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La maggior parte delle persone capisce come utilizzare le classificazioni ISO nelle loro fotografie, ma quali sono? Da dove vengono questi numeri e qual è la differenza tra ISO nel cinema e nel digitale? In questo tutorial esploriamo la storia e le basi tecniche del sistema. Se ti sei mai chiesto cosa significa ISO o come funziona, questo è per te!
In fotografia, "ISO" indica il sistema di misura standard per la quantità di sensibilità alla luce di un film o di un sensore fotografico. Possiamo controllare l'ISO per creare un'immagine correttamente esposta: non troppo chiara e non troppo scura.
ISO sta per International Organization for Standardization, un organismo globale che lavora per standardizzare tutti i tipi di prodotti e processi per la massima interoperabilità e sicurezza. Nel 1974, la ISO adottò i più recenti progressi nei sistemi DIN e American ASA (ora ANSI) tedeschi e li trasformò in un unico standard universale per il film: i numeri ISO. Quando i sensori digitali sono usciti, i produttori alla fine hanno adottato gli stessi numeri standard.
I due precedenti sistemi, DIN e ASA, si estendevano fino agli anni '30 e '40, prima che diversi sistemi di classificazione coesistessero da diversi produttori e ingegneri.
Cosa significano i numeri stessi? Esistono quattro standard ISO, uno per la pellicola negativa a colori, la pellicola negativa in bianco e nero, la pellicola di inversione dei colori (diapositiva) e i sensori digitali. Questi sono calibrati in modo che, indipendentemente dal tipo di film o supporto, la sensibilità effettiva sia la stessa. Questo è molto utile per scopi pratici durante le riprese in quanto consente al fotografo di controllare più e più rapidamente l'esposizione.
Tuttavia, le differenze nell'emulsione e nell'interpretazione dei processi di misurazione tra produttori, fabbriche e persino lotti, nonché la variabilità intrinseca di un processo chimico, significa che anche con la standardizzazione, i risultati possono variare. Sul campo, i fotografi hanno scoperto che, per alcuni film, l'impostazione di fotocamere con valori ISO leggermente diversi rispetto alla velocità nominale di un determinato film può dare alcuni risultati desiderabili.
La velocità della pellicola è stata misurata da una "curva caratteristica", che descrive le prestazioni tonali generali di un film. Ecco come funziona:
La curva tonale viene creata utilizzando una "tavoletta sensitometrica", un pezzo di vetro speciale costituito da una matrice calibrata con precisione di 21 tonalità di grigio uguali (dal nero al bianco). Le sfumature di grigio graduate sono esposte sul film. Dopo l'elaborazione, l'esposizione graduata dell'emulsione può essere letta utilizzando un densitometro calibrato, una macchina che legge la densità effettiva del film.
I 21 passi vengono poi misurati accuratamente e una volta che tutti e 21 i passaggi sono stati misurati, vengono tracciati su un grafico in millilux-secondi.
Questo grafico ha varie parti che spiegano vari aspetti di come il film è stato eseguito, come l'appannamento, la gamma, il contrasto, ecc. La parte che ci interessa per la valutazione ISO del film è da 0,1 unità di densità superiori alla densità minima, chiamiamo questo punto X. Questo valore non è particolarmente scientifico, ma è tradizionalmente accettato come la differenza minima di densità che l'occhio umano medio può differenziare.
L'equazione per la velocità del film (sì, ce n'è uno) lo è speed = 800 \ over log ^ - 1 (x). Se l'esposizione viene misurata in lux-secondi anziché millilux-secondi, diventa: velocità = 0.8 \ over log ^ - 1 (x) Nota che registro per la base 10, no ln per tronco naturale (base-e).
La parte importante è che, generalmente, quando la velocità raddoppia o dimezza, anche la sensibilità alla luce.
La pellicola è costituita da una sospensione di cristalli di alogenuro d'argento in un legante di gelatina. Questa emulsione è finemente stratificata molte volte insieme a qualsiasi colorante per colorare o trattare gli agenti su una base di celluloide, protetta sul lato posteriore con rivestimenti di manipolazione fisica. I cristalli di alogenuro d'argento sono l'effettivo mezzo fotoreattivo.
Sono reattivi solo all'estremità blu dello spettro di luce visibile (da qui la necessità di filtri UV durante la ripresa di pellicole), sono rivestiti o impregnati durante la crescita con composti organici che li sensibilizzano all'intero spettro visibile.
I fotoni che colpiscono l'argento trasmettono la loro energia nella molecola. Questo fa sì che un elettrone venga espulso da uno ione alogenuro nel cristallo di alogenuro di argento. Questo può essere intrappolato da uno ione d'argento per formare un atomo d'argento elettricamente neutro.
