Come funziona un sensore (CCD)

La pellicola fotografica è ricoperta da un’emulsione fotosensibile di cristalli di argento. Quando la luce colpisce la pellicola, gli atomi di argento si agglomerano. Più luce è presente, maggiori saranno gli agglomerati. In questo modo una porzione di pellicola registra i diversi quantitativi di luce che incidono sulle varie zone della superficie. La pellicola a colori è composta da tre livelli distinti, uno sensibile al rosso, uno al verde e uno al blu.

Il CCD contenuto nella vostra macchina digitale è un chip di silicio ricoperto da una serie di piccoli elettrodi chiamati photosite (fotoelementi). Sistemati in una griglia, troviamo un photosite per ogni pixel di un’immagine. Di conseguenza è il numero di photosite che determina la risoluzione di un CCD.

Prima di poter scattare una fotografia, la macchina digitale deve poter caricare di elettroni la su- perficie del CCD. Quando la luce colpisce il CCD, gli elettroni si agglomerano sopra la griglia di photosite. Maggiore è la luce che coinvolge un photosite, maggiore sarà il numero di elettroni agglomerati. Dopo aver esposto il CCD alla luce, la macchina deve semplicemente misurare la quantità di carica a ogni photosite per determinare quanti elettroni sono coinvolti, e cosìstabilire quanta luce ha inciso su quel determinato punto. Questa misurazione viene poi mutata in un numero da un convertitore analogico-digitale.

La maggior parte delle macchine digitali consumer si serve di un convertitore analogico-digitale a 8 bit, ovvero la carica elettrica di ogni photosite viene convertita in un numero a 8 bit, cioè un numero fra 0 e 255. Alcune macchine più costose hanno convertitori analogico-digitali a 10 o 12 bit, il che significa che possono fare uso di valori fino a 1024 e 4096 rispettivamente.

In ogni caso, un convertitore da analogico a digitale con una maggiore profondità di bit non offre al vostro CCD una gamma dinamica maggiore. I colori più luminosi e più scuri che può vedere rimangono gli stessi: l’aumentata profondità di bit sta a significare che la macchina produrrà delle gradazioni più precise e sottili all’interno della gamma dinamica.

Il termine dispositivo ad accoppiamento di carica (Charge Coupled Device, CCD) deriva dal modo in cui la macchina digitale interpreta le cariche dei singoli photosite. Dopo aver esposto il CCD, le cariche sulla prima fila di photosite vengono trasferiti a un dispositivo di uscita (read out register) dove vengono amplificati e poi inviati al convertitore analogico-digitale. Ogni fila di cariche viene elettricamente accoppiata alla fila successiva in modo che, dopo che una fila è stata letta e cancellata, le file successive si spostano verso il basso per occupare lo spazio lasciato libero.

Dopo che tutte le file di photosite sono state lette, il CCD viene ricaricato di elettroni ed è pronto a scattare una nuova immagine.

I photosite sono sensibili soltanto alla quantità di luce che ricevono. Non si occupano del colore. Come avrete già immaginato, per percepire il colore la macchina digitale deve poter operare una sorta di filtraggio RGB del tutto simile al metodo di Maxwell. Per farlo vi sono molte strade, ma la più comune è quella che sfrutta un sistema di batterie ad allineamento singolo (single array), chiamato a volte allineamento a righe (striped array).

I photosite sono sensibili soltanto alla quantità di luce che ricevono. Non si occupano del colore. Co- me avrete già immaginato, per percepire il colore la macchina digitale deve poter operare una sorta di filtraggio RGB del tutto simile al metodo di Maxwell. Per farlo vi sono molte strade, ma la più comune è quella che sfrutta un sistema di batterie ad allineamento singolo (single array), chiamato a volte allineamento a righe (striped array).

Il sistema ad allineamento singolo impiegato in una normale macchina digitale sfrutta una forma di interpolazione per creare un’immagine a colori. Il CCD all’interno della macchina è in grado di creare un’immagine a scala di grigi del soggetto da  fotografare misurando la quantità di luce che va a colpire ogni parte del sensore del CCD.

