Megapixel e Signal-to-Noise ratio

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Quante volte avete sentito¬†nominare la fatidica frase: “Quanti megapixel ha la tua macchina fotografica?“.¬†Troppe volte… gi√†, anche io! Il numero¬†di pixel di un sensore viene considerato uno dei parametri fondamentali per la scelta di una macchina fotografica. E’ solo uno dei tanti e, a dire il vero, talvolta l’elevato numero di pixel si trasforma in uno svantaggio piuttosto che in un reale vantaggio. Vediamo perch√©!

 

Com’√® fatto un sensore fotografico

Prima di iniziare a giocare con i pro e i contro, ricordiamoci con cosa abbiamo a che fare. Qualsiasi macchina fotografica acquisisce la luce attraverso un sensore (CCD, CMOS, ecc.). Ogni sensore √® costituito da fotodiodi. Sono proprio questi ultimi a recepire la luce.¬†Successivamente questi inviano il dato all’elettronica che svolge il resto del compito, ovvero la¬†trasformazione in immagine. Possiamo dire quindi che ogni fotodiodo sul sensore corrisponde ad un pixel nell’immagine prodotta.

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Il fotodiodo costituisce l’unit√† elementare di un qualsiasi sensore fotografico.

Se il sensore ha 20.000.000 pixel (20 Megapixel) allora la nostra macchina fotografica produrrà fotografie di 20 Mpx. Se il sensore ha 10.000.000 pixel allora le fotografie saranno da 10Mpx e così via. Ma attenzione, i sensori possono essere di diverso formato.

Quest’ultimo √® un aspetto chiave, facciamo un esempio. Il comunissimo formato APS-C presente sulla maggior parte delle camere entry-level e mid-level¬†ha delle dimensioni standard: 22,2 x 14,8 mm. Immaginiamo di prendere due sensori APS-C: uno con 20 Mpx e l’altro con 10 Mpx. Facendo due brevi calcoli possiamo trovare la seguente tabella:

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Il sensore da 20 Mpx ha un numero molto maggiore di pixel. Quindi, a¬†parit√† di area, il singolo fotodiodo dev’essere molto piccolo rispetto al sensore da 10 Mpx.

Cosa vediamo? Il sensore con 20 Mpx ha chiaramente un numero pi√Ļ alto di pixel sia in larghezza che in altezza (indicate con¬†b e h). Ne consegue una risoluzione maggiore¬†rispetto al sensore da 10 Mpx. Purtroppo questo si traduce anche in pixel¬†di soli 4 micron rispetto ai 5,73 micron dei pixel del sensore da 10 Mpx. Come vedremo nelle prossime righe questo aspetto non √® da trascurare.

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Il sensore con 20 Mpx ha pixel pi√Ļ piccoli del 30% rispetto a quello con 10 Mpx.

 

La dimensione dei pixel e l’SNR

Facciamo un passo indietro. Il caro¬†Signal to Noise Ratio (SNR) ci consente di sapere quanto √® pulita l’informazione (luce) che registriamo con la macchina fotografica.

La luce passa attraverso l’obiettivo e incide sul fotodiodo. Questo¬†cattura i fotoni, li converte in elettroni e li manda all’elettronica. Purtroppo il passaggio luce-elettroni non √® mai perfetto. Proprio cos√¨. Oltre all’informazione corretta (la luce che vogliamo acquisire) registreremo anche dei rumori di natura casuale e coi quali, da buoni astrofotografi, dobbiamo imparare a convivere (rumore di lettura, rumore termico, efficienza quantica, ecc…).

Dai un’occhiata a questi articoli per saperne di pi√Ļ:¬†
Cos’√® l’efficienza quantica? e Come scattare un Dark Frame per rimuovere il rumore termico

L’informazione che il fotodiodo invier√† all’elettronica sar√† quindi in parte corretta¬†(il segnale, ovvero la¬†luce) e in parte, lasciatemi passare il termine, errata (rumore).

