumore" nelle zone delle basse luci.
La risposta alla luce da parte del nostro occhio (e anche da parte della pellicola) é totalmente NON lineare, così come quella di molti dei nostri sensi. Nel nostro cervello é difatti presente un meccanismo di ... "compressione" che ci permette di recepire nitidamente dai segnali più deboli a quelli più alti.
Se prendete in mano una oggetto di un peso X e poi ne aggiungete un secondo, NON avrete la sensazione di un raddoppio di peso; se vi viene fatto ascoltare un segnale acustico e poi l'intensità di questo segnale viene raddoppiata, la sensazione che se ne avrà NON é del doppio; se infine si raddoppia il numero di fotoni che raggiungono il vostro occhio, noterete un aumento della luminosità, ma NON il doppio della luce.
Grazie a questo meccanismo di "compressione" i nostri occhi possono passare dall'osservare qualcosa in una stanza buia dove é presente uan una debolissima luce, all'osservare qualcos'altro in pieno sole, senza rischio di ... "sovraesposizione" anche se la differenza di illuminazione é 10'000 volte superiore !
Al contrario, Il sensore delle nostre fotocamere digitali é puramente lineare ... al raddoppio del numero di fotoni che lo colpiscono, si ha un raddoppio del segnale in uscita.
Prendiamo quindi un'immagine, così come si presenta in uscita dal nostro sensore, lineare e senza alcuna curva di correzione applicata. Quello che avremo sarà un qualcosa che somigli a questo :
Essa appare evidentemente molto scura, pur contenendo, al suo interno, tutte le informazioni necessarie. L'esame del suo istogramma mostra che la maggior parte dei dati si trova nella parte delle basse luci :
Al fine di adattare questa immagine al nostro occhio, in fase di "sviluppo" del file RAW, a questa immagine viene applicata una curva di correzione "gamma" che ha la seguente struttura :
che porterà ad un immagine così fatta :
ovvero un'immagine che ci appare molto più corretta e che presenta un istogramma che risulta essere meglio distribuito :
Quindi, il processo che porta da un immagine "lineare", così come ripresa dal sensore, ad una immagine adatta alla nostra vista, é un processo che prende le informazioni contenute nel file RAW e le "amplifica" seguendo una certa curva "gamma".
Scattando in RAW, con una risoluzione di 12 bit, avremo che la nostra immagine é codificata con valori compresi tra 0 e 4095, ovvero 4096 differenti livelli (212 livelli).
Se abbiamo quindi a disposizione 4096 livelli, il livello 2048 indica che il sensore (che ricordo essere lineare) ha ricevuto la metà dei fotoni del livello 4096, il livello 1024 ne rappresenta un quarto e così via.
Ora, attualmente la dinamica dei sensori delle nostre fotocamera oscilla tra i 5 ed i 9 stop. Per il nostro esempio supponiamo di utilizzarne uno con una dinamica di 6 stop.
La distribuzione dell'intensità luminosa su una scala lineare sarà quindi questa :
... il che mostra chiaramente che il numero di livelli (quindi di valori diversi) assegnato alle zone pi? scure e nettamente inferiore al numero di quelli assegnati alle zone più chiare.
Nel nostro esempio (avendo realisticamente supposto una dinamica di 6 stop del sensore) avremo che al primo stop verranno dedicati 2048 livelli, al secondo 1024, al terzo 512, al quarto 256, al quinto 128 ed infine, al sesto, solo 64 livelli.
Applicando successivamente la nostra curva "gamma" noi non facciamo altro che distribuire le informazioni che sono state raccolte in forma lineare secondo una distribuzione "corretta", ovvero più adatta alla risposta dei nostri occhi :
... comprimendo da un lato le informazioni meglio descritte ed espandendo dall'altro quelle peggio descrite !!!
Quale sono dunque le implicazioni pratiche di tutto questo ?
Molto semplice ...
... parecchie persone sono portate a credere che in "digitale" sia meglio sottoesporre per non pelare le alte luci, recuperando poi in camera chiara con il software. Nulla di più sbagliato !
Facendo così essi non sfruttano a pieno i livelli con maggiore quantità di informazioni (le alte luci) andando a comprimere ancora di più le informazioni dove i bit descrittivi sono già pochi (medie e basse luci), ottenendo, in fase di recupero in camera chiara, solo un aumento del rumore proprio nelle ombre ed un notevole riscio di introdurre posterizzazioni nella zona delle basse luci.
