Frequento da poco il forum Nital: quel tanto che basta per aver notato che uno degli argomenti principali è quello inerente al rumore. Mi occupo di digitale da 25 anni, prima con il video, poi con le still camera, scientifiche, astronomiche e tradizionali. Di queste ultime conservo nei miei cassetti ancora una Canon/Bauer (la primissima!). Di Nikon ho D1, D70, D50 ed è in arrivo una D200. Per motivi miei pratici e non certo per sfizio testo tutte le macchine e in nessuna ho notato livelli di “rumore” come quelli segnalati, spesso impropriamente. Di foto tradizionali ne faccio relativamente poche e, visto che mi reputo un buon giudice di me stesso, ritengo che non siano meritorie di rimando a questo forum.
Mi permetto, però, il tentativo di chiarire il concetto di rumore sperando di far cosa utile a qualcuno. Non userò alcuna formula né diagramma.
Ho notato che molti usano impropriamente il termine “rumore”, non ponendo distinzione tra segnale, rumore del segnale e rumore non dipendente da segnale.
Per capire bene cosa sia, immaginiamo di trovarci sotto una larga tettoia in una giornata di pioggia: se la pioggia è torrenziale, il suono delle gocce che colpiscono il nostro riparo ci sembra giungere uniforme da tutta la sua superficie. In caso di pioggerellina, invece, abbiamo ora l’impressione che piova più a destra, ora più a sinistra, ora più al centro… Questa variazione di direzione ed intensità del suono che colpisce le nostre orecchie è causata dalla non uniformità del numero di gocce piovane che la tettoia raccoglie per unità di superficie in ogni istante. La disuniformità è presente anche nella pioggia battente, solo che è una piccola percentuale della pioggia totale: così il nostro orecchio non riesce a percepirla. Questa disuniformità è ciò che nella fisica dei segnali viene chiamato “rumore” : se rappresentassimo un segnale uniforme ed omogeneo come una linea retta, il rumore insito nella sua raccolta trasformerebbe questa retta in una linea ondulata.
Possiamo asserire, quindi, che questo tipo di rumore è funzione del segnale, perché dipende totalmente da esso. Da notare il fatto che possiamo quantificarlo solo dopo aver raccolto il segnale, quindi non possiamo sapere a priori a quanto ammonterà numericamente. Ho promesso di non presentare formule: dovete quindi credere sulla parola a ciò che segue. Se nel sensore avessimo accumulato un segnale luminoso pari a 100 (pioggerellina), il suo rumore sarebbe pari a 10, cioè il 10%. Se raccogliessimo 1000 (pioggia battente), il rumore sarebbe pari a 31, cioè il 3%.
Qualcuno si chiederà: esiste un rumore elettronico fine a se stesso, cioè che non sia funzione di un segnale? Certamente. Per scoprirlo continuiamo l’esempio della tettoia ed immaginiamo che questa sia ondulata, in modo che la pioggia sia convogliata verso dei secchielli di raccolta. Complichiamoci un poco la vita e facciamo sì che questi secchielli possano essere ruotati ma non staccati dalla tettoia: ora ci poniamo il gramo compito di controllare quanta acqua sia presente in ogni secchiello al termine della pioggia. Siamo costretti ad usare un altro secchiello: lo poniamo sotto quello appeso e solidale alla tettoia, ruotiamo questo, travasiamo l’acqua e ci dirigiamo verso una bilancia o un qualunque misuratore. Questa manovra la eseguiamo per ogni secchiello appeso alla tettoia. Vi sembra intuitivamente possibile che qualche goccia d’acqua non resti nel suo secchiello d’origine? O che non vada persa nel travaso? O che non debordi durante il trasporto? E la bilancia di misura è assolutamente esatta? Impossibile, neanche a pensarci. La quantità d’acqua che misureremo non corrisponderà mai a quella effettivamente raccolta. La differenza tra queste due quantità è un rumore puro, cioè che non dipende da un segnale ma dalla modalità di trattarlo. E’ prevedibile progettualmente? No. E’ misurabile? Sì. Come? Per via sperimentale. Nel caso della tettoia, ad esempio, potremmo versare su di essa una quantità nota di acqua e controllarne, poi, quanta ci risulti alla misurazione finale. Nelle nostre macchine questo rumore si chiama rumore di lettura (readout noise) e, con semplicità, possiamo dire che comprende i processi di trasferimento della carica del pixel, il suo passaggio attraverso l’amplificatore e la sua trasformazione in entità numeriche intellegibili dal computer.