Questo non è stabile, tuttavia. Più fotorelettori devono essere disponibili nella stessa regione per formare più atomi di argento in modo da formare un ammasso stabile di almeno tre o quattro atomi di argento. Altrimenti, possono facilmente decomporsi di nuovo in ioni d'argento e elettroni liberi. Più atomi di argento possono formarsi finchè si generano i fotoelettroni.
Dopo l'esposizione, ma prima dell'elaborazione, il tuo film ha un latente immagine: nessuna immagine esiste ancora, ma se la dunk è nelle sostanze chimiche giuste possiamo crearne una.
Nell'elaborazione, un ammasso di atomi di argento puro della dimensione stabile I descritta sopra catalizzerà la reazione con lo sviluppatore, che quindi decompone l'intero cristallo in una grana di argento metallico, che appare nera a causa delle sue dimensioni e della superficie non levigata.
Il fissatore quindi fissa l'immagine sciogliendo i rimanenti cristalli di sale di alogenuro d'argento, che vengono poi risciacquati (e, si spera, conservati per il riciclaggio). Questa è stata la base generale della fotografia per oltre un secolo. Che cosa ha a che fare con la sensibilità del film?
La risposta a questo è davvero piuttosto semplice: probabilità. Più grandi sono i cristalli di alogenuro d'argento, più è probabile che i fotoni li colpiranno e saranno assorbiti. Per usare un'analogia di base, se fai ondeggiare una grande rete di farfalle attraverso un grande sciame di farfalle, è probabile che ne catturi più che con la stessa ondata attraverso lo stesso sciame con una piccola rete.
I cristalli più grandi hanno una superficie maggiore rivolta verso l'obiettivo e, logicamente, la sensibilità alla luce è direttamente correlata alla probabilità che la luce colpisca la superficie.
Così film lenti come ISO 25, 50 e 100 hanno grani molto sottili per ridurre la quantità di luce che li colpisce, utile per catturare i minimi dettagli. Viceversa, film molto veloci come ISO 1600 e 3200 hanno grani relativamente grandi per la massima possibilità di catturare fotoni, quindi la loro qualità estremamente granulosa.
Le fotocamere digitali, senza processo chimico, non possono essere misurate usando lo stesso metodo del film. Il sistema di classificazione ISO, tuttavia, è progettato per essere ragionevolmente simile al film in termini di effettiva sensibilità alla luce. Tecnicamente il termine per i sensori digitali è "Exposure Index" piuttosto che "ISO", ma poiché uno standard ISO lo copre, non vedo alcun problema usando il più tradizionale "ISO". In pratica, la maggior parte del mondo è d'accordo.
Invece di un livello minimo di esposizione visibile, i sensori digitali hanno la loro sensibilità determinata dall'esposizione richiesta per produrre un'uscita del segnale caratteristico predeterminato. Lo standard ISO che regola la sensibilità del sensore, ISO 12232: 2006, riguarda cinque possibili metodi per determinare la velocità del sensore, sebbene solo due di essi siano regolarmente utilizzati.
Il sensore di una fotocamera è costituito da una matrice di milioni di fotodiodi microscopici, solitamente coperti da microlenti per raccogliere la luce in più e un filtro a reticolo Bayer per catturare il colore. Ognuno rappresenta un singolo pixel.
Un fotodiodo può essere eseguito in modalità fotovoltaica a zero-bias (senza tensione applicata), in cui la corrente di uscita è limitata e la capacità interna è massimizzata, determinando un accumulo di fotoelettrone sull'uscita.
Può anche essere eseguito in modalità fotoconduttiva con polarizzazione inversa (corsa all'indietro), dove i fotoni assorbiti nella giunzione p-n rilasciano un fotoelettrone che contribuisce direttamente alla corrente che scorre attraverso il diodo.
I sensori della telecamera utilizzano quest'ultimo, poiché la tensione applicata per invertire la polarizzazione del diodo aumenta entrambi la capacità di raccogliere fotoni allargando la regione di svuotamento e riduce la probabilità di ricombinazione dovuta all'aumentata forza del campo elettrico che allontana i portatori di carica.
Improvvisamente perso? Andiamo oltre il funzionamento dei fotodiodi che compongono il sensore nella tua fotocamera.
In un linguaggio semplice, quando la luce colpisce il sensore, eccita il materiale. Questa eccitazione fa fluire una piccola carica elettrica da una parte all'altra del sensore. Quando lo fa, possiamo misurarlo e trasformarlo in un segnale, che possiamo trasformare in un'immagine.
