SENSORI FOVEON E BAYER – FACCIAMO IL PUNTO SULLE DIMENSIONI DEI PIXEL, L'INTERPOLAZIONE E LA QUALITÀ DELLE IMMAGINI

Un tentativo di ragionare che non è detto non sia fallace.

Per semplificare consideriamo l'interpolazione solo in orizzontale e in verticale tra diodi contigui.
Consideriamo inoltre che il rimpicciolimento dei diodi non produce problemi di qualità di immagine: il poterlo fare o non è un limite di costo e di tecnologia disponibile.
L'obiettivo non è produrre una immagine più ingrandibile (o da esplorare con ingrandimenti spinti), ma una immagine da fruire sempre nello stesso formato, una stampa A4, che abbia una informazione via via più fedele alla Realtà.

Stadio 1 del ragionamento: confronto logico

Se ho un pezzetto di realtà fatto di una superficie rossa (per ¾) e blu (per ¼) - come nel disegno 1 figura 1 - e ho due macchine fotografiche con due sensori semplicissimi grandi 2cm x 2cm fatti di 4 fotodiodi, uno Bayer e uno Foveon (tradizionale) mi troverò nella seguente situazione:

1/4 del Bayer legge correttamente la realtà rossa, 1/4 del Bayer legge la realtà blu: 2/4 di Bayer hanno il filtro verde sulla realtà rossa e non possono attribuire il colore; allora il software attribuirà arbitrariamente a quest'ultima area non letta un colore (il grigio?) perché non ha la possibilità di interpolare bene, vista la esiguità delle informazioni "intorno" e tirerà a indovinare (figura 2).

Il Foveon legge correttamente il colore dell'intera area con i suoi 4 fotodiodi a traduzione del colore a tre strati.

I progettisti del Bayer riescono a ridurre di 1/4 le aree dei singoli fotodiodi e ad aumentarne il numero da 4 a 16, producendo qualche artefatto e rumore per la ridotta dimensione dei fotodiodi; quelli del Foveon mantengono il modello precedente già ben funzionante e sono felici.

A questo punto - figura 3 - il Bayer scende nella capacità di leggere direttamente la realtà dal 50% al 25% (ovvero: 4/16 dei fotodiodi hanno il filtro giusto per la realtà fotografata), ma la distribuzione dei "recettori" del rosso si "spinge" in aree non sondate prima (aB, cB, cD) con il risultato di articolare meglio l'analisi del frammento di realtà.

Nelle aree aC, bD, ad esempio, l'interpolazione verso il rosso sarà resa probabile dalla doppia vicinanza di due diodi rossi che colgono la Realtà rossa (aB e aD a vantaggio di aC e aD, mentre cD sarà a vantaggio di bD).

Senza fare tutti gli esempi, si capisce che un sensore Bayer più pixellato è in grado di "sondare" meglio la Realtà perché il suoi colori di filtro sono più diffusi.

Se prendiamo il blu (nel nostro esempio): nella vantaggiosissima situazione della Realtà in cui il blu cade esattamente nell'area sondata dal Bayer a 4 pixel (100% dell'informazione colta dal sensore Ab della figura 2), nel sensore a 16 diodi la esattezza si riduce al 25% con scarse possibilità di interpolazione valida.

Ma poiché la Realtà dell'esempio è semplice e poco probabile, si capisce che il Bayer a 16 fotodiodi è una sonda del reale più affidabile di quello precedente.

Inoltre, per realtà più complesse, iniziano a essere più vantaggiosi i 16 diodi "probabilistici" che i 4 esatti del Foveon! Anche perché, al di là del colore, disegnano graficamente (contorni) meglio la Realtà. E' chiaro che appena gli ingegneri mettono a punto il Foveon a 16 diodi il Bayer nel confronto fa un brutto balzo indietro.

Finché è tecnologicamente possibile rimpicciolire senza svantaggi (rumore, ecc.) non gestibili, il Bayer avrà sempre un vantaggio a essere spinto nel piccolo sia per il "disegno" che per la maggiore affidabilità dell'interpolazione.

Se riprendiamo infatti la lettura del solo pezzo blu della nostra Realtà e immaginiamo che sul quel pezzo insistono non più 4 fotodiodi ma 16 (in un sensore da 64 diodi complessivi, vedi figura 4) avremo: sempre 4/16 di diodi capaci di intercettare il blu, ma saranno meglio distribuiti e dunque per le aree cieche al blu sarà facile che l'interpolazione sarà corretta (per almeno 4/16 della area blu della Realtà): avremo in totale 4/16 letti direttamente e 4/16 letti per interpolazione, dunque il 50%. Un miglioramento rispetto al 25 % del precedente sensore.

Se questo ragionamento lo immaginiamo passando a un sensore che ha 64 diodi nel pezzo blu della Realtà, capirete da voi che tra pixel con filtro blu e pixel interpolabili, la quantità e la perimetrazione della informazione giustamente attribuita aumenta.

