Sensibilità allo spettro dei sensori Nikon FX e DX: sulla via del colore

A cura di: Matteo Miccoli, Donato Quarta, Marcello Melis

Dalla acquisizione di immagini in laboratorio alla misura di qualità del colore restituito dalla gamma Reflex DSLR Nikon secondo gli standard ICC. Un viaggio dalle sensibilità spettrali dei sensori Nikon FX e DX alla colorimetria standard.

 

Luce e luce bianca, il colore delle cose, bastoncelli e coni dell’occhio umano Sensibilità dell'occhio e colorimetria standard: le Color Matching Functions
Sensibilità dei sensori CMOS, Color Filter Array di Bayer e demosaicizzazione La carta di identità di una fotocamera: le curve di sensibilità spettrale
Curve di sensibilità standar (CMF) e diagramma di cromaticità nello spazio x,y Metamerismo ed immagini sintetiche
Curve di sensibilità delle fotocamere e diagrammi di cromaticità nello spazio r,g Da RGB ad XYZ: profili di colore. Misura della qualità del colore
Confronto risultati e misurazioni Profilocolore con quelle DxO Mark Conclusioni: riproduzione fedele di opere d’arte, bibliografia, link correlati

 


Sulla cattura e riproduzione del colore è possibile trovare letteratura di ogni genere, da libri di testo estremamente autorevoli come “Misurare il colore” del Prof. Claudio Oleari ad articoli dove il colore viene trattato come una sensazione emotiva, in modo qualitativo. Il colore può essere catturato come elemento isolato attraverso uno strumento di misura, oppure come immagine a colori attraverso una fotocamera. Anche la letteratura sui sensori è vasta ed offre approfondimenti a qualunque livello. Per i più intrepidi citiamo un secondo testo sacro dedicato a questo tema: “Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras” di Junichi Nakamura. Le nostre copie di questi libri hanno ormai le pagine consumate, perché non si finisce mai di imparare e capire fino in fondo la strada che percorrono i colori in natura prima di arrivare a noi attraverso mezzi di ripresa (fotocamere, videocamere, scanner) e mezzi di riproduzione (monitor, stampa, videoproiettore etc.). Il percorso è complesso, con molti passaggi, e se non compreso in modo rigoroso può presentare insidie in grado di alterare il risultato finale, anche in modo significativo, rispetto a quanto percepito all'origine. In questa pubblicazione eXperience seguiremo passo passo le trasformazioni che subisce il colore, o meglio la sua rappresentazione, nel suo percorso dalla scena reale alla scena rappresentata, soprattutto nella fase più delicata, quella della ripresa. Faremo questo viaggio confrontando quanto avviene quantitativamente e qualitativamente sui principali modelli di fotocamere DSLR Reflex Nikon ma anche su compatte prendendo in esame la COOLPIX P7800. Scopriremo quindi le ragioni fisiche della tecnologia colore hardware adottata da Nikon grazie alla quale i suoi modelli vengono oggi classificati nelle prime posizioni dell’intera offerta di mercato, cominciando il percorso dalla natura di quello che nel mondo della fotografia sta all'origine di tutto: la luce.

Luce e luce bianca

Quante volte ci siamo soffermati a chiederci cosa fosse la luce?
È un elemento talmente pervasivo e presente nella nostra vita, come l'aria, che lo percepiamo continuamente senza averne coscienza. In realtà la luce è una radiazione elettromagnetica, come lo sono le onde radio, le microonde ed i raggi X, ma composta da quel ristretto intervallo di lunghezze d'onda che noi chiamiamo, non a caso, spettro visibile. I nostri occhi sono in grado di captare, cioè percepire, una radiazione elettromagnetica (luce) le cui lunghezze d'onda siano comprese tra circa 400nm (zona del blu) e circa 700nm (zona del rosso). Un nm (nanometro) è pari ad un miliardesimo di metro.
 

         
Spettro elettromagnetico
 
Spettro radiazioni solari
 
Spettro luce bianca D50, D55, D65
 
 
 
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Spettro elettromagnetico e porzione di spettro della luce visibile compresa tra circa 400nm (zona del blu) e circa 700nm (zona del rosso).
 
Spettro emesso dal Sole (giallo), spettro a terra (rosso, dopo assorbimenti atmosferici) e spettro da corpo nero a 5.500 Kelvin (linea nera).
 
Spettro luce bianca: illuminanti solari D50, D55, D65.