Le case costruttrici misurano in maniera molto sofisticata questo rumore di lettura e le sue possibili variazioni in relazione alle regolazioni dell’utente, regina tra tutte la scelta della sensibilità ISO. A questo proposito cerchiamo di capire bene un concetto: quando scegliamo una pellicola con diverso valore ISO, effettivamente scegliamo un prodotto con la sensibilità desiderata. Quando, invece, impostiamo sulle nostre macchine digitali un valore ISO, stiamo scegliendo solo il livello di amplificazione del segnale proveniente dalla lettura del pixel. Non agiamo sulla sensibilità. Questa dipende dalle scelte del costruttore del sensore ed è immutabile. E aumentando l’amplificazione, cioè il guadagno, aumentiamo esponenzialmente il rumore di lettura.
Per darvi qualche dato esemplificativo, il Read-out noise medio della D70 è di circa 7 elettroni/pixel. Il suo segnale termico è inferiore a 0,1 elettroni/ pixel/secondo! Sono quasi delle nullità se pensate che il pixel della D70 può arrivare a contenere più di 35000 elettroni liberati dal segnale luminoso. Solo 7-10 anni fa costosissimi ccd scientifici (che uso ancora) presentavano un segnale termico a 20° di 20-80 elettroni/pixel/secondo, con rumore di lettura superiore a 40-100 elettroni…
Spero di aver suscitato la curiosità necessaria per leggere il manuale di Maio, dove la trattazione è più completa. Se qualcuno, invece, volesse approfondire tecnicamente l’argomento sono disponibile anche privatamente (il mio riferimento è in chiaro).
Che la luce sia con noi.
Enzo Franchini
Messaggio modificato da maxiclimb il Sep 17 2010, 12:49 PM
Mi permetto, però, il tentativo di chiarire il concetto di rumore sperando di far cosa utile a qualcuno. Non userò alcuna formula né diagramma.
Ho notato che molti usano impropriamente il termine “rumore”, non ponendo distinzione tra segnale, rumore del segnale e rumore non dipendente da segnale.
Per capire bene cosa sia, immaginiamo di trovarci sotto una larga tettoia in una giornata di pioggia: se la pioggia è torrenziale, il suono delle gocce che colpiscono il nostro riparo ci sembra giungere uniforme da tutta la sua superficie. In caso di pioggerellina, invece, abbiamo ora l’impressione che piova più a destra, ora più a sinistra, ora più al centro… Questa variazione di direzione ed intensità del suono che colpisce le nostre orecchie è causata dalla non uniformità del numero di gocce piovane che la tettoia raccoglie per unità di superficie in ogni istante. La disuniformità è presente anche nella pioggia battente, solo che è una piccola percentuale della pioggia totale: così il nostro orecchio non riesce a percepirla. Questa disuniformità è ciò che nella fisica dei segnali viene chiamato “rumore” : se rappresentassimo un segnale uniforme ed omogeneo come una linea retta, il rumore insito nella sua raccolta trasformerebbe questa retta in una linea ondulata.
