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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

Ciao a tutti,
vorrei esprimere un parere prima che questa interessantissima discussione parta per la tangente trasformandosi in una guerra di religione.

Il fatto è che a prima vista le affermazioni molto ben argomentate di Vincenzo parrebbero contraddire uno dei capisaldi popolari, ovvero che


- un sensore grande funziona meglio di uno piccolo (a parità di tecnologia e di costruzione)



scatenando le perplessità di molti. Quando si ragiona per formule, anche se tradotte in tettoie et similia, non sempre l' intuitività è salvaguardata.

In realtà secondo me le affermazioni di Vincenzo non vanno affatto contro questo principio; quando si afferma che il rumore del segnale "non dipende dalla superficie ma solo dalla quantità di segnale" ci si potrebbe chiedere: ma allora fra una superficie piccola o grande, che differenza c'è? C'è, in quanto, a parità di "densità" di segnale (ovvero di intensità della pioggia sulla tettoia, o di luce che entra nella fotocamera), in un dato intervallo di tempo una tettoia grande raccoglierà come quantità assoluta più segnale (più acqua) di una tettoia piccola. Quindi il segnale raccolto dalla tettoia grande sarà affetto da un rumore (di segnale) inferiore.

Anche nel caso della amplificazione, stessa storia: a parità di numero di pixel (numero di tegole della tettoia) una tettoia più grande avrà tegole più grandi che potranno raccogliere un quantitativo (assoluto) superiore di pioggia (che cada con una stessa intensità). Quindi potremo permetterci una "amplificazione" inferiore per poter misurare la quantità di acqua raccolta. Avremo quindi un minor disturbo nella lettura.

Anche per il tempo, credo che si possa fare una analoga considerazione; la quantità di pioggia raccolta da una tegola su cui piova con una data intensità è proporzionale alla durata della pioggia stessa. Quindi è vero che alcuni parametri non dipendono dal tempo ma solo dalla quantità di acqua raccolta, ma ricordiamoci che se fissiamo l' intensità della pioggia, la quantità d' acqua raccolta dipenderà a sua volta dalla durata della pioggia stessa.

Quindi, a mio avviso, possiamo comunque stare tranquilli che, a parità di tecnologia e di costruzione, un sensore di una compattina avrà degli svantaggi architetturali rispetto ad un sensore DX, e che quest' ultimo avrà degli svantaggi architetturali rispetto ad un sensore FF. Se poi questi svantaggi siano compensati o addirittura annullati (o tramutati in vantaggi) da una superiore tecnologia di implementazione, è tutta un' altra religione....... ehm, storia.

Se ho mal interpretato i concetti, prego Vincenzo di correggermi.

In ogni caso mi piacerebbe che, quando sorgano perplessità su alcune affermazioni, si pongano gli appropriati quesiti a chi tali affermazioni ha fatto, in modo da appurarne la consistenza, evitando però di limitarsi a contrapporre (spesso con dubbia cortesia) una negazione ad una affermazione.

Un saluto
Guido

Ciao a tutti,
vorrei esprimere un parere prima che questa interessantissima discussione parta per la tangente trasformandosi in una guerra di religione.

Il fatto è che a prima vista le affermazioni molto ben argomentate di Vincenzo parrebbero contraddire uno dei capisaldi popolari, ovvero che
  - un sensore grande funziona meglio di uno piccolo (a parità di tecnologia e di costruzione)
scatenando le perplessità di molti. Quando si ragiona per formule, anche se tradotte in tettoie et similia, non sempre l' intuitività è salvaguardata.

...(cut)...

Ciao gu.ru.

ho letto e riletto quanto ho scritto nell'apertura del 3D e nella mia replica a Cencio: in nessuna parte affermo che la raccolta del segnale non dipende dalla superficie. Ho cercato di far capire bene la differenza tra segnale, rumore di un segnale e rumore "elettronico". E ribadisco quanto detto relativamente al rumore del segnale: è funzione del segnale e non della superficie del sensore. Tu stai facendo la seguente deduzione: se A dipende da B e B dipende da C, allora anche A dipende da C. Sacrosanto sillogismo. Però, ai fini di calcolare il rumore A abbiamo bisogno solo del dato B. Non andiamo a chiedere quanto vale C. Nel calcolare il rumore statistico del segnale, tutti i software esistenti non vanno a controllare la superficie di raccolta. Sono riuscito a spiegarmi? Ciò che entra in ballo nella raccolta del segnale è la dimensione del pixel, non del sensore. Con pixel identici, il sensore più piccolo avrà caratteristiche di rumore di segnale identiche ad uno più grande. A parità di sensore, quello più frammentato sarà più rumoroso di quello meno frammentato.