In realtà la corretta esposizione in "digitale", scattando in RAW, é quella che ci permetterà di sovraesporre leggermente l'immagine sino al caso limite di avere la sensazione che le alte luci siano un po' pelate (verificabile anche tramite l'istogramma).
Difatti, ricordando che l'immagine che ci viene mostrata sul monitor della nostra fotocamera é il risultato della produzione del .JPG in camera e quindi dell'applicazione di tutte le impostazioni e di tutte le curve di correzione necessarie per adattare l'immagine alla nostra vista, quello che vedremo sul monitor "leggermente pelato", sarà invece perfettamente recuperabile tramite i software di "sviluppo" (Adobe Lightroom, Bibble Pro, Capture NX, ecc. ecc.).
Passiamo ora ad esaminare in pratica quanto qui sopra esposto in teoria.
La prova si é così svolta :
scelto un soggetto ho effettuato TRE scatti : uno leggermente sottoesposto (-2/3 EV), uno correttamente esposto ed uno leggermente sovraesposto (+2/3 EV).
Gli scatti sono stati fatti con la Nikon D2x e con il Nikkor 50mm f/1.4 D montati su cavalletto e l'illuminazione é stata fornita da un flash da studio Elinchrom BX400 con montato di fronte un bank bianco 60x60.
Ovviamente l'esposizione é stata regolata manualmente. Quella corretta era 1/125" F8; la sottesposta é stata fatta a 1/125" F10 e la sovraesposta a 1/125 " F6.3
Le immagini sono state poi "sviluppate" dal RAW in .JPG con Bibble Pro 4.9.5 azzerando qualsiasi correzione (ho usato Bibble Pro perché consente un accurato controllo di tutti i paramentri di esposizione). Ed ecco qui i tre scatti originali (essendo notevolmente ridotti spero si apprezzi comunque ad occhio la sotto e sovra esposizione) :
1/125" F6.3
1/125" F8
1/125" F10
In seguito, sempre tramite Bibble Pro 4.9.5, ho corretto l'esposizione delle due foto (la sovraesposta e la sottoesposta) portando quindi le tre immagini allo stesso livello di luminosità :
1/125" F6.3 .. corretto con -2/3 EV
1/125" F8
1/125" F10 .. corretto con +2/3 EV
Il primo é relativo al nodino del laccetto della WhiBal che é poggiata sopra ai libri. Tale nodino crea anche delle leggere ombre che ci sono utili per l'esame :
Particolare della sovraesposta corretta -2/3 EV
Particolare della esposta correttamente
Particolare della sottoesposta corretta +2/3 EV
E' ben visibile nella prima immagine una minore quantità di rumore ed una maggiore pulizia complessiva, frutto proprio della leggera sovraesposizione che ha permesso di sfruttare meglio i pochi livelli dedicati alle basse e medie luci.
La seconda immagine é l'immagine correttamente esposta in cui, seppur in minima parte, si nota un maggior rumore e la terza e la sottoesposta che da sicuramente il risultato peggiore !
Il secondo crop al 100% ? relativo ad un altro punto critico ... il nero di fondo. Il particolare é relativo all'angoletto di color viola alla base del libro "Effective TCP/IP Programming" messo in orizzontale sopra agli altri
Vediamo le immagini :
Particolare della sovraesposta corretta -2/3 EV
Particolare della esposta correttamente
Particolare della sottoesposta corretta +2/3 EV
Anche qui, visualizzando a pieno ingrandimento l'immagine, risulta evidente la minore quantità di rumore sul nero che si ha nell'immagine sovraesposta (e poi corretta) se paragonata con le altre due.
Bene, da quanto detto e da quanto dimostrato praticamente, spero sia chiaro ora a tutti che la vecchia usanza di "sottoesporre" leggermente le foto, in "digitale" é più dannosa che altro.
Lavorando in RAW e applicando una leggera sovraesposizione si otterrano delle immagini finali "sviluppate" di qualità nettamente maggiore con minore rumore e maggior pulizia proprio nelle basse e medie luci.
Fatene tesoro ...
Colgo infine l'occasione per ringraziare ancora Marianna Santoni per il materiale fornitomi, che mi ha permesso di illustrare l'aspetto teorico.
