Fotocamera digitale

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Una fotocamera digitale è una macchina fotografica che utilizza, al posto della pellicola fotosensibile, un sensore (CCD, CMOS) in grado di catturare l'immagine e trasformarla in un segnale elettrico di tipo analogico. Gli impulsi elettrici vengono convertiti in digitale da un convertitore A/D nel chip di elaborazione e trasformati in un flusso di dati digitali atti ad essere immagazzinati in vari formati su supporti di memoria.

Indice

Le differenze

Una fotocamera digitale è in quasi tutti gli aspetti esattamente identica ad una macchina fotografica convenzionale, se non per il fatto che invece della pellicola fotografica in rullino usa un sensore elettronico che può essere di diversi tipi. Questo converte l'immagine in una sequenza di informazioni digitali che adeguatamente elaborate andranno a formare un file (archivio).

Per questo motivo si rimanda all'articolo sulle macchine fotografiche per ogni informazione concernente lo strumento in sé. In particolare, per le macchine digitali vale come per quelle analogiche, e con lo stesso significato, la distinzione fra fotocamera compatta e reflex. Vi sono comunque formati di fotocamera chiamati “prosumer” (dalla fusione di due termini “professional” e “ consumer”) o anche chiamati “SLR-like” (SLR sta per Single-Lens Reflex – nome tecnico delle macchine fotografiche REFLEX) che hanno caratteristiche funzionali e di qualità immagine estremamente vicine, o a volte superiori alle fotocamere reflex digitali di fascia bassa, pur avendo un obiettivo fisso come le compatte. All'inconveniente dell'ottica non intercambiabile alcuni produttori hanno ovviato introducendo in commercio fotocamere SLR-like con ottiche zoom con ampia escursione focale (da 28 mm equiv. fino a 400 mm equiv.) benché la qualità intrinseca di queste ottiche non possa raggiungere quella delle ottiche di maggior prestigio dedicate agli usi professionali. La presenza di un obiettivo fisso rende dunque sicuramente meno flessibile l’uso della fotocamera in contesti applicativi diversi, ma in positivo c’è da registrare che il fatto che non esponendo l’interno della fotocamera (e quindi il sensore) all’aria durante il cambio di obiettivo, si evita l’accumulo di polvere sul sensore, fatto questo che porta ad avere un degrado della qualità delle immagini riprese.

Le caratteristiche

Forma commerciale delle fotocamere

Ad oggi vengono prodotte fotocamere di ogni forma e dimensione: alcune assomigliano a videocamere, altre sono piccolissime e molto sottili tanto da entrare in un taschino senza essere viste. Vi sono prodotti con "case" in metallo o in plastica, colorate o trasparenti ed il gusto di ogni cliente può trovare soddisfazione in una accurata ricerca. È molto utile prendere in considerazione anche le caratteristiche ottiche ed elettroniche dei prodotti che variano di molto in base alla marca e ai modelli presenti sul mercato.

Risoluzione

Secondo le regole attuali di mercato un parametro distintivo delle fotocamere digitali è quello della risoluzione. Per ottenere una buona fotografia non occorre in realtà una risoluzione altissima, ma risulta essere molto più importante un'ottica di qualità, un sensore che abbia un buon rapporto segnale rumore, una buona gamma dinamica ed infine in funzione delle esigenze di stampa si sceglierà il numero di pixel del sensore.