Resteranno SEMPRE problematiche le aree di passaggio da un colore a un altro perché avremo SEMPRE un punto dove un diodo del giusto colore che cade nella Realtà di quel colore (blu su Blu, nel nostro accanimento analitico) non avrà, nella zona di cambiamento di colore, il diodo che fa da ponte per interpolare: ma anche qui, più mi spingo nel piccolo (RISPETTO ALL'INGRANDIMENTO DI FRUIZIONE CHE E' FISSO), più la ricostruzione dei bordi colore/colore nella sua imprecisione sarà impercettibile.

I passaggi bordo bordo sono forieri di Moiré: se il costruttore è furbo e sarà riuscito a costruire un sensore zeppissimo di pixel, potrà recuperare l'uso del filtro AntiAliasing o AA (con delicatissimo impatto, visto che deve piallare nell'ultrapiccolo) e ridurre ancora di più i pasticci di "confine" (vi ricorda qualcosa? Vedi box di Rino Giardiello).

Diciamo così: il Bayer è come un bambino meno dotato che, facendolo studiare tanto, dà buoni risultati laddove il Foveon li dà ottimi di suo, senza tanto sforzo.

Ormai le fotocamere dotate di sensore di Bayer e tanti Mpx, ci hanno abituati all'assenza del filtro AA che era indispensabile per "smussare" le immagini quando i pixel erano pochi. Con pochi pixel, una linea diagonale viene riprodotta come un insieme di scalini netti e ben percepibili, motivo per cui occorreva aggiungere qualcosa tra uno scalino e l'altro. La leggera sfocatura introdotta dal filtro AA è stata la soluzione più semplice, ma - con l'aumentare della risoluzione - tale trucco non serviva più: una linea diagonale riprodotta da un numero infinito di minuscoli pixel, sembra una linea continua ai nostri occhi. Il filtro AA è stato eliminato dai fabbricanti anche nel modesto passaggio da 24 a 36Mpx per accentuare la sensazione di nitidezza del secondo sensore che, neanche a dirlo, equipaggiava il modello più costoso. Le immagini senza filtro AA appaiono più nitide e croccanti, ma sono anche molto facili a riempirsi di effetto Moiré ed altri artefatti che vengono corretti in parte via software. Fuji trovò la sua soluzione antiMoiré con il suo X-Trans che altro non è che un Bayer con il campionamento su un maggior numero di pixel (da 2x2 fotositi si passa a 6x6). La risoluzione dei sensori è continuata ad aumentare arrivando a valori ben superiori alle nostre necessità, quindi il filtro AA è diventato un lontano ricordo, ma non il Moiré che continua a fare capolino nelle nostre foto, rovinandole. Siamo arrivati così ai 61Mpx di oggi. Sony ha continuato a non usare il filtro AA visto che i pixel sono tantissimi, molto piccoli e molto vicini tra di loro (giusto il contrario di quello considerato giusto da alcuni), ma l'effetto Moiré è sempre lì. Sigma, con la sua fp L, ha fatto una scelta controcorrente: ha reintrodotto il filtro AA. Stabilito che 61Mpx non sono indispensabili per una elevata risoluzione, ha preferito perderne un po' con un filtro AA - ovviamente minuscolo quanto i 61 milioni di pixel che riempiono il suo sensore - sgominando così l'effetto Moiré ed ottenendo immagini di grande qualità e naturalezza delle sfumature. (Rino Giardiello)

Stadio 2. Se passiamo al mondo reale, il ragionamento su questo modello semplificatissimo si complica.

Ai fotografi professionisti viene richiesta un grado crescente di risoluzione e i committenti non chiedono se il colore sia interpolato o diretto: dunque il Foveon deve correre dietro al Bayer (stare al passo della risoluzione e della dimensione dei sensori) se non vuole perdere quella appetibilità che ha, non tanto per i fini estimatori, ma per quelli che si muovono nel terreno di compromesso tra qualità/fruibilità/versatilità e che guardano al Foveon come a una possibilità e non un obbligo.

Se il Bayer, per tecnologia consolidata e di più facile produzione, può spingersi a una densità di pixel molto elevata, avrà due vantaggi: migliore definizione dei contorni e maggiore attendibilità del colore. Solo un Foveon molto prossimo a quella densità sarà ancora concettualmente competitivo, ovviamente se si rimane agli ingrandimenti a cui le foto vengono realisticamente stampate - o viste a video – (in gigantografie il Foveon stravincerebbe: ma chi le fa? E serve tutta questa qualità per un cartellone pubblicitario che viene osservato da molti metri di distanza?).

Conclusioni
Tutto questo ragionamento non tiene conto di tanti altri fattori, uno per tutti: modificare con strumenti di sviluppo un file fatto di valori assoluti e valori interpolati vuol dire OGNI volta riaggiustare tutto il gioco. Credo che per il Foveon, avvenendo tutto punto-punto su valori reali, il rischio di artificiosità sia molto ridotto.
Un fotografo molto accorto e che ogni tanto ospita le mie elucubrazioni mi ha detto, ad esempio, che i tentativi di recupero delle alte luci con i Bayer anche molto evoluti tende a produrre grigietti e non luminosità pulita: con il Foveon mai!