Eccolo di nuovo nelle specifiche tecniche:
Un fotodiodo è essenzialmente un diodo a semiconduttore normale, un dispositivo che consente il flusso di corrente elettrica solo in una direzione, con la giunzione p-n esposta alla luce. Ciò consente ai fotoelettroni di influire sul funzionamento elettronico del dispositivo, ad es. rende il sensore sensibile alla luce.
Una giunzione p-n è un pezzo di semiconduttore drogato positivamente fuso con un pezzo di semiconduttore drogato negativamente. Il doping sta infondendo impurità che donano o accettano elettroni al fine di alterare la disponibilità e la polarità della carica in un pezzo di semiconduttore. Questa manipolazione selettiva della carica è alla base di tutta l'elettronica.
Vicino al punto di giunzione nel semiconduttore, gli elettroni sul lato drogato negativo sono attratti e tendono a diffondersi nel lato post-drogato. Ci sono fori senza elettroni all'interno del reticolo del semiconduttore, risultante in una carica positiva netta. I fori sono trattati come particelle caricate positivamente per scopi generali. Questi hanno anche una tendenza a diffondersi nel lato drogato negativo.
Tuttavia, una volta che i portatori di carica mobile (gli elettroni e i fori) si sono accumulati su ciascun lato, vi è abbastanza carica per generare un campo elettrico che tende a respingere più diffusori di carica dalla diffusione. Viene raggiunto un equilibrio di carica. I portatori diffondenti sono uguali ai portatori respinti in ciascuna direzione.
Questa area equilibrata vicino alla giunzione è quella che viene chiamata regione di deplezione, dove c'è una nuvola di elettroni sul lato drogato positivo della giunzione, e una nuvola di buchi sul lato con drogaggio negativo. I vettori sono stati scaricati dalle loro posizioni originali e hanno creato una differenza di carica, risultando in un campo elettrico, vale a dire. potenziale di tensione integrato. Questa è la base per un diodo. Un fotodiodo è essenzialmente la stessa cosa, ma con una finestra trasparente per consentire ai fotoni di colpire la regione di esaurimento.
La polarizzazione inversa del diodo allarga la regione di svuotamento, superando l'equilibrio di carica naturale della regione di svuotamento e impostandone uno nuovo, in cui il campo elettrico innato deve essere sufficientemente forte da opporsi sia all'attrazione, alla diffusione che al campo elettrico applicato. Questo, ovviamente, richiede una regione di svuotamento più ampia che contenga più carica per generare un campo più forte.
Quando un fotone di energia sufficiente colpisce e viene assorbito dal reticolo del semiconduttore, genera una coppia di elettroni. Un elettrone guadagna abbastanza energia per sfuggire al legame atomico del reticolo e lascia un buco. La ricombinazione può avvenire immediatamente, ma in gran parte ciò che accade è che l'elettrone viene tirato nella direzione della regione drogata negativa e il buco verso la regione post-drogata.
Spesso possono ricombinarsi con altri portatori di carica nel semiconduttore, ma idealmente, con distanza di transito ottimizzata dalla fotosite al collettore di elettrodi (abbastanza breve da evitare la ricombinazione, ma abbastanza a lungo da massimizzare l'assorbimento del fotone) i portatori raggiungeranno l'elettrodo e contribuiranno a la fotocorrente nel circuito di lettura.
Per farla breve, più fotoni vengono assorbiti, più portatori di carica arrivano agli elettrodi e più alta è la lettura corrente inviata al convertitore analogico-digitale della fotocamera. Maggiore è la corrente, maggiore è l'esposizione ricevuta e più luminoso è il pixel.
Come accennato in precedenza, l'ISO viene spesso misurato utilizzando l'esposizione richiesta per saturare i fotositi. Ho appena spiegato cosa sono i photosites; la regione di esaurimento all'interno dei fotodiodi. Quindi come si saturano? Bene, il numero di elettroni disponibili per i fotoni da eccitare non è illimitato. Dopo che una certa quantità di energia luminosa è stata assorbita, il semiconduttore ha rilasciato più carica possibile agli elettrodi e non risponde più a ulteriori esposizioni.
Fotograficamente, questa è la capacità del pozzetto o il punto di ritaglio evidenziato. Di solito i produttori deliberano erroneamente i loro sensori per mantenere il margine di sicurezza nelle alte luci, consentendo il recupero delle alte luci in RAW.
Secondo ISO 12232, l'equazione per definire la velocità basata sulla saturazione è S_ sat = 78 \ over H_ sat dove H_ sat = L_ sat t. L_ sat è l'illuminamento richiesto per un dato tempo di esposizione per raggiungere la saturazione del sensore. Il 78 viene scelto in modo tale che una superficie grigia del 18% appaia esattamente al 12,7% di bianco.