Il sensore

Il sensore, analogo a quello utilizzato nelle videocamere portatili, può essere CCD, ma anche C-MOS. Sempre comunque si tratta di dispositivi formati da elementi fotosensibili a semiconduttori in grado di trasformare un segnale luminoso in un segnale elettrico. Solo successivamente un secondo dispositivo, funzionalmente separato, (il convertitore Analogico/Digitale) converte il segnale analogico in dati digitali. Nella fotocamera digitale, l'immagine viene messa a fuoco sul piano del sensore. I segnali così catturati vengono amplificati e convertiti in digitale. A questo punto i dati digitali sono in forma grezza (RAW) e - così come sono - possono essere memorizzati su un file per una successiva elaborazione in studio, con altri apparecchi informatici. Successivamente il processore di immagine interno alla fotocamera trasforma questi dati, cioè calcola le componenti primarie mancanti su ogni pixel (RGB) e rende compatibili i dati di immagine con i normali sistemi di visualizzazione di immagini (generalmente nel formato JPG o TIFF a seconda delle esigenze per le quali è destinata la fotocamera) ed infine immagazzina il file elaborato in una memoria a stato solido (ordinariamente dal punto di vista tecnologico si tratta di EEProm di tipo Flash, mentre i formati con cui sono messe in commercio sono diversi (CF, XD, SD, MMC, Memory stick, ecc). Le schede contengono generalmente un rilevante numero di immagini, la quantità dipende dalle dimensioni della singola immagine, dalla modalità di registrazione e dalle dimensioni della memoria.

La risoluzione totale del sensore si misura in milioni di pixel totali. Un pixel è l'unità di cattura dell'immagine: rappresenta cioè la più piccola porzione dell'immagine che la fotocamera è in grado di catturare su una matrice ideale costruita sul sensore CCD.

Le proporzioni delle immagini che si ottengono con gli attuali sensori (o attraverso elaborazioni del processore d'immagine interno alla fotocamera), sono indicate nella figura seguente:



Moltiplicando il valore in pixel della risoluzione orizzontale per quello della risoluzione verticale si ottiene il numero totale di pixel che la fotocamera è in grado di distinguere in una immagine. Le caratteristiche che attribuiscono qualità ai sensori sono:

  • Elevato rapporto segnale rumore. Questo fenomeno si evidenzia in modo particolare nelle riprese a bassa luminosità dove possono comparire degli artefatti di immagine dovuti a segnali derivanti dal rumore elettrico di fondo degli elementi fotosensibili;
  • Elevata gamma dinamica. Questo parametro indica l'ampiezza dell’intervallo di luminosità dal minimo registrabile al massimo registrabile prima che l’elemento fotosensibile vada in saturazione.
  • Elevato numero di pixel. L’elevata quantità di elementi fotosensibili garantisce un elevato dettaglio di immagine, ma sorgono problemi di velocità nel trasferimento dei dati al processore d’immagine. Maggiore è la risoluzione, maggiore è il numero di pixel, maggiore sarà quindi la quantità di dati da trasferire e dunque, a parità di velocità di trasmissione, maggiore sarà il tempo necessario a trasferire i dati al processore d’immagine e la successiva registrazione dell’immagine. Alcuni produttori hanno studiato sensori con 4 bus dati di uscita dal sensore che trasmettono in parallelo i dati di immagine al processore della fotocamera.
  • Capacità di non trattenere ombre sul sensore relative a riprese precedenti. Questo problema si incontra prevalentemente nei sensori di tipo CMOS e richiede che i costruttori adottino strategie per ottenere una sorta di cancellazione elettronica del sensore fra la ripresa di un'immagine e l'altra;
  • Capacità del sensore di non produrre artefatti derivanti da interferenze (effetto Moiré) fra i pixel in particolari condizioni di ripresa;
  • Dimensione fisica del sensore a parità di pixel (e quindi a parità di risoluzione). Se la dimensione fisica del sensore è elevata a parità di numero di pixel questo comporta ovviamente una maggiore dimensione fisica dei pixel o dei photosite (per un chiarimento sui termini photosite, pixel e elemento fotosensibile vedi il paragrafo "Numero di Pixel e qualità delle immagini" della voce correlata Fotografia digitale). Tale fatto rende maggiormente sensibili gli elementi dei photosite (pixel) garantendo un miglior rapporto segnale/rumore. Ad esempio vi sono sensori da 6 MP (f.to 4:3) con dimensione 1/2,7” che hanno una dimensione di 5,371 mm x 4,035 mm (diagonale = 6,721 mm), mentre altri sensori da 6 MP hanno dimensioni 1/1,8” e dimensione di 7,176 mm x 5,319 mm (diagonale = 8,933 mm). In termini di rumore e di sensibilità la qualità del sensore è normalmente maggiore nel sensore più grande.