©2008 - 2010 Guglielmo Braguglia per Nikonland - riproduzione riservata
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139 Comments
291=14 non compresso
292=14 compresso
293=12 non compresso
Sovraesposizione esagerata e altrettanto esagerato recupero, i dettagli ricarpiti mi sembrano equivalenti anche nel compresso.
Questo mi porta a credere che mentre un JPEG ? sempre pi? "scarso" di un RAW la differenza fra RAW compresso, non compresso o 12-14bit sia veramente virtualmente ininfluente... scattiamo pure tranquilli
Ciao, Ale.
Ciao, Ale.
http://private.trainzitalia.com/alebao73/1214bit/400HL.jpg
http://private.train...14bit/400LL.jpg
Una volta completato lo sviluppo del sensore, lo fa produrre da Sony, affittando le linee di produzione che Sony mette a disposizione di chi ne faccia richiesta (anche tu ed io se vogliamo fare una partnership in tal senso).
Sony ha eccesso di capacità produttiva nei sensori, nelle memorie, nelle meccaniche di CD, DVD e SACD che affitta a Kenwood.
Compra a sua volta pannelli Samsung che vengono prodotti da Samsung su sue specifiche (cosa che fa anche Eizo). Ma questo non vuol dire che i televisori Sony serie Bravia siano dei Samsung.
Lo sanno i riparatori che giudicano pessimi i Samsung ed eccellenti ed affidabili i Sony.
Ovviamente, se Nikon si progetta un sensore, lo fa secondo le proprie necessità ed integrando il sensore nella propria linea di controllo elettronico e software.
Sarebbero degli asini se progettassero il sensore sottoperformante e poi si mettessero nei guai elaborando il segnale in tempo reale.
Questo per sfatare - se ce ne fosse ancora bisogno ma l'ho visto scrivere anche da altri qui sopra che auspicherebbero addirittura che Nikon sborsasse qualche miliardo di dollari per acquisire le linee di produzione di Fuji per fare in casa cose che fa meglio a far produrre fuori - il mito che Nikon deve adattarsi a tecnologia esterna.
Lo fa per le Coolpix (che in larga parte personalizza ma non produce) e per i sensori di fascia bassa. E solo per ragioni di economia di scala su grandi volumi.
Ma non per le varie D3/D3x/D700/D700x/D300/D300s e sorbole varie ...
Spero sia chiaro il concetto.
Quello della D3 ? palesemente un'altra cosa (ma potrebbe essere fabbricato dalle linee Sony, perch? no...), inoltre non ? mai stato utilizzato nessun 12MPx FX su nessuna Sony. Quello della D3x ha parecchie analogie con quello della a900, resta comunque il fatto che il prezzo della D3x giustifica qualsiasi customizzazione e di sicuro hanno due sensibilit? di base differenti. Anche questo monta convertitori onboard da 12bit ed anche la D3x, se non erro, cala la velocit? di raffica quando si selezionano i 14bit.
Quindi le analogie ci sono, e con esse le ragioni per pensare che la partnership di Sony e Nikon sia genitrice di questi sensori. Con questo quindi non sto dicendo che Nikon si adatti a produzioni esterne, potrebbe essere anche di Nikon il progetto dei sensori in oggetto, che cede solo il progetto base a Sony per le sue macchine...
Trovo per? pi? plausibile una soluzione del genere piuttosto che un progetto di Nikon per un sensore che cala drasticamente la cadenza di scatto quando si selezioni il numero maggiore di bit...
Se dovessi addentrarmi ancor pi? nel campo delle illazioni potrei anche dire che, secondo me, Nikon potrebbe aver progettato i sensori di a900/D3x(uscito a gennaio 2008) e a700/D300( in agosto 2007) in un periodo in cui i 12bit erano lo standard(2006/2007). Poi Canon (met? 2007 circa) presenta le nuove 1DMKIII/1DsMKIII con i 14bit, e quindi semplicemente monta convertitori a 14bit sulle macchine che presenta a fine 2007/met?2008...... troppo costoso riprogettare il tutto per una caratteristica tutto sommato poco decisiva.
Ma giustamente ? un mio pensiero e come tale lo presento, non ho certezze...