Per fotografare a colori, la vostra macchina effettua un tipo di filtraggio RGB molto simile a quello usato da Maxwell nel 1869. Ogni photosite sul CCD viene colorato da un filtro, rosso verde o blu. Questa combinazione di filtri viene chiamata allineamento (array) di filtri a colori (color filter array) e la maggior parte dei CCD usano uno schema di filtri come quello in Figura.

Schermata 2017-03-12 alle 17.09.30.png

Grazie a questi filtri, il CCD può produrre immagini distinte, e incomplete, di colore rosso, verde e blu. Le immagini sono incomplete perché se prendiamo ad esempio quella rossa, ad essa mancano tutti quei pixel coperti da un filtro blu, e viceversa l’immagine blu manca dei pixel coperti da un filtro rosso. E ad entrambe mancano tutti quei pixel coperti da un filtro verde.

Per realizzare un’immagine a colori completa, viene utilizzato un metodo di interpolazione incredi- bilmente sofisticato. Esattamente come voi ave- te sfruttato le informazioni incomplete della Figura 3.5b per calcolare i pixel mancanti, la vostra macchina digitale può calcolare il colore di ogni pixel analizzando tutti i pixel adiacenti. Per esempio, se si osserva un pixel in particolare e si nota che quello immediatamente a sinistra è di color rosso brillante, quello a destra è invece blu brillante e i pixel immediatamente soprastanti e sottostanti sono verdi, allora il pixel in questione sarà probabilmente bianco. Perché? Come ha dimostrato Maxwell, se si mescola un gruppo di luci rosse, verdi e blu, si ottiene una luce bianca. Tra l’altro, se vi state chiedendo il perché ci siano cosìtanti pixel verdi rispetto a quelli rossi o blu, la risposta è che l’occhio è più sensibile al verde; perciò è sempre bene avere più risoluzione verde possibile.

Inutile aggiungere come questo tipo di interpolazione sia incredibilmente complesso. Un conto è dedurre un singolo pixel bianco, ma calcolare tutte quelle sottili ombreggiature che servono a costituire una fotografia coinvolge una serie di algoritmi davvero arzigogolati. Le differenze fra questi algoritmi sono solo una delle caratteristiche che distingue la qualità delle varie macchine digitali.

Questo processo di interpolazione viene chiamato demosaicizzazione e a seconda della marca della macchina vi sono procedure differenti. Per esempio, mentre molte macchine digitali controllano soltanto i pixel immediatamente adiacenti, le macchine della Hewlett-Packard arrivano ad analizzare una regione di 9 x 9 pixel. Il SuperCCD della Fuji, d’altro canto, evita la classica griglia di photosite quadrati in favo- re di photosite ottagonali sistemati in una struttura a nido d’ape. Un tale schema necessita ancora più demosaicizzazione per produrre pixel d’immagine rettangolari, ma Fuji dichiara che con questo sistema siottiene una maggiore risoluzione.

Altre marche utilizzano lo schema tradizionale rettangolare, ma usano un diverso allineamento dei filtri a colori. Canon per esempio usa filtri color cia- no, giallo, verde e magenta sui photosite dei propri CCD. Siccome ci vogliono meno strati di colore per creare filtri color ciano, giallo, magenta e verde rispetto a quanti ne occorrano per creare filtri rossi, verdi e blu, in un filtro CYGM passa più luce diretta al CCD. Più luce significa un miglior rapporto segnale- disturbo, il che produce immagini con una maggiore luminanza e minor disturbo. Infatti le macchine digitali Canon realizzano immagini con livelli di disturbo davvero bassi.

I CCD stessi sono di solito molto piccoli, dell’ordine di un quarto o di mezzo pollice (rispettivamente 6 e 12 mm). Per fare un paragone, lo spazio occupato da una singola fotografia sulla pellicola da 35 mm è 36 x 23,3 mm. Il fatto che si possano costruire CCD così piccoli è la ragione principale per cui le macchine digitali sono così ridotte in dimensioni.

L’unico inconveniente del CCD è che non funziona sempre tutto correttamente. Per esempio, se un photosite viene colpito da troppa luce, questo può influenzare i photosite adiacenti. Se il software della macchina digitale non è sufficientemente capace di gestire questo fenomeno, si vedrà un effetto blooming, cioè macchie di colore e chiazze luminose, nell’immagine finale. L’effetto blooming capita più spesso con quei CCD più piccoli e con quelli ad alta risoluzione, perché i photosite sono in posizione più ravvicinata fra loro.

