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ISO e rumore? Neppure parenti


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Testo e foto by Lucaf2. Pubblicato il 24 Settembre 2018; 253 risposte, 40406 visite.


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avatarsupporter
inviato il 18 Ottobre 2018 ore 0:54

Ok, grazie Luca! ;-)

avatarsenior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 6:49

f/3.2 e 1/60s corrispondono a 9.263 Ev. Nonostante questa enormità di luce, le due immagini accostate a 800 e 12800 mostrano abbastanza chiaramente che 12,800 ISO è nettamente più rumoroso. Usare ISO alti in buona luce è qualcosa che fanno in molti e inevitabilmente arrivano a conclusioni bizzarre. Queste prove condotte a 3 EV, ossia f/3.2 e 1.3s per esempio, avrebbero mostrato differenze ben diverse.
D'altronde basta fotografare una notturna di calcio giovanile a 1/1000s per vedere che a ISO 12,800 anche le FF fanno schifo.

La parola chiave è la luminance (non so come si dice in italiano) della scena. Una maniera di rapportarsi alla luminance è APEX:

Ev=Tv + Av= Bv + Sv

Tutti i termini sono in log2 (logaritmi in base 2).

L'Ev di f/3.2 e 1/60s si calcola così: log2(f/^2*60)=(log(3.2^2*60))/log2=log(614.4)/0.301=3.322*log(614.4)= 9.263... 3.322 è il fattore di conversione da log in base dieci a log2.

Sv è la sensibilità in ISO. Per avere ISO interi tipo 25, 50, 100 si è convenuto di partire da 3.125 perché 100/3.125 fa esattamente 32 cioè è 2^5. Quindi 100 ISO sono 5 passi, 200 ISO sono 6 passi e così via, l'importante è capire che APEX non introduce i comuni valori ISO bensì questi passi rapportati a 3.125. Quindi 3.125 valore di comodo per ISO numeri interi, il vero valore sarebbe pi greco = 3.14.... e 100 ISO diventerebbe 100.530, che non è un bel vedere.

Abbiamo definito tutti i termini APEX tranne Bv che per noi è il più importante. Bv è la Brightness (anche qui non so come si dice in italiano) direttamente legata alla luminance. Per quanto riguarda il valore numerico Bv la situazione è abbastanza incasinata, ci sono di mezzo troppe unità di misura diverse, un articolo di Bill Claff se ne occupa, cercate un vecchio link perché il suo nuovo sito è costellato di falsi simboli e si fa fatica a leggerlo.

Torniamo a f/3.2, 1/60s di cui sappiamo che Ev=9.263. Dobbiamo calcolare i passi ISO di 800: sono 8, difatti per passare da ISO 100 (5 passi)a ISO 800 si fanno tre salti (100, 200, 400 , 800 ISO). I passi di 12,800 ISO sono
12.
Calcoliamo Bv(800 ISO)=9.263-8=1.263, Bv(12,800)=9.263-12=-2.737. La Brightness può anche essere negativa, nessun problema, anche Ev a f/1 e 2s è Ev=-1. Le case molte volte specificano AF fino a -3, -4 EV.

Cosa significa tutto questo? Che testare ISO diversi con una scena della stessa luminanza è concettualmente sbagliato. Difatti ci sono cascati tutti qui.

Una notazione importante: gli EXIF estesi della varie case riportano sempre Brightness. Raramente si riesce a riprodurre al millesimo il valore perché ci sono di mezzo costanti che cambiano da Casa a Casa.

Giusto in questo 3D è che SNR=sqrt(n) dove n sono i fotoni raccolti in numero sufficiente (vedi astro). Il read noise è lasciato un po' a mezz'aria, forse il fantastico biginone del grande ing. Alessio Beltrame, tutto in italiano e gratis, potrebbe tornare utile.

Comunque i rumori casuali si combinano secondo RSS (Root-of-the-Sum-of-the-Squares, Pitagora generalizzato).

Allo scendere della luminance il read noise (termine onnicomprensivo del rumore del sensore, è rumore, non segnale) che normalmente è sempre molto più basso del photonic shot noise comincia a diventare confrontabile. La sorgente del segnale sono sempre e solo i fotoni, ma nel segnale totale S si annida un rumore determinato anche dal read noise che prima era solo shot noise e adesso l'RSS dei due (il rumore è aumentato). Se si definisce SNR=S/N, crescendo N l'immagine è più rumorosa

In conclusione: se si usano ISO alti a sproposito (in buona luce) si è indotti a pensare che a qualsiasi ISO il SNR non cambia, non è così, ma l'occhio si inganna facilmente. Se si usano gli ISO quando servono davvero, la differenza si vede e come. Astrofotografia e notturni giocano un'altra partita, vedi ancora Beltrame.