I sensori di alcune fotocamere REFLEX professionali hanno il sensore di formato 3:2 ed un rapporto 1:1 con il fotogramma della pellicola, una dimensione quindi di 24x36 mm. Con queste dimensioni – oltre ad avere un basso rumore, risulta possibile garantire che la lunghezza focale delle ottiche non sia alterata (rapporto 1:1 fra lunghezza focale reale della fotocamera con sensore e quella equivalente al formato pellicola).

La qualità dell'immagine tuttavia è importante relativamente alla modalità di fruizione: se le immagini si utilizzano a video non ha molta rilevanza la risoluzione, ma se si intendono realizzare stampe di grande formato allora la risoluzione diventa un parametro da tenere presente. Tanto più si vorrà effettuare una stampa grande di una foto digitale, tanto più la fotocamera dovrà produrre immagini ad una risoluzione elevata. Ecco alcuni esempi:

  • Una foto in formato standard da 14 cm di larghezza necessita di 1.2-2 megapixel di risoluzione per risultare pari ad un prodotto di una macchina fotografica tradizionale;
  • Per stampare su di un foglio A4 sono necessari dai 2 ai 3 megapixel;
  • Per realizzare un poster da 60-70 cm sono consigliabili risoluzioni non interpolate di più di 5 megapixel;

Interpolazione

Altro parametro a cui andrebbe rivolta una certa importanza da chi della fotografia vuol fare qualcosa più di un hobby è la questione dell'Interpolazione. Tale tecnica matematica viene infatti utilizzata in due modalità diverse a volte contemporaneamente sulla stessa fotocamera:

  • nelle fotocamere a bassa risoluzione si utilizza per generare dei pixels ulteriori a quelli catturati dal sensore generandone il valore di cromia per portare ad esempio una risoluzione di una fotocamera da 3 Mpixel a 4 Mpixel. Il procedimento in realtà non aggiunge informazioni vere all’immagine, ma rende meno evidente la quadrettatura dovuta al pixel se si volesse ingrandire l’immagine oltre il consentito. È un procedimento usato anche negli scanner attraverso una elaborazione software.
  • In tutte le fotocamere che adottano un sensore con Color Filter Array si usa l’interpolazione per generare in ogni pixel le due componenti cromatiche mancanti, in questo caso si tratta propriamente di interpolazione cromatica.

In merito a quest'ultima modalità infatti va detto che il sensore - composto da milioni di elementi fotosensibili - solo nel suo complesso cattura informazioni riguardanti le tre componenti RGB (Red-Green-Blue)(Rosso-Verde Blu) che compongono la luce della scena focalizzata sulla sua superficie. Nella quasi totalità dei sensori (anche se con modalità diverse) non tutti i pixel catturano la stessa componente cromatica della luce. Sulla superficie del sensore infatti è collocato un filtro a mosaico denominato Color Filter Array (CFA), il più diffuso è di tipo Bayer che a sua volta può presentare diverse varianti sul numero dei colori che vengono filtrati (3 o 4) e sulla disposizione dei colori sul mosaico. Il più comune è quello denominato GRGB che ha il 50% dei pixel che catturano il Verde (G), il 25% che catturano il Rosso (R) ed il rimanente 25 % che catturano il Blu (B). Per ottenere una adeguata fedeltà cromatica dell’intera immagine, ogni pixel registrato in un file (fa eccezione il file di tipo RAW) deve contenere le informazioni su tutte e tre le componenti RGB della luce incidente su ogni pixel. Questo perché la riproduzione delle immagini luminose avviene per mescolanza additiva delle tre componenti primarie della luce. Poiché ogni pixel ne cattura solo una di queste (R, G o B), le altre due vengono calcolate dal processore d’immagine attraverso un procedimento matematico (algoritmo di demosaicizzazione – demosaicing).