La tecnologia vista prima, che viene utilizzata nella maggior parte delle macchine fotografiche costruite oggi, viene chiamata sistema ad allineamento singolo perché si serve di un solo CCD per processare tutti e tre i canali colore. Anche se questo è il sistema più usato, vi sono altri modi per far vedere il colore al CCD. Molte macchine di fascia alta e di medie dimensioni hanno un sistema di allineamento a tre scatti, che acquisisce tre esposizioni distinte, una per colore. Questi tre scatti vengono poi combinati in un’immagine a colori RGB.

Siccome non utilizzano la demosaicizzazione, gli allineamenti a tre scatti non presentano gli artefatti visti per il sistema ad allineamento singolo. Sfortunatamente, scattare tre fotografie in successione può richiedere qualche secondo in più perciò il soggetto deve essere fermo e la luce costante; di conseguenza queste macchine risultano utili per ritrarre oggetti inanimati in uno studio.

Un sistema ad allineamento lineare consiste di un’unica fila di sensori che effettuano tre distinti passaggi filtrati sull’area dell’immagine. Essendoci soltanto una fila di sensori, le case costruttrici possono inserirvi molta risoluzione senza aumentare di molto il prezzo. Naturalmente, come l’allineamento a tre scatti, quello lineare va bene solamente per lavori realizzati in studio. E, sempre come con l’allineamento a tre scatti, non viene usata l’interpolazione.

Gli allineamenti trilineari sono una semplice variante di quello lineare e consistono di tre allinea- menti l’uno sull’altro. Con ogni allineamento filtrato separatamente, la macchina deve fare soltanto un passaggio sull’area dell’immagine. Però, grazie all’unico passaggio, alcune case costruttrici sono riuscite a creare sistemi trilineari sufficientemente veloci per fotografare anche soggetti in movimento.

Infine, alcune macchine digitali utilizzano allinea- menti multipli, una serie di CCD distinti . Quando la luce penetra all’interno della macchina viene passata attraverso un prisma che la divide in tre copie. Ogni copia viene indirizzata a uno specifico CCD che è filtrato per uno specifico colore. Le macchine ad allineamenti multipli possiedono la flessibilità di un sistema ad allineamento singolo, ma senza alcun problema legato all’interpolazione. Sfortunatamente, avendo esse il triplo di CCD rispetto a una macchina ad allineamento singolo, spesso costano anche il triplo.

La luce che attraversa l’obiettivo viene passata da un filtro a infrarossi, alcune macchine si servono di un filtro a infrarossi molto sottile rendendole ideali per la fotografia a infrarossi, come vedremo nel Capitolo 7. Dopo essere stati processati e interpolati dal CCD, i dati dell’immagine (che ora è a colori) vengono passati a un piccolo computer dentro la macchina che svolge tutta una serie di aggiustamenti. Per esempio l’immagine verrà aggiustata secondo le regolazioni del bilanciamento del bianco e di correzione dell’esposizione che vedremo in dettaglio più avanti.

Poi la macchina potrebbe applicare degli aggiustamenti al colore per sistemare il contrasto e la luminosità dell’immagine. Queste regolazioni spesso riflettono delle tendenze estetiche di chi ha pro- gettato la macchina. Per esempio Olympus tende a fabbricare macchine digitali che producono immagini molto saturate e contrastate, mentre le macchi- ne Nikon spesso producono immagini che appaiono un po’ piatte, ma hanno maggior accuratezza nel colore.

Schermata 2017-03-12 alle 16.56.12.png

Infine, molte macchine digitali attuano un cer- to algoritmo di riduzione del disturbo per attenuare qualche interferenza indesiderata nell’immagine, e quasi tutte le macchine realizzano una certa accentuazione dei contorni. Tutto questo processo avviene all’interno della macchina, ed è uno dei motivi per cui essa può impiegare del tempo per registrare un’immagine.

Autore: Ben Long
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Informazioni su vincegargiulo

Nato a Napoli dove ho studiato arte. Insegno grafica e fotografia nella scuola statale. I miei interessi spaziano dalla comunicazione visiva alla filosofia, fotografia, cinema ...
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