Arriverà sicuramente qualche sofista che dirà che non è l'ISO che fa rumore: è vero, è la luminance a cui l'ISO si deve attagliare, se no l'ISO è usato a vacca. Alla fine l'ISO è un guadagno, come fa a far rumore di suo?MrGreen

avatarjunior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 9:25

Articolo eccellente per brevità e ricadute di pratico utilizzo in ripresa. Scritto con piacevole maestria di chi sa anche come rompere un tabù. Grazie mille!!

avatarjunior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 10:38

Innanzitutto complimenti a @lucaf2 e @Valgrassi, il primo per la chiarezza con cui ha trattato un tema interessante, il secondo per le approfondite conoscenze tecniche. A me resta solo spazio solo per una piccola riflessione, che se sbagliata avrete la bontà di correggere, ringraziando già da ora.
Condivido due concetti importanti: il rumore ha relazione con la quantità di luce presente nella scena; il rumore nel digitale risente sia dei lunghi tempi di esposizione (crominanza ) sia degli alti iso (luminanza). Quest'ultimi richiamano i principi della granulosità delle "vecchie" pellicole, dove a iso maggiori corrisponde maggiore sensibilità alla luce ma anche maggiore granulosità dell'immagine, dovuta alle maggiori dimensioni dei cristalli di alogenuro d'argento che la compongono. Oltre il rumore, ne risente anche la definizione.
Le correzioni in post produzione digitale, ben esposte da @Lucaf2, ricalcano, a loro volta, i principi dello sviluppo della pellicola, che spesso viene corretta con il "tiraggio" per sovra o sottoesporre. Espediente che si usa anche quando la macchina è impostata a iso diversi rispetto al valore iso nominale della pellicola.
Di una pellicola sottoesposta, ad esempio, se ne può aumentare il tiraggio in fase di sviluppo per correggere l'esposizione. Non è però una pratica "indolore, perché determinerà come controindicazione (salvo licenze artistiche) perdita di dettaglio e aumento del contrasto rispetto ad una esposizione e a un tiraggio corretti.
In digitale, pur con i vantaggi offerti dalla tecnologia (software e hardware) in termini di flessibilità, credo avvengano fenomeni simili. Ma il concetto è che gli iso contribuiscono di per se a determinare la "grana", quindi la definizione e il rumore dell'immagine di partenza, che poi possiamo certamente correggere in postproduzione, ma non senza effetti sui dettagli, anche quando si resti nei limiti della gamma dinamica.
In definitiva, se si cerca definizione e basso rumore, a mio avviso è meglio usare gli iso più bassi tra quelli possibili, ma senza spingersi a coppie tempo/diaframma con tempi di esposizione troppo lunghi, al fine di scongiurare indesiderati effetti di crominanza.
E' sempre un compromesso.

avatarsenior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 16:17

A Lucaf2 ho chiesto in pm se è un troll che ha voluto prendere in giro gli Juzini di qui. Però mi rendo conto che lui ha capito le cose a metà. Sarebbe più corretto aspettare la sua risposta, ma posso anticiparvi la conclusione.
Atteniamoci alla sua triade f/3.2, 1/60s e ISO 3200. Abbiamo visto che f/3.2 e 1/60s corrispondono a Ev=9.263.
Usando per esempio la modalità A sulla stessa scena, cosa succede cambiando gli ISO:
ISO 800 f3.2 1/15s
ISO 1600 f/3.2 1/30s
ISO 6400 f/3.2 1/120s
ISO 12800 f/3.2 1/240s
Andando a confrontare il SNR delle cinque foto sarà 800>1600>3200>6400>12800 come abbiamo sempre tutti saputo, ogni salto di ISO dimezza la luce che arriva al sensore.

Qui Lucaf2 ha commesso un errore imperdonabile. Ha tenuto f/3.2 1/60s fissi, cioè ha fatto arrivare sempre lo stesso numero di fotoni al sensore, questo significa che ha ingessato il SNR allo stesso valore nelle cinque foto.