Diversamente da quello che avviene per. es. in alcuni scanner ed in alcune fotocamere dove:

  • l’interpolazione serve ad aumentare in modo artificiale il numero di pixel senza che vi sia riferimento a nessun oggetto reale;
  • e nei quali la risoluzione vera è quella ottica, non quella ottenibile via software,

nelle fotocamere digitali il processo interpolazione cromatica comune a tutte quelle dotate di CFA consiste nel calcolare il valore delle due componenti cromatiche mancanti su ogni pixel a partire normalmente dai valori contigui al pixel in questione aventi la stessa componente cromatica che si intende calcolare. L’approssimazione – peraltro abbastanza precisa - è quindi sul dettaglio cromatico dell’immagine e si consideri che comunque una delle tre componenti è realmente rilevata da ogni pixel. Al momento (marzo 2007) in commercio risulta esservi un solo sensore, il FOVEON, che cattura le tre componenti RGB su un unico pixel (che più propriamente si deve chiamare photosite). Questo viene montato su alcuni modelli di fotocamere, ma la sua diffusione è più ridotta rispetto ai sensori dotati di C.F.A. Una precisa distinzione fra pixel, photosite e elemento unitario fotosensibile=photodetector) si trova nel paragrafo Numero di Pixel e qualità delle immagini della voce correlata fotografia digitale. Invece un approfondimento sulle diverse modalità di formazione delle immagini nelle fotocamere digitali, sulla formazione dei file delle immagini per interpolazione in base alle esigenze di profondità colore e sulla elaborazione dei files RAW, si trova alla voce Raw (fotografia)

Le memorie

Una volta convertito il segnale in arrivo dal sensore (CCD o C-MOS) ed elaborato dal processore d’immagine, la fotocamera registra un file contenente l'immagine scattata su una memoria gestibile dall'utente. Alcune fotocamere economiche dispongono di una memoria interna di salvataggio immagini, alla quale normalmente è sempre possibile aggiungerne una esterna.

Dal punto di vista tecnologico - quel punto di vista che specificamente si occupa di conoscere la modalità di immagazzinamento dei dati elementari su un supporto di memoria - va detto che il tipo di memorie prevalentemente usato è di tipo EEPROM flash (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory - flash). La tecnologia "flash" consente di accedere alle celle di memoria per blocchi, o aree, rendendo più rapido il processo di lettura-scrittura-cancellazione). Per questo occorre distinguere fra la tecnologia costruttiva degli elementi di memorizzazione (per tutte le schede di memoria si tratta, come visto, di EEPROM-flash) e i formati con cui vengono prodotte le schede di memoria. I formati di scheda di memoria realizzati con celle a semiconduttore utilizzati dalle case costruttrici di fotocamere digitali, sono principalmente:


Vi sono poi schede di memoria come la seguente:

  • Microdrive

le quali non sono riconducibili a celle a semiconduttore, bensì a supporti magnetici dello stesso tipo degli hard disk dei PC, ma che per contro adottano lo stesso formato delle memorie a semiconduttore. Nel caso delle Microdrive il formato è quello delle C.F. CompactFlash

Invece altri formati, inoltre, come il:

  • miniCD-ROM

fanno riferimento ad un supporto ottico di memorizzazione (mini-CD). Tecnica di memorizzazione oggi sostanzialmente abbandonata, ma che prevedeva nelle fotocamere l'incorporazione di un masterizzatore per mini-CD.

Un elenco completo può essere trovato alla voce Scheda di memoria.