Visto che non solo tu hai avuto il dubbio della superficie, affrontiamo questo argomento e vediamo se riesco a sviscerarlo in maniera comprensibile e semplice. Torniamo all'esempio dell'acqua e diciamo che vogliamo calcolare quanta pioggia (immaginata uniforme per semplicità) cada in un metro quadrato in un secondo. Che differenza c'è se uso un secchio di raccolta di 1 m x 1 m o 100 secchi di 10cm x 10cm? Immaginiamo questi secchi ideali, cioè accostati in maniera perfetta in modo che acqua non vada persa negli spazi tra un secchio e l'altro. Per inciso, questa ipotesi di perfezione nei nostri ccd è svolta dalle microlenti, che fanno in modo che non vada persa la luce che altrimenti cadrebbe negli spazi tra un pixel e l'altro, oltre che contribuire a farla convergere verso il centro del pixel. Se la matematica non mi tradisce la quantità d'acqua raccolta sarà sempre uguale.
E allora dov'è la differenza?
Andiamo a calcolare il rumore: se la quantità d'acqua raccolta fosse pari a 10.000 otterremmo per il singolo secchio gigante un valore di rumore pari a 100, cioè l'1%. Per ogni singolo secchiello, invece, che conterrebbe solo 100 cc, il valore sarebbe pari a 10, cioè il 10%. La deduzione logica è che, allora, il rumore dipenda dalla superficie. Sì, ma non da quella del sensore, bensì da quella del pixel. Abbiate la pazienza di continuare a leggere.

Quando parliamo di geometria del sensore non ci riferiamo solo al numero dei pixel, alla loro dimensione e al rapporto tra i loro lati, ma anche allo spessore del cristallo, che, almeno finora, è abbastanza legato alla superficie del pixel: a pixel più esteso corrisponde uno spessore maggiore e viceversa. A questa differenza di volume corrisponde una differente capienza in termini di elettroni. E' ciò che nel linguaggio CCD viene chiamata Full Well Capacity (FWC), cioè la Piena Capacità del Pozzo (cioè del pixel). La sua unità di misura è l'elettrone, non il fotone. In pratica la FWC ci dice quanti elettroni possono essere liberati all'interno del pixel prima che raggiunga la saturazione. Un valore approssimato e grossolano, ma non lontano dalla realtà, della FWC si ottiene dividendo x 2 la superficie del pixel e moltiplicando il risultato per 1200. Così un pixel di 7 micrometri di lato avrebbe una FWC pari, a spanne, a 30000 elettroni, uno di 10 a circa 60000 elettroni e così via.
Ciò cosa comporta? Che a parità di contenuto assoluto, anche il contenuto relativo è pari. Se avessimo raccolto in un solo pixel di 10 micrometri di lato 10.000 elettroni avremmo questi dati:
- pixel di 10 micrometri, FWC= 60.000, percentuale di riempimento = 16%
Se il pixel fosse di 7 micrometri di lato, avremmo bisogno di 2 pixel per coprire la stessa superficie, quindi ogni pixel conterrebbe 5000 elettroni. Da ciò:
- pixel di 7 micrometri, FWC = 30.000, riempimento pari al 16%. Identico!
Cosa succede a livello di rumore?
Che il pixel di 10 micrometri presenterà un rumore di segnale pari 100, cioè l' 1%: quelo di 7 micrometri un rumore pari a 70, cioè 1,4%.