In modalità M ha variato gli ISO. Esaminiamo 800 ISO, ma è la stessa cosa per gli altri. Lavorando in M ha snaturato la triade, nel senso che Ev è rimasta fissa a 9.263. Ora, rispetto a 3200, 800 ISO amplifica quattro volte meno. Allora ha sovraesposto con qualche tipo di Exposure di 2 stop. Con queste due operazioni una opposta all'altra ha lasciato le cose immutate, SNR è deciso da f/3.2 1/60s. L'ISO non entra da nessuna parte, è stato neutralizzato.

A 6400 ISO l'amplificazione è doppia rispetto a 3200 ISO, qui ha sottoesposto di uno stop sotto Exposure o chi per esso. Ancora una volta, non ha fatto niente. Le cinque foto esibiscono lo stesso SNR, peccato che gli ISO c'entrano solo apparentemente in questo processo.

In pratica ha dimostrato che ISO e sovra e sottoesposizioni sono commutativi. Un pò come dire 2*3=3*2=6. Questa è una identità valida per qualsiasi numero reale, esattamente come i suoi giochi avanti e indietro cogli ISO lasciano immutato il SNR.
Azzardo che Lucaf2 abbia una preparazione al massimo da scuola superiore.
Quello che mi ha lasciato perplesso è come innumerevoli forumisti abbiano abboccato a questo gioco delle tre carte e l'abbiano pure lodatoEeeek!!! Non è importante, me ne farò una ragioneMrGreen

avatarjunior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 17:03






avatarsenior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 19:25

@Ciaoceo hai capito tutto;-)

Senza invocare Bv, semplicemente tenendo conto degli ISO:
f/2.8 1/25s dà Ev=7.64
f/2.8 1/1600s dà Ev=13.64
Adesso consideriamo il rapporto fra gli ISO: 1600/200=64. Siccome si ragiona sempre in termini di stop o Ev vediamo che 2^6=64, quindi gli ISO hanno influito per 6 EV, esattamente la differenza fra 7.64 e 13.64, CVD.

Gli ISO fanno questo: riducono i fotoni raccolti poi amplificano il segnale elettrico per ristabilire la giusta esposizione.
Attenzione che il SNR peggiore a ISO 12800 è imputabile al fatto che ha raccolto 64 volte meno fotoni rispetto a 200 ISO.

Lucaf2 questa prova l'avrebbe condotta così: avrebbe lasciato Ev=7.64 nei due casi. Poi avrebbe compensato con 6 stop la estrema sovraesposizione a 12,800 riportando le cose in pari, cioè prima 6x da ISO poi /6 da ipotetico Exposure. 6/6=1, gli ISO sono tolti di mezzo completamente. L'SNR è deciso dalla coppia identica f/2.8, 1/25s.
Va notato che se passi da 200 a 12,800 i 6 Ev non li regge nessun sensore, quindi non si sarebbe più parlato di un segnale normale a 12,800, bensí di una orrenda posterizzazione a dx di luci, toni medi e ombre più chiare. Lucaf2 di questo non si era accorto perché si era limitato a +- 2 Ev.Cool


avatarjunior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 19:38

@Valgrassi: il mio esperimento mi sembrava chiaro. Se è davvero l'ISO a determinare il rumore (come è opinione diffusa) allora a parità di luce che arriva sul sensore (ecco perché ho tenuto sempre uguale la coppia tempo e diaframma) le immagini ad alti ISO avrebbero dovuto essere più rumorose rispetto a quelle ad ISO inferiori. Come hai potuto vedere dalle immagini, non è così. Peraltro hai citato Alessio Beltrame la cui dispensa (molto interessante e ben realizzata) avalla quanto io ho esposto in questo articolo e che avevo rilevato anche attraverso altre fonti. Beltrame tra l'altro sottolinea giustamente come il vero problema degli alzare gli ISO sia la Full Well Capacity e non lo stadio d'amplificazione in se e per sé. Detto ciò, se qualcosa nel mio articolo non era chiaro avrei gradito comunque un tono differente. In un forum il dialogo e il confronto dovrebbero essere una priorità condivisa. Stigmatizzo invece le tue parole nei confronti della community o di chi ha commentato il post, parole che sarebbero state fuori luogo a prescindere dal contenuto dell'articolo.

