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L'ISTOGRAMMA

Il concetto di luce è particolarmente complesso. Basti pensare che la natura della luce non è ancora stata compresa totalmente. La schematizzazione più comune della luce è la divisione in tanti piccoli "pacchetti" di energia (fotoni) che si propagano tramite onde elettromagnetiche ad una precisa e costante velocità (dipendente dal mezzo che attraversano). La lunghezza d'onda della perturbazione determina il colore della luce (un prisma attraversato da luce è in grado di mostrare tutto il "visibile", ovvero la zona dello spettro elettromagnetico (dal rosso al violetto) percepibile dall'occhio umano). Per semplificare la teoria dell'ottica (ovvero quella branca della fisica che si occupa della luce), si è giunti alla schematizzazione di tali onde elettromagnetiche in raggi (che rappresentano la direzione di propagazione dei "pacchetti" di luce).

Gli oggetti che ci circondano "hanno un colore proprio". Ciò accade perchè gli oggetti in questione, quando investiti dalla luce, assorbono una parte delle onde elettromagnetiche, eccetto quelle la cui frequenza corrisponde al "loro" colore, che vengono riflesse e colpiscono il nostro occhio.

Il sensore della macchina fotografica ha un'architettura piuttosto semplice e comprensibile: ogni pixel di cui è composto può essere immaginato come un recipiente in grado di accumulare fotoni durante l'esposizione alla luce. Le zone più luminose della scena che stiamo fotografando sono quelle che riflettono una quantità maggiore di luce (e quindi di fotoni). Al termine dell'esposizione, ogni pixel avrà un ben preciso quantitativo di fotoni accumulati, a cui viene assegnato un numero discreto. Ciò avviene tramite l'ADC (Analog to Digital Converter): ogni pixel è dotato di un diodo fotosensibile in grado di convertire l'energia luminosa in un segnale elettrico, il quale è classificato dall'ADC, a seconda del livello di luminosità, in un valore binario (composto, cioè, di soli zero e uno). I sensori comuni utilizzano un ADC ad 8 bit, in grado, cioè, di assegnare 2^8=256 valori.

Al dunque, il quantitativo di luce che colpisce ogni pixel è quantificato in una delle 256 combinazioni di zeri ed uni. Maggiore la luce, maggiore il numero di "uni" all'interno della combinazione. Ad un pixel "vuoto", ovvero non colpito da luce, sarà assegnato il valore 0 (binary: 00000000), ad un pixel "pieno" sarà assegnato il valore 255 (binary: 11111111), ad un pixel riempitò circa a metà sarà assegnato un valore compreso tra 0 e 255 (con combinazioni del tipo: 11010001).
Quantizzando la dimensione del pixel, si incorre, però, in un problema: se un pixel è colpito da troppi fotoni, una volta riempito lo spazio disponibile, essi fuoriescono e la quantità di fotoni fuoriuscita và persa: non si hanno più variazioni sul valore binario del pixel, che rimane pari a 255. Questo effetto è chiamato "clipping" e lo approfondiremo più avanti. Altro problema derivante dalla fuoriuscita è quello del "blooming": i fotoni in fuoriuscita riempono i pixel circostanti, causandone sovraesposizione e perdita del valore originale.

A questo punto, entra di prepotenza il concetto di gamma dinamica (Dynamic Range): è il rapporto tra il massimo ed il minimo segnale che un sensore può generare. Il massimo segnale è direttamente proporzionale alla massima capacità di accumulazione di fotoni del pixel, mentre il minimo è il segnale derivante da un pixel vuoto (che è anche il livello di rumore di un pixel vuoto, detto "noise floor"). Il rumore deriva dal fatto che il diodo fotosensibile invia un segnale elettrico (spesso casuale e dipendente dalla temperatura) anche se il pixel resta vuoto.
Maggiore la gamma dinamica, maggiore la capacità del sensore di immagazzinare dettaglio contemporaneamente nelle luci e nelle ombre. Un modo per aumentare la gamma dinamica è quello di incrementare la capacità di ogni pixel: in tal modo esso sarebbe in grado di accumulare un maggior numero di fotoni prima della fuoriuscita.

Il concetto di "gamma tonale" (Tonal Range) è direttamente correlato a quello di gamma dinamica. E', infatti, definito come il numero di toni necessario a descrivere la gamma dinamica. Se la gamma dinamica ha un valore di 1000:1, la gamma tonale deve consistere di almeno 1000 toni (ovvero l'ADC deve essere almeno a 10 bit (2^10=1024)) per evitare la perdita di informazioni. E' bene ricordare che è la gamma dinamica a stabilire la quantità di toni presenti nell'immagine: un ADC a 32bit (ad esempio) operante su un sensore con gamma dinamica 1000:1, produrrà comunque una gamma tonale pari a 1000.

L'istogramma della luminosità è la rappresentazione della gamma tonale di un'immagine a 8 bit. Sull'asse orizzontale sono rappresentati i 256 toni (dal tono 0 al 255, ovvero dal nero puro al bianco puro). Sull'asse verticale è rappresentata la quantità di pixel dell'immagine corrispondenti ad un dato tono. E' facile, ora, capire che un istogramma spostato sulla sinistra rappresenta un'immagine sottoesposta: la quantità di pixel scuri è nettamente maggiore rispetto alla quantità di pixel chiari.

Equivalentemente, è facile capire che un istogramma troppo concentrato al centro (senza pixel ai valori estremi) rappresenti un'immagine poco contrastata: vi è assenza di toni molto scuri e di toni molto chiari. Questo è il caso in cui la gamma dinamica della scena è minore di quella del sensore: tutti i toni della scena sono stati registrati, senza perdita di dati e di dettaglio.

La perdita, invece, avviene quando l'istogramma tende ad uscire dai bordi: una parte di informazioni non è stata registrata, bensì è stata "tagliata" e associata ai valori 0 e 255 