Conclusioni: il rumore del segnale, a parità di segnale totale sul sensore, è proporzionale alla frammentazione del sensore. A parità di superficie un sensore meno frammentato presenta meno rumore di un sensore più frammentato. A parità di dimensioni del pixel la dimensione del sensore non conta ai fini del rumore di segnale. Conta per alcuni parti del read-out noise: la precisione del trasferimento di carica e la velocità di lettura.

Qui, però, apriamo un altro discorso.
Prendiamoci tutti un po' di fiato.

Grazie del commento.

Enzo

...
Ciò che entra in ballo nella raccolta del segnale è la dimensione del pixel, non del sensore. Con pixel identici, il sensore più piccolo avrà caratteristiche di rumore di segnale identiche ad uno più grande. A parità di sensore, quello più frammentato sarà più rumoroso di quello meno frammentato.
...

Tutto OK però bisogna anche tener conto di quello che c'é "dentro" il pixel e quindi della tecnologia utilizzata per la costruzione del sensore.
Tu stesso parli di FWC, ma la FWC non dipende da come è "fatto" il pixel?
Se la parte che raccoglie i fotoni è un fotodiodo o un fotogate, se sulla stessa superficie del pixel ci devono anche essere 3, 4 o 5 transistor per l'amplificazione?
Cioè non ci possiamo limitare alle dimensioni geometriche del pixel quando parliamo di rumore:

(la superficie fotosensibile è quella celeste!)

Io questo volevo dire ma forse non mi sono spiegato bene.

Tutto OK però bisogna anche tener conto di quello che c'é "dentro" il pixel e quindi della tecnologia utilizzata per la costruzione del sensore.
Tu stesso parli di FWC, ma la FWC non dipende da come è "fatto" il pixel?
Se la parte che raccoglie i fotoni è un fotodiodo o un fotogate, se sulla stessa superficie del pixel ci devono anche essere 3, 4 o 5 transistor per l'amplificazione?
Cioè non ci possiamo limitare alle dimensioni geometriche del pixel quando parliamo di rumore:

(la superficie fotosensibile è quella celeste!)

Io questo volevo dire ma forse non mi sono spiegato bene.

Credo di aver capito che questo era sottinteso quando si parlava di dimensioni del singolo "fotosito"
Che poi questo occupi tutta o parte della casella al lui dedicata, fa la differenza.
Quello che ancora mi lascia perplesso è come un Cmos che ha dimensioni attive più ridotte del CCD abbia meno rumore. E' solo una leggenda? è la post produzione on camera? il convertitore A/D?

Credo di aver capito che questo era sottinteso quando si parlava di dimensioni del singolo "fotosito"
Che poi questo occupi tutta o parte della casella al lui dedicata, fa la differenza.
Quello che ancora mi lascia perplesso è come un Cmos che ha dimensioni attive più ridotte del CCD abbia meno rumore. E' solo una leggenda? è la post produzione on camera? il convertitore A/D?

Come ho già risposto a Led566 il fill factor penalizza ancora il Cmos.

Provengo da anni ed anni nei quali il Cmos era inguardabile: però bisogna anche ammettere che se lo propongono a livello professionale significa che la tecnologia deve aver fatto passi da gigante.
Io non sono in grado di dire, come ho già scritto, se una foto tradizionale provenga da un ccd o da un cmos.
Sono quasi certo che un giorno staremo a discutere se una camera a 3 sensori avrà più rumore di una a singolo sensore.

Mi spiace se non mi dilungo di più, ma, se non ho qualcosa di valido da dire, preferisco star zitto.

Ciao

Enzo

Sono quasi certo che un giorno staremo a discutere se una camera a 3 sensori avrà più rumore di una a singolo sensore.

E questo che mi rammarica...
Al posto di pensare alla fotografia nel senso della parola, gli utilizzatori vanno sempre più sull'aspetto che nulla può influire sulla bellezza di uno scatto, concentrando l'attenzione sull'ingrandimento al microscopio dei pixel, anzichè soffermarsi ad osservare il risultato di una buona stampa.

Io continuerò a far stampare le mie immagini, ed ammirare i risultati. Gli altri facciano quello che vogliono.

Ad ogni modo, non posso che inchinarmi di fronte a queste spiegazioni, e porgere i miei più sinceri complimenti a Vincenzo Franchini