@Ciaoceo: è normale che tu abbia più rumore nell'immagine di destra. Hai fatto arrivare sul sensore 5 stop di luce in meno (lo si evince dal tempo di scatto).

avatarsenior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 21:37

@Lucaf2 già lo sospettavo, adesso sono sicuro. Hai capito il concetto di SNR governato dal numero dei fotoni raccolti e questo ti fa onore. Purtroppo è chiaro che tu ricerca non ne hai mai fatta per cui hai messo in piedi una prova insignificante. Probabilmente non te ne rendi conto neanche adesso. Nella tua prova prima lasci lavorare l'amplificazione ISO in + o in -, poi compensi la sovra sotto esposizione con qualche tipo di Exposure. La risultante netta è zero. Gli ISO non c'entrano più.

Tu DOVRESTI fare una delle due cose:
- rivedere l'articolo poggiandolo su basi solide, adesso è il nulla totale;
- oppure, se vuoi lasciarlo inalterato, toglierlo dagli articoli Juza. Così com'è è imbarazzante e fuorviante

Renditi conto dei danni che provochi a principianti e fotografi un po' a corto di esperienza.

In ricerca vale l'operazionismo, cioè i concetti sono le operazioni stesse. Analizza con calma la prova che hai messo in piedi. Se sei moderatamente avvertito ti rendi conto che si morde la coda, non fa nulla cogli ISO. Anche il titolo del 3D è indice di una certa confusione, in ricerca le parole hanno un peso ben preciso. Equare ISO e rumore esige un'analisi attenta. Partendo da definizioni labili uno può dire che il rumore dipende dagli ISO o anche che il rumore non dipende dagli ISO.

Se sei uno studente universitario del secondo anno di una facoltà scientifica, la tua situazione è allarmante. Se sei una matricola, ti si può dare tempo per studiare. Se sei un peritazzo o un programmatore hai la scusante di non avere basi sufficienti. Succede anche a me con un'esperienza non paragonabile alla tua di incappare in contraddizioni e vere e proprie cappelle. Ma in questo caso banalissimo degli ISO non ci sono dubbi, hai fatto un processo circolare che ti ha riportato dove eri partito, cioè hai verificato che la tua coppia f/3.2 e 1/60 dà sempre lo stesso SNR. Spero abbia capito, cmq sono qua e non mi aspetto insulti, ovviamente.MrGreen

È chiaro che non volevo offendere i colleghi del Forum, ho rilevato con sorpresa che molti sono impreparati ad analizzare un articolo come il tuo. Anch'io la prima volta che l'ho letto mi ha ridestato l'interesse. Anche a me era sfuggita la circolarità degli ISO, mi sono limitato a spiegare APEX. Il giorno dopo ho fatto come i cornuti, ci ho ripensato. Io non sono un teorico, credo agli esperimenti. Per cui ho preso una Nikon 1 J5 (20 Mpx BSI, 1" virtuale), l'ho messa sul cavalletto davanti a una parete di casa biancastra. Ho rifatto né più né meno la tua prova. Ho ottenuto questo:



Carta canta, o no?
Ho tutti i NEF, se li vuoi analizzare tu. Per me la questione tecnica è chiusa;-)

avatarjunior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 23:05

@Valgrassi: se tecnicamente è chiusa per te, figurati per me. Chiudo però con un'osservazione: avrai notato che non ho risposto al tuo MP. Era irricevibile così come sono irricevibili i tuoi giudizi (tanto gratuiti quanto non richiesti) e le tue svariate e tristissime ipotesi - con ulteriori giudizi annessi - sui miei titoli di studio. Scusa quindi se decido di bloccare il tuo account ma la tua totale assenza di rispetto mi costringe a farlo. Ci sono cose che socialmente sono lecite e altre che non lo sono, cose che si possono dire ed altre cose che non ci si può permettere di dire. Se non riesci ad identificare tu i confini, lo faccio io per te. E metto un punto. Se ritieni che l'articolo sia tecnicamente inconsistente o errato segnalalo agli amministratori del sito e fallo rimuovere.

avatarsenior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 23:23

Grande a prescindere.Sorriso

avatarsenior
inviato il 01 Novembre 2018 ore 23:35

Luca, e con gli iso in automatico?