La luce più comune che conosciamo è quella del Sole, ed è anche quella che noi chiamiamo luce naturale, luce bianca. La luce del Sole è costituita da una miscela (o una distribuzione, per usare termine più appropriato) di lunghezze d'onda in un intervallo molto ampio, che va da circa 250nm a circa 2.500nm, cioè un intervallo ben più ampio della luce visibile. In accordo alla teoria del corpo nero di Plank, la distribuzione di energia non è uniforme e presenta la zona di massima emissione che coincide con lo spettro della luce visibile. Questo non è un caso ne un colpo di fortuna, ma il frutto della evoluzione e dell'adattamento all'ambiente delle specie viventi. Dunque la luce bianca è proprio questo. Una ben precisa distribuzione di lunghezze d'onda a forma di gobba che presenta un massimo in corrispondenza del verde e valori leggermene inferiori per blu e rosso.
 

  Scala colori x-rite Color Checker  
Rappresentazione della x-rite Color Checker dove sono stati sovrapposti i numeri per identificare le tacche usate nei grafici e nelle descrizioni di testo.

IL COLORE DELLE COSE
E quindi cosa è il colore?
Ogni volta che i nostri occhi percepiscono una radiazione nel visibile con una distribuzione diversa da quella della luce bianca, diciamo di vedere qualcosa di colorato. Qualche esempio ci aiuterà a chiarire il concetto. Se esponiamo alla luce del sole un cartoncino e questo ci appare bianco, vuol dire che i nostri occhi sono raggiunti da uno spettro che nel visibile è uguale a quello della luce che colpisce il cartoncino, e quindi questo sta riflettendo in uguale misura tutte le componenti spettrali. Si dice allora che il cartoncino ha una riflettanza costante nello spettro del visibile e diciamo che il cartoncino non è colorato.
 

     
Spettro incidente, riflesso e riflettanza su neutro
 
Spettro incidente e riflesso dalle varie superfici
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Spettro illuminante D65 riflesso da tacca neutra 08.
 
Spettro D65 riflesso da tacche 03, 07, 11.


Se esponiamo alla luce del sole uno o più cartoncini (o le tacche di una scacchiera di colori), e sotto la stessa luce ciascuno ci appare di un colore diverso, vuol dire che ciascuno riflette lo spettro della luce bianca in modo diverso alterandone la distribuzione. Vale la pena puntualizzare la differenza tra luce bianca e superficie bianca. Una luce ci appare bianca quando la sua distribuzione spettrale somiglia a quella del Sole. Una superficie ci appare bianca (o neutra) quando non altera lo spettro della luce che riflette, ovvero quando la sua riflettanza è costante per ogni lunghezza d'onda. Da tutto questo quindi è chiaro come l'occhio sia in grado di distinguere tra di loro i colori grazie al fatto che questi presentano distribuzioni spettrali diverse. Ma allora questo vuol dire che l'occhio è, in qualche modo, in grado di distinguere uno spettro da un altro. Come?


BASTONCELLI E CONI DELL'OCCHIO UMANO

Il funzionamento del nostro occhio ricorda quello di una fotocamera costituita da un'ottica, con diaframma, e da un sensore. L'occhio raccoglie (e trasforma) il flusso luminoso che lo colpisce in immagini in bianco e nero ed a colori. La parte ottica dell'occhio è costituita dall'insieme della superficie esterna della cornea che con la sua curvatura rappresenta la prima lente, del cristallino (lente variabile che ci permette di mettere a fuoco) e dell'umore acqueo che conduce la luce sul fondo dell'occhio.

 

Anatomia dell’occhio e dettagli della retina
Sensibilità spettrali dei bastoncelli e dei tre tipi di coni.
Curve di sensibilità dell’occhio
Curve di sensibilità dell’occhio umano.


La parte sensibile è costituita dalla retina dove trovano posto in elevatissimo numero (e con densità spaziale variabile) due categorie di sensori: bastoncelli (Rods) e coni (Cones).
I primi hanno una sensibilità elevata (per la visione notturna) che si estende per tutto lo spettro visibile, e quindi, non essendo selettivi rispetto alla lunghezza d'onda, forniscono sostanzialmente una versione monocromatica della scena.
I secondi (i coni) sono divisi a loro volta in tre tipologie, ciascuna con una sensibilità specifica ad una zona dello spettro visibile (blu, verde, rosso).
I tre tipi di coni presentano quindi sensibilità selettive rispetto alle diverse porzioni dello spettro visibile.
 

Sensibilità dell'occhio e colorimetria standard: le Color Matching Functions

Abbiamo visto che la retina dell'occhio è dotata di sensori in grado di distinguere selettivamente le tre zone dello spettro del visibile (blu, verde e rosso) e questo è descritto dalle curve di sensibilità mostrate. Nel 1931 il Comitato Internazionale per l'Illuminazione (CIE) ha standardizzato le curve di sensibilità dell'osservatore medio con campo di vista di 2°, imponendo a queste curve alcune caratteristiche fisiche, come ad esempio quella di fornire tre stimoli uguali a fronte di uno spettro equienergia, ovvero costante su tutta la banda visibile. Ne sono risultate le così dette Color Matching Functions (CMF) che vengo utilizzate come riferimento standard per assegnare a qualsiasi spettro nel visibile tre coordinate colorimetriche: X, Y, e Z. Uno dei vincoli imposti alle CMF è che il canale Y rappresenti anche il valore fotometrico dello spettro analizzato, cioè il valore Y fornisce il valore di luminanza della sorgente.
 