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L’SNR ci dice quanto √® disturbato il nostro segnale. SNR alti sono sinonimi di immagini pulite e dettagli ben contrastati. Al contrario SNR bassi sono caratteristici di immagini con un segnale che si confonde con il rumore di fondo.

Ritorniamo all’SNR. Questo non √® altro che un rapporto tra Segnale e Rumore e ci dice quanto √® pulita e priva di artefatti la nostra acquisizione. Si esprime semplicemente come:

SNR = Segnale / Rumore

snr signal noise ratio rapporto segnale rumore

L’informazione nella fotografia √® somma del Segnale e del Rumore quindi non √® perfettamente conforme alla realt√†.

Adesso completiamo il puzzle. Analizziamo il comportamento di due fotodiodi identici (stessa QE, stessa tecnologia, ecc.) ma di dimensioni diverse. Immaginiamo di scattare una fotografia della stessa durata con i due fotodiodi. Il rumore registrato da entrambi sarà identico.

Ma non lasciamoci scappare un piccolo dettaglio.¬†Il pixel pi√Ļ grande avr√† ovviamente immagazzinato pi√Ļ luce di quello pi√Ļ piccolo. In questo caso sul pixel 1,4x volte pi√Ļ grande ha inciso esattamente il doppio della luce. L’SNR sar√† anch’esso il doppio. Un bel guadagno!

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Pixel pi√Ļ grandi consentono aumentare la quantit√† di segnale registrato e conseguentemente anche l’SNR.

 

Conclusioni

Abbiamo capito che i pixel “grandi” sono da preferire perch√© ci permettono di contenere il rumore. Questa considerazione, chiaramente, bisogna interpretarla con buon senso dato che la risoluzione del sensore potrebbe scendere troppo. Una reflex con soli 4 Mpx, nonostante la generosa dimensione dei pixel, probabilmente non √® da preferire ad una da 16 Mpx. Mediamente si considerano “ottimali” dei fotodiodi di dimensioni compresi tra 5 e 7 micron.

Un punto a favore dei sensori con meno fotodiodi risiede nella dimensione in MegaByte delle foto. Una foto di 10 Mpx pesa praticamente la metà di una da 20 Mpx quindi, anche se ormai tutte le reflex possono fare il downscaling delle foto (salvare le foto a dimensioni ridotte), è bene tenere a mente questo aspetto quando si vogliono realizzare timelapse o startrails per evitare di saturare la memoria.

Valori di Mpx un po’ pi√Ļ spinti – ma non troppo – possono invece tornarci utili in caso di stampe. Ad esempio, volendo utilizzare una buona densit√† di stampa di 300 DPI bastano:

  • Stampa su A4 (210mm √ó 297mm) – 8 Mpx
  • Stampa su A3 (297mm √ó 420mm) – 16 Mpx
  • Stampa su A2 (420mm √ó 594mm) – 32 Mpx

A meno di particolari occasioni come¬†mostre o scopi commerciali¬†spendere una fortuna per avere una fotocamera con 30 Mpx che non sia affiancata da un’elettronica di tutto rispetto¬†√® del tutto inutile e anzi pu√≤ rivelarsi dannoso soprattutto se si fanno fotografie in condizioni di scarsa luminosit√†. Il mio consiglio √® quindi, soprattutto se si √® principianti o se ci si √® appena tuffati nel mondo della fotografia, di acquistare un sensore con 14-18 Mpx e investire i soldi risparmiati in un nuovo obiettivo che – sono sicuro – vi stimoler√† la creativit√† e vi consentir√† di vedere il mondo con occhi diversi!

Alessio Vaccaro

Alessio Vaccaro is an amateur astrophotographer who has published in magazines such as BBC Sky at Night, Coelum, Ciel & Espace and AAPOD. In the free time he loves to learn new things about data science, business and life.

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