Il rumore è forse l’elemento tecnico più complesso da gestire per un fotografo. Si tratta di un disturbo che deve essere contenuto il più possibile, pur sapendo che non potremo mai eliminarlo del tutto, nemmeno con l’avanzamento delle tecnologie. In questa guida voglio offrirti una panoramica completa sul rumore digitale, spiegandoti in modo chiaro i concetti fondamentali alla base del fenomeno e dandoti indicazioni pratiche su come ridurre il rumore in fotografia già in fase di scatto.

Per prima cosa è importante comprendere cosa si intende per rumore. Il rumore digitale (in inglese noise) è un contributo non intenzionale, di natura casuale, che si introduce durante l’intero processo di acquisizione e compromette la qualità del segnale utile della nostra immagine.

Già da questa prima definizione possiamo introdurre alcuni concetti chiave, e per farlo iniziamo dal principio: cosa accade quando premiamo il pulsante di scatto?

Comprendere la luce: analogia del secchio

I sensori fotografici, per quanto possano avere dimensioni e formati diversi, sono essenzialmente superfici progettate per catturare la luce proveniente dalla scena. Immagina di essere sotto la pioggia e di utilizzare un secchio per raccoglierla. Più il secchio è grande, maggiore sarà la quantità di gocce (fotoni) raccolte in un determinato intervallo di tempo.

Ora, pensa di posizionare sopra il secchio una lastra con un foro: la pioggia passerà solo da quel foro. Aumentando o restringendo l’apertura, possiamo regolare la quantità di acqua che arriva nel secchio. Questo foro rappresenta il nostro diaframma, che si regola attraverso il valore f-stop (f/)

Possiamo inoltre scegliere per quanto tempo tenere il secchio esposto alla pioggia. Supponendo che la pioggia sia costante, più tempo lo lasciamo esposto, più gocce raccoglieremo, indipendentemente dalle dimensioni del foro. Questo è l’equivalente del tempo di esposizione (t).

Una volta chiarita questa dinamica, se ancora non hai familiarità con il concetto di triangolo dell’esposizione, ti consiglio di leggere questo articolo dedicato. Se invece lo conosci già, possiamo proseguire.

S/N: Signal to Noise Ratio

Abbiamo visto, con un’analogia semplice, come si possa controllare la quantità di luce che colpisce il sensore. La luce rappresenta la nostra fonte di informazione, ma non tutta la luce è “buona”: una parte è utile, mentre l’altra è casuale, ovvero rumore.

In fotografia, questo viene espresso come rapporto segnale/rumore (S/N – Signal to Noise Ratio), che indica quanta informazione utile è presente rispetto al rumore. Più questo rapporto è alto, maggiore sarà la qualità dell’immagine. Il nostro obiettivo è quindi massimizzare il rapporto S/N, agendo su due parametri chiave: apertura del diaframma e tempo di esposizione.

Il rumore nelle diverse fasi di scatto

Il rumore fotografico viene spesso classificato in base alla sua natura, ma in questo articolo voglio proporti una visione cronologica, in modo che tu possa identificare con chiarezza quando ogni tipo di rumore si manifesta. Possiamo dividere il rumore in tre grandi categorie temporali:

• Rumore ambientale (shot-noise): generato dai fotoni che colpiscono il sensore;
• Rumore di lettura e della circuiteria (read-noise): introdotto in fase di acquisizione e conversione;
• Rumore ISO: non è un vero e proprio rumore, ma un’amplificazione dei due precedenti, come vedremo parlando di ISO Invarianza.

L’acquisizione e la conversione del segnale

Andiamo quindi a vedere i principali step di acquisizione del segnale e la sua conversione in formato digitale, con riferimento allo schema mostrato in figura:

I fotoni investono il sensore, e gli elementi sensibili (fotodiodi) convertono la luce ricevuta in una differenza di potenziale che genera una carica elettrica. Questa carica elettrica viene amplificata prima di una conversione da analogico a digitale tramite un convertitore A/D. A valle della conversione, vengono applicati ulteriori guadagni ed algoritmi che portano alla registrazione dei dati in una formato RAW o Jpeg. Una volta chiaro questo schema, possiamo andare a vedere i vari contributi del rumore e il momento in cui questi vengono introdotti.