         
Color Matching Functions - CMF
 
Radianza riflessa
 
Radianza riflessa CMF XYZ
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Grafico CMF.
 
Illuminante D65 riflesso da tacca 06.
 
Conversione in XYZ della radianza riflessa da tacca 06 illuminata con D65.


Le componenti XYZ (ad esempio di una sorgente luminosa) si ottengono moltiplicando lo spettro della luce per ciascuna delle CMF (lunghezza d'onda per lunghezza d'onda) e calcolando le somme delle tre serie di valori ottenuti (somma integrale).
 

     
Radianza riflessa CMF XYZ
 
Figura color checker con barre XYZ
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Conversione in XYZ della radianza riflessa da tacca 06 illuminata con D65.
 
Coordinate colorimetriche XYZ delle 24 tacche del Color Checker illuminate da D65.

 

Se lo spettro è di emissione, ovvero di una sorgente di luce, questo viene pesato direttamente con le CMF per ottenere le coordinate XYZ, se lo spettro è di riflessione, allora le coordinate XYZ includono (e variano) a seconda della sorgente (illuminante) utilizzata.

Sensibilità dei sensori CMOS, Color Filter Array di Bayer e demosaicizzazione

La colorimetria è quindi, come ci si doveva aspettare, completamente basata sulla fisiologia dell'occhio umano. Ma come reagiscono invece i sensori delle fotocamere quando vengono raggiunti da una radiazione luminosa? Va subito detto che qualsiasi sensore al silicio (come i CMOS ed i CCD, la sigla differente indica solo una diversa elettronica) ha la funzione di convertire i fotoni di energia elettromagnetica in cariche elettriche, e che la quantità di carica elettrica prodotta per fotone (cioè per onda) dipende dalla lunghezza d'onda stessa. Inoltre le lunghezze d'onda alle quali il silicio è sensibile coprono solo una parte dello spettro elettromagnetico superiore allo spettro visibile.
 

         
Sensibilità spettrale silicio
 
Filtro UV-IR cut
 
Filtro combinato di ripristino
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Sensibilità spettrale di un sensore al silicio senza alcun filtro.
 
Trasmittanza di un tipico filtro UV-IR cut.
 
Combinazione di filtri equivalente al filtro posto davanti al sensore al silicio per il visibile.

 

Bryce Bayer della Eastman Kodak

Dal grafico è evidente quindi che i sensori al silicio sono sensibili a lunghezze d'onda da poco più di 300nm fino a circa 1.200nm, ed all'interno di questo intervallo non hanno modo di distinguere spettri di forme diverse, quindi i colori (nella banda del visibile). Per poter quindi utilizzare questi sensori per la fotografia a colori sono necessari due accorgimenti.
Prima di tutto è necessario eliminare le radiazioni che cadono al di fuori della banda del visibile. Questa operazione può essere realizzata anteponendo al sensore un filtro UV-IR cut che lasci passare inalterata solo la luce visibile. Nella realtà conviene adottare un filtro con una trasmittanza diversa che attenui l'eccesso di sensibilità nella banda del rosso per ottenere, nel complesso una sensibilità più uniforme su tutto il visibile. La seconda operazione da fare è rendere i pixel del sensore selettivamente sensibili a tre zone dello spettro visibile parzialmente sovrapposte, grosso modo identificate come blu, verde e rosso. Questo equivale al meccanismo di visione della retina dove, punto per punto sono presenti coni con sensibilità nel blu, nel verde o nel rosso.
Questo sistema, inventato da Bryce Bayer, un ricercatore della Eastman Kodak, brevettato negli USA nel 1976, prende il nome di Matrice di Bayer, o Filtro di Bayer, o Color Filter Array (CFA).

Separazione dei colori con matrice di Bayer
Matrice Bayer CFA

La matrice di Bayer consiste in una scacchiera di filtri apposti su ogni singolo pixel del sensore, con una ripetizione ordinata dei colori rosso, verde e blu. Va detto e sottolineato subito che l'esatta sequenza dei colori e lo spettro di trasmittanza di ogni micro filtro non sono fissate ed ogni costruttore adotta una propria versione della matrice di Bayer. A parità di sensore, diverse forme nelle trasmittanze dei filtri della matrice di Bayer potano a qualità di immagini diverse e soprattutto a diverse qualità nella riproduzione dei colori.