Per quanto riguarda invece i test io li faccio spesso, arrivando a stampare e a fare in modo da "togliermi il dubbio". Mi piace conoscere ci? con cui scatto e fin dove posso spingerlo, oltre che dove e come usarlo in una data configurazione, e questi test, che giustamente definisci empirici, potranno anche essere semplicistici ma di sicuro sono pratici e stimolano le menti. Se per? non li ritieni meritevoli di attenzione fai benissimo a non commentarli, ci mancherebbe
Ciao, Alessandro.
Ciao e buona giornata a tutti, Alessandro.
There is no outboard AD converter used in the D300, it is all done on the sensor.
The Sony sensor in question (the IMX021) has an array of delta-change ADCs (one per column) which rely on fixed frequency counters and a comparator.
This type of ADC design can discretize signals to just about any bit depth you want with only a little additional logic, but with the trade off that ADC speed
is proportional to the square of the bit depth. The ADC in the IMX021 can do 10 frames per second at 12 bit or 2.5 frames per second at 14 bits using a
54Mhz clock (that is taken straight off the datasheet, btw).
The factor of 4 difference in the readout speed isn't a coincidence either - it is the additional time that the column ADCs take to accumulate the additional 2 bits.
Guglielmo
D'altronde Nikon, oculatamente, descrive cos? questa caratteristica:
Quindi ci sta...
Resta comunque il fatto che personalmente non riesco a notare molta differenza fra un 14 e un 12bit, di certo non quanta ne mostra quel tizio che tu hai postato prima.... che ne pensi?!?!?
Ciao, Alessandro.
Restano valide le mie altre conclusioni e convinzioni ma aver appreso qualcosa di nuovo mi rende felice!
Ciao, Alessandro.
Pensa che dopo averlo letto mi sono registrato al forum!
Guglielmo
Infatti, la tecnica che illustri ? per me sempre correttamente utilizzabile quando la gamma dinamica della scena da riprendere ? inferiore a quella catturabile dal sensore, come sostenuto da un altro utente in altro post. Mi pare evidente che se in esposizione corretta io ho gi? dati "bruciati" aumentando di 2/3 di stop non ottengo nessun beneficio, in termine di "raccolta dati", cosa a cui ? finalizzata la tecnica illustrata; mentre ? utile in quei casi sottoesporre per recuperare i dati perduti. Simmetricamente in tali casi si perdono i dati nelle ombre. Quindi a mio avviso non mi risulta sbagliato il discorso dell'analisi costi benefici esposta da un utente in un post precedente. Infatti, Se io, in esposizione corretta sul soggetto, mi trovo con una parte copiosa dello sfondo dell'immagine bruciata, sovraesporre non mi da alcun beneficio: sovraesporre di 2/3 di stop e poi correggere in post produzione con -2/3, si ottiene esattamente la stessa immagine bruciata (soggetto correttamente esposto, luci bruciate). In quei casi ? preferibile sottoesporre per avere pelate le alte luci (soggetto lievemente sottoesposto, recuperato correttamente in post produzione schiarendo le ombre e luci correttamente esposte agendo sul recupero della late luci). In sostanza quello che conta in digitale non ? sottoesporre o sovraesporre, ma per effettuare una corretta esposizione, intesa come massimizzazione della raccolta dati-immmagine, si deve arrivare sempre a "pelare le alte luci", senza oltrepassare detto limite. La tecnica utilizzata per giungere a detto limite, sovraesponendo o sottoesponendo non importa. La massimizzazione della raccolta dati avviene comunque correttamente.
Ovviamente aumentando gli ISO, con conseguente aumento della tolleranza verso le alte luci, lavorando in ambienti a bassa luminosit? in genere sar? naturale sovraesporre, mentre a bassi ISO dipende a mio avviso dalla tipologia di scena da riprendere.
Sto ragionando correttamente o no? Se sbaglio dove ? l'errore?
Saluti
... lavorando in RAW, come sai, in realt?, un piccolo "clipping" sulle alte luci nell'istogramma, ? recuperabilissimo senza perdere informazioni e allora, senza ovviamente esagerare (altrimenti, come dici, hai una bella zona "bucata" da cui non recuperi pi? nulla), una "sovraesposizione" controllata pu? fare solo che bene, andando ad aumentare lo spazio disponibile (in termini di bit) per la zona pi? scura dell'immagine
Guglielmo