I formati di salvataggio delle immagini

I formati utilizzati nelle fotocamere digitali per il salvataggio delle immagini sono:

  • JPG: il più usato nelle fotocamere economiche. Permette di salvare grandi immagini in file di piccole dimensioni, pur perdendo dettagli all'occhio impercettibili ma che rischiano di diventare evidenti in caso sia necessario effettuare successive manipolazioni di (fotoritocco) all'immagine salvata. Si tratta di un formato compresso di tipo LOSSY, ovvero con perdita di dati.
  • TIFF: formato in grado di salvare immagini senza perdita di informazioni. Il salvataggio può essere non compresso o compresso di tipo LOSSLESS. Si può osservare come questo formato, se si sfrutta la compressione, produca immagini identiche alle BMP ma della dimensione di una BMP compressa con ZIP.
  • BMP: formato di salvataggio poco utilizzato, per via del fatto che il file è di dimensioni piuttosto elevate. Le immagini possono essere salvate a 16, 24 e 32 bit senza nessun tipo di compressione.
  • RAW: formato utilizzato dai professionisti e dai fotoamatori evoluti. Una fotocamera settata per salvare il formato RAW di una istantanea salverà nella memoria utente esattamente l'output digitalizzato ottenuto dal sensore della fotocamera stessa, senza alcun tipo di modifica se non la conversione Analogico/Digitale (conversione A/D). I dati dovranno essere quindi ricomposti su un computer secondo specifici protocolli della casa madre definiti per lo specifico sensore utilizzato. Solo successivamente le immagini così ricomposte ed eventualmente regolate in luminosità ed altro, saranno convertibili ed utilizzabili in qualsiasi formato conosciuto.

Vantaggi dei files RAW

Quale è dunque il grande vantaggio del RAW? Il motivo principale va ricercato nella modalità di registrazione del file e nelle possibilità di elaborazione che esso offre successivamente allo scatto. Un file RAW durante la conversione da analogico a digitale è normalmente campionato almeno a 12 bit per canale (R,G o B). Ognuno dei canali cromatici a questo livello della elaborazione è ancora incompleto avendo solo i segnali raccolti dai photodetectors e non anche quelli generati per interpolazione. Alcune fotocamere di alto livello producono file RAW con campionamento a 16 bpp (bpp=bit-per-pixel o, meglio, bit-per-photodetector) e, come si è visto, questa è una sola delle tre componenti del pixel. I software di elaborazione dei file RAW hanno la possibilità quindi di produrre files grafici RGB a 48 bpp (qui è perfettamente corretto ritenere b.p.p. come bit-per-pixel, perché, quando il file grafico è elaborato, ogni pixel contiene tutte e tre le componenti RGB necessarie per definire ogni elemento del pixel). Per questa elevatissima profondità colore il file si presta ad elaborazioni anche abbastanza spinte senza che la qualità e dettaglio di immagine degradino troppo. Si consideri che normalmente la generazione del file TIFF o del file JPG avviene a profondità colore di 24 bpp (che equivale ad 8 bpp per ognuno dei canali RGB) quindi per la stampa è normalmente richiesto un dettaglio cromatico (=profondità colore) molto minore. Tale caratteristica tecnica dei files RAW permette una lavorazione in studio delle immagini senza alterarne la qualità. Ma non solo. L'utilizzo dei files RAW consente addirittura di apportare in un secondo momento con elaborazioni in studio dei miglioramenti significativi alla qualità dell'immagine scattata, potendo per esempio aggiustare il bilanciamneto del bianco, ridurre eventuali aberrazioni cromatiche degli obiettivi, ottimizzare l'esposizione con un campo di variazione abbastanza elevato, applicare filtri antirumore, ecc., ecc.)