Ciò consente di evidenziare headroom nella valutazione finale per i punti salienti speculari da far rotolare in modo naturale e non come punti a blocchi. Questa valutazione è particolarmente utile per la fotografia in studio in cui l'illuminazione è controllata con precisione e sono richieste le informazioni massime.
L'ISO definisce un altro test di valutazione che è meno utilizzato ma è più utile per scenari reali, che è il test di velocità basato sul rumore.
Questo è un test piuttosto soggettivo, poiché la qualità dell'immagine e i criteri di test sono in qualche modo arbitrari; i rapporti segnale-rumore (S / N) utilizzati sono 40: 1 per IQ "eccellente" e 10: 1 per QI "accettabile", in base alla visualizzazione di una stampa a 180 dpi da 25 cm di distanza. Il rapporto S / N è definito come la deviazione standard di una media ponderata dei valori di luminanza e crominanza di più singoli pixel nel frame.
La deviazione standard è un modo matematico di derivare la variazione dei valori nei dati raccolti dal valore medio o atteso. È la somma di tutte le differenze al quadrato, diviso per il numero di punti dati nel set, con radice quadrata. In sostanza, una media delle deviazioni.
Fotograficamente, ciò significa che i pixel di test sono mediamente fuori per trovare il valore "atteso" del segnale luminoso. Quindi la deviazione standard definisce quanto lontano i singoli pixel di test tendono ad essere da questa media. Supponendo che i pixel abbiano un valore relativamente uniforme, questa deviazione dalla media è il rumore, sia dal sensore che dall'elettronica di elaborazione.
Il rapporto tra il valore medio (segnale) e la deviazione standard (rumore) è il rapporto S / N. Più alto è questo rapporto, meno rumore c'è nel segnale. Ad esempio, per lo standard di qualità dell'immagine "eccellente" di 40: 1, ciò significa che in media, per ogni 40 bit di segnale dell'immagine, c'è solo un rumore. L'enorme differenza tra l'immagine e il rumore è ciò che crea l'immagine pulita.
Il rumore può essere introdotto in diversi modi: saturazione / corrente scura attraverso i fotodiodi, elettroni casuali rilasciati termicamente nei fotodiodi o elettronica di elaborazione (rumore termico), movimento del vettore di carica attraverso la regione di deplezione dei fotodiodi (rumore di getto) e imperfezioni in struttura cristallina o contaminanti che provocano catture casuali e rilasci di elettroni (rumore del flicker).
L'aumento del rumore dovuto all'aumento dell'impostazione ISO sulla fotocamera è il risultato dell'aumento del guadagno dei preamplificatori tra il sensore e il convertitore A / D. Il rapporto S / N è necessariamente ridotto, in quanto per produrre un'esposizione "corretta" con un'elevata amplificazione, ci deve essere un'esposizione minore. Meno esposizione significa meno segnale, quindi rumore relativamente maggiore come frazione di quel livello ridotto.
Un semplice esempio matematico; diciamo a ISO 100, si ottiene un'esposizione corretta riempiendo un particolare pixel fino all'80% della capacità del pozzetto, e il suo rapporto S / N è 40: 1, quindi +/- 2% della lettura corrente è indotta dal rumore. Aumentare la sensibilità da ISO a 800 significa che gli amplificatori aumentano il segnale di 8 volte e quindi l'esposizione corretta viene raggiunta solo con una capacità del 10% di pozzetti. Il livello di rumore +/- 2%, tuttavia, rimane pressoché invariato e viene amplificato insieme al livello del segnale. Ora che il rapporto S / N 40: 1 è diventato un rapporto 5: 1 e l'immagine è inutile.
Puoi capire perché è importante scattare con la massima esposizione e la minima amplificazione possibile. La circuiteria e la tecnologia dei sensori, così come gli algoritmi di denoising, sono in costante miglioramento; basti pensare alla differenza tra uno scatto ISO 800 del 2008 e uno scatto ISO 800 di oggi. La maggior parte delle immagini viene ora visualizzata in formati relativamente piccoli online e il ridimensionamento riduce anche il rumore.
Per motivi di stampa di grande formato, tuttavia, è possibile capire perché è fondamentale scattare con molta luce e alla base ISO. Da qui anche la massima "esponi a destra", che significa ottenere l'immagine il più luminosa possibile sull'istogramma senza tagliare le alte luci. Non solo massimizza la quantità di segnale luminoso rispetto al livello di rumore ragionevolmente fisso dell'elettronica di imaging, ma il modo in cui i dati vengono digitalizzati significa che più informazioni possono essere memorizzate nelle alte luci piuttosto che nell'ombra.
Questo è tutto, penso. Spero che questo articolo sia di interesse, forse persino utile, per alcuni di voi, e che non vi siate persi nei tecnicismi della fisica dello stato solido!
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