Possiamo asserire, quindi, che questo tipo di rumore è funzione del segnale, perché dipende totalmente da esso. Da notare il fatto che possiamo quantificarlo solo dopo aver raccolto il segnale, quindi non possiamo sapere a priori a quanto ammonterà numericamente. Ho promesso di non presentare formule: dovete quindi credere sulla parola a ciò che segue. Se nel sensore avessimo accumulato un segnale luminoso pari a 100 (pioggerellina), il suo rumore sarebbe pari a 10, cioè il 10%. Se raccogliessimo 1000 (pioggia battente), il rumore sarebbe pari a 31, cioè il 3%.
Qualcuno si chiederà: esiste un rumore elettronico fine a se stesso, cioè che non sia funzione di un segnale? Certamente. Per scoprirlo continuiamo l’esempio della tettoia ed immaginiamo che questa sia ondulata, in modo che la pioggia sia convogliata verso dei secchielli di raccolta. Complichiamoci un poco la vita e facciamo sì che questi secchielli possano essere ruotati ma non staccati dalla tettoia: ora ci poniamo il gramo compito di controllare quanta acqua sia presente in ogni secchiello al termine della pioggia. Siamo costretti ad usare un altro secchiello: lo poniamo sotto quello appeso e solidale alla tettoia, ruotiamo questo, travasiamo l’acqua e ci dirigiamo verso una bilancia o un qualunque misuratore. Questa manovra la eseguiamo per ogni secchiello appeso alla tettoia. Vi sembra intuitivamente possibile che qualche goccia d’acqua non resti nel suo secchiello d’origine? O che non vada persa nel travaso? O che non debordi durante il trasporto? E la bilancia di misura è assolutamente esatta? Impossibile, neanche a pensarci. La quantità d’acqua che misureremo non corrisponderà mai a quella effettivamente raccolta. La differenza tra queste due quantità è un rumore puro, cioè che non dipende da un segnale ma dalla modalità di trattarlo. E’ prevedibile progettualmente? No. E’ misurabile? Sì. Come? Per via sperimentale. Nel caso della tettoia, ad esempio, potremmo versare su di essa una quantità nota di acqua e controllarne, poi, quanta ci risulti alla misurazione finale. Nelle nostre macchine questo rumore si chiama rumore di lettura (readout noise) e, con semplicità, possiamo dire che comprende i processi di trasferimento della carica del pixel, il suo passaggio attraverso l’amplificatore e la sua trasformazione in entità numeriche intellegibili dal computer.
Le case costruttrici misurano in maniera molto sofisticata questo rumore di lettura e le sue possibili variazioni in relazione alle regolazioni dell’utente, regina tra tutte la scelta della sensibilità ISO. A questo proposito cerchiamo di capire bene un concetto: quando scegliamo una pellicola con diverso valore ISO, effettivamente scegliamo un prodotto con la sensibilità desiderata. Quando, invece, impostiamo sulle nostre macchine digitali un valore ISO, stiamo scegliendo solo il livello di amplificazione del segnale proveniente dalla lettura del pixel. Non agiamo sulla sensibilità. Questa dipende dalle scelte del costruttore del sensore ed è immutabile. E aumentando l’amplificazione, cioè il guadagno, aumentiamo esponenzialmente il rumore di lettura.
Per darvi qualche dato esemplificativo, il Read-out noise medio della D70 è di circa 7 elettroni/pixel. Il suo segnale termico è inferiore a 0,1 elettroni/ pixel/secondo! Sono quasi delle nullità se pensate che il pixel della D70 può arrivare a contenere più di 35000 elettroni liberati dal segnale luminoso. Solo 7-10 anni fa costosissimi ccd scientifici (che uso ancora) presentavano un segnale termico a 20° di 20-80 elettroni/pixel/secondo, con rumore di lettura superiore a 40-100 elettroni…
Spero di aver suscitato la curiosità necessaria per leggere il manuale di Maio, dove la trattazione è più completa. Se qualcuno, invece, volesse approfondire tecnicamente l’argomento sono disponibile anche privatamente (il mio riferimento è in chiaro).
Che la luce sia con noi.
Enzo Franchini
Messaggio modificato da maxiclimb il Sep 17 2010, 12:49 PM