Rumore Ambientale

Il rumore ambientale è il primo tipo di disturbo che si somma al segnale. È causato dalla distribuzione irregolare con cui i fotoni colpiscono il sensore. Fattori come temperatura, foschia e agenti atmosferici alterano il percorso dei fotoni, facendoli arrivare con angolazioni differenti e non uniformi.

Questa variazione nella distribuzione causa una granulosità visibile, specialmente nelle zone scure dell’immagine, che riconosciamo facilmente come rumore.

Rumore di lettura e rumore termico

Il rumore di lettura (read noise) viene generato dalla circuiteria interna della fotocamera. Per comprenderlo meglio, vediamo le principali fasi del processo:

• I fotodiodi generano cariche elettriche quando stimolati dalla luce. Tuttavia, anche in assenza di luce, può manifestarsi la cosiddetta dark current, generando rumore termico.
• Questo tipo di rumore, noto anche come rumore Johnson-Nyquist, è influenzato dalla temperatura ed è descritto dalla formula:

con:

• R = resistenza
• k = costante di Boltzmann
• T= temperatura

In pratica, maggiore è la temperatura del sensore, maggiore sarà il rumore generato. Fattori come temperature ambientali elevate, lunghe esposizioni e pixel piccoli contribuiscono ad aumentare il disturbo. In astrofotografia, ad esempio, le camere CCD vengono spesso raffreddate con ventole o messe in freezer per ridurre al minimo questo effetto.

Come si manifesta visivamente il rumore termico? Puoi isolarlo facilmente: imposta la fotocamera con le stesse impostazioni di scatto, ma copri l’obiettivo con il tappo. Otterrai un’immagine nera, ma non perfettamente pulita: ciò che vedi è proprio rumore termico. Questo esperimento produce un dark frame, utile in post-produzione, specialmente in fotografia astronomica.

Inoltre, ogni circuito elettronico introduce errori di guadagno, soprattutto in fase di amplificazione (tramite op-amp) e conversione analogico-digitale (ADC), dove si verifica una discretizzazione imperfetta dei valori in bit (0–255).

Rumore ISO: il più grande fraintendimento tra fotografi

Uno degli errori più comuni è pensare che l’ISO generi rumore. Non è corretto. L’ISO amplifica il segnale, compreso il rumore già esistente.

Il termine ISO è l’acronimo di International Organization for Standardization, e fa riferimento a uno standard (ISO 12232:2019) che stabilisce una scala discreta di valori, distanziati di uno stop. In digitale, possiamo scegliere anche incrementi di 1/3 di stop.

La formula di calcolo ISO è la seguente:

dove la carica q viene confrontata con i valori standard disponibili, e il firmware seleziona quello più vicino.

ISO nativo e ISO esteso (simulato)

Non tutti i valori ISO sono gestiti nativamente dalla fotocamera. Valori troppo alti o troppo bassi vengono simulati via software:

• ISO H (alto): la macchina amplifica digitalmente il segnale, aumentando sia luce che rumore.
• ISO L (basso): riduce il rapporto S/N, rischiando clipping nelle alte luci e perdita di dettaglio.

Esempio pratico:

Un rapporto 2/3 amplificato digitalmente potrebbe diventare 4/6 o 6/9, ma il rapporto non migliora: crescono sia segnale che rumore.

Invarianza ISO

Con i sensori moderni è nato il concetto di ISO Invarianza. Questo significa che l’ISO ha un impatto sempre più marginale sulla qualità dell’immagine, grazie a un bassissimo rumore di lettura.

Nei sensori ISO invarianti, la maggior parte dell’amplificazione avviene dopo la conversione A/D, permettendo di scattare a ISO bassi (quindi con poco rumore) e recuperare l’esposizione in post-produzione senza penalizzare troppo il risultato.

E il triangolo dell’esposizione, quindi?

A questo punto dovrebbe essere chiaro: il triangolo dell’esposizione resta un riferimento fondamentale per ogni fotografo, ma se vuoi ottimizzare il rapporto segnale/rumore, devi concentrarti principalmente su:

• Diaframma
• Tempo di esposizione

L’ISO, essendo un parametro di amplificazione, non incide sulla quantità di luce catturata, ma solo sulla sua resa luminosa, con le conseguenze viste finora.

Buona Luce