È invece secondaria e fuorviante la ragione che vede nel file RAW la possibilità di compiere scatti in rapida successione (chiamata anche "funzione di scatto a raffica" delle fotocamere), anche perché tale funzione delle fotocamere viene svolta molto più rapidamente con altri formati come il JPG. Usando questa funzione infatti la fotocamera ha necessità di tenere in memoria i dati delle immagini scattate nella raffica. Quindi, per questo, occorre integrare nella fotocamera una sorta di memoria di servizio (buffer) dove parcheggiare le immagini prima della loro scrittura nella scheda di memoria. Poiché le immagini JPG, anche se composte in alta qualità, hanno una dimensione di circa 1/4 della stessa immagine in RAW, lo svolgimento di tale funzione non comporta l'impiego di una grande quantità di memoria interna. Quindi tale funzione in JPG è molto frequente trovarla nelle fotocamere anche di fascia medio-bassa. A questo proposito si consideri che il tempo di registrazione dell'immagine nella scheda di memoria è normalmente molto superiore a quello che impiega il processore d'immagine ad elaborare i dati grezzi in arrivo del sensore per formare l'immagine JPG. Dunque, complessivamente, il tempo impiegato dalla fotocamera per svolgere la funzione di scatto a raffica è comunque minore in JPG rispetto al formato RAW.

Nonostante queste caratteristiche della funzione che permette scatti in rapida successione, vi sono fotocamere professionali, semi-pro, e compatte-prosumer di fascia alta, che presentano questa possibilità di registrare immagini in RAW con scatto a raffica. Tale diffusione è stata agevolata dal progressivo calo di costo delle celle di memoria che ha reso economicamente vantaggioso aumentare questa memoria buffer interna alle fotocamere. Questo fatto ha reso disponibile la funzione di scatto in rapida successione anche in fotocamere digitali non professionali che comunque possiedono prestazioni tali da far valutare positivamente tale funzione. Va detto tuttavia che nonostante l'uso dello scatto a raffica non sia così frequente come lo scatto singolo, tale funzione è apprezzata dai professionisti e dai fotoamatori evoluti.

Inoltre tale funzione di scatto a raffica in RAW è conseguenza anche del miglioramento dell'elettronica delle fotocamere che ha reso più veloce le procedure di elaborazione e di trasferimento delle immagini. Nell'utilizzo dei files RAW occorre tenere presente che:

  • la memorizzazione di un file RAW ha una dimensione elevata dunque richiede più tempo per la sua registrazione nella scheda di memoria. Molto più rapida è la memorizzazione di un file JPG, registrato anche in alta qualià (dimensioni elevate del file). Questo comporta l'effetto finale secondo cui il tempo per registrare un file JPG è molto più basso rispetto a quello necessario per registrare un file RAW. E questo è valido anche se si considera che il processore d'immagine interno alla fotocamera spende un po' più di tempo per la formazione del file JPG a partire dai dati grezzi d'immagine.
  • nel caso invece dello scatto a raffica (da tre in poi) i dati RAW delle immagini scattate in rapida successione vengono trattenuti in una memoria interna "di servizio" della fotocamera (buffer). Per svolgere questa funzione occorre però dotare la fotocamera di una sufficiente quantità di memoria interna che dovrà essere tanto maggiore quanto maggiore è la dimensione del file RAW e quanto maggiore è il numero degli scatti della raffica.

Una descrizione dettagliata dei files RAW si trova nella voce correlata Raw (fotografia).


NOTA
  • AVI, MOV, REAL MEDIA: questi formati vengono utilizzati dalla maggior parte delle fotocamere in circolazione per realizzare piccole sequenze video, solitamente di durata mai superiore ai 5 minuti. Tale caratteristica è di facile realizzazione data la natura dell'architettura delle fotocamere digitali, ma non si deve pensare che tali filmati possano essere equiparabili a quelli prodotti da videocamere digitali o analogiche! Le modalità di otturazione, il buffer utilizzato dal CCD e la natura del software della fotocamera non consentono di realizzare nulla più che un filmato adatto ad una pubblicazione web. Sarebbe impensabile registrare un matrimonio con una fotocamera digitale. Tale limitazione ha però vita breve: in alcuni moderni dispositivi è stato predisposto un sistema di codifica tale per cui i filmati vengono direttamente compressi con algoritmi tanto efficienti (anche DivX) da rendere il sistema adatto a registrare filmati di grande durata.

Voci correlate

Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Fotocamera_digitale"

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