avatarjunior
inviato il 02 Novembre 2018 ore 0:42

Ciao @Valerio,
anche se in molti vedono negli ISO automatici l'anticristo fotografico :) mi capita d'utilizzarli abbastanza spesso nella modalità M. Spesso pensiamo che le macchine fotografiche abbiano solo 4 modi d'esposizione e cioè P, A (o Av), S (o Tv) e M. Ma che succede con la combinazione “modo M” e “ISO auto”?
Succede che scopriamo d'avere una quinta modalità d'esposizione che considero utilissima e super efficace. In pratica noi decidiamo tempo e diaframma e la macchina, sulla base della misurazione esposimetrica, decide gli ISO. Quando la combinazione tempo e diaframma è insufficiente per un'esposizione corretta, la fotocamera alza gli ISO. Se invece tempo e diaframma sono “coerenti” con la luminosità della scena allora la fotocamera mantiene un valore ISO basso. Personalmente trovo questa modalità molto comoda nella fotografia di concerti dove in genere imposto un diaframma molto aperto (per catturare il massimo della luce) ma contemporaneamente un tempo piuttosto rapido (per evitare foto mosse). Le luci sul palco cambiano in continuazione ma io non mi devo preoccupare perché so che quando la combinazione tempo/diaframma che ho scelto è insufficiente, la fotocamera alzerà gli ISO per arrivare ad un'esposizione corretta. Ad ogni modo nulla da obiettare anche se si vuole utilizzare l'impostazione ISO Auto anche nelle altre modalità. A presto e grazie per il commento.

avatarjunior
inviato il 02 Novembre 2018 ore 11:34

Ciao @Grizzly_,
Alcune analogie che fai con il mondo della pellicola sono certamente valide ma restano, come giustamente osservi anche tu, grandi differenze fra i domini della pellicola e del digitale. Una nota però per quanto riguarda il rumore: se non ho capito male hai associato il rumore di "crominanza" al lungo tempo d'esposizione e quello di "luminanza" agli alti ISO.
In realtà il rumore dovuto a lunghi tempi d'esposizione è quello a cui ci si riferisce con il nome di "fixed random noise" (cioè rumore a schema ricorrente) mentre quello associato a tempi di scatto rapidi - e bassa luce - è il cosiddetto "random noise" (rumore casuale).
Il rumore di crominanza e quello di luminanza sono entrambi presenti nel "random noise" e rappresentano fluttuazioni del segnale che interferiscono, il primo, sul croma (una delle tre componenti che caratterizza il colore e che potremmo associare al concetto d'intensità di una tinta) e, il secondo, sulla luminanza (che potremmo definire la sorella “non percettiva” di ciò che noi chiamiamo luminosità). Come dicevo ad altri spero di trovare presto il tempo per un altro articolo che tratti in modo più articolato anche questi aspetti. Per il momento grazie per il commento e a presto!

P.S. Ho corretto la risposta per quanto riguarda la relazione tra il "fixed pattern noise" (FPN) e il rumore di crominanza poiché, anche se alla fine l'FPN si rende visibile nella foto sia con punti di luminosità diversa sia con punti di colore diverso, parlare di rumore di crominanza in associazione del rumore termico (altro termine per indicare il fixed pattern noise), non credo sia del tutto rigoroso.

avataradmin
inviato il 02 Novembre 2018 ore 16:46

ragazzi non bisticciate ;-)

il rapporto tra ISO e rumore è, diciamo, complicato, per via delle numerose variabili in gioco...

se scattiamo in indentiche condizioni con diversi ISO (per ottenere foto con identica luminosità, quindi tempi via via più rapidi al salire degli ISO), ovviamente la foto a ISO più alti sarà più rumorosa.

se però entra in gioco anche l'esposizione, le cose cambiano perchè una foto a 100 ISO, sottoesposta di 2,3 o 4 stop, sarà più rumorosa di una a 200 ISO ben esposta.

(e viceversa, una foto a 200 ISO sovraesposta di uno stop avrà lo stesso rumore di una a 100 ISO, perdendo però un pò di margine nelle alte luci)

se poi consideriamo la luminosità della scena, con luce abbondante il rumore è molto più ridotto che con luce scarsa, in altre parole se scattiamo a 3200 ISO la foto di un paesaggio a mezzogiorno avremo molto meno rumore che lo stesso paesaggio a 3200 ISO di notte.

ciascuno faccia i suoi test e tragga le sue conclusioni, senza bisogno di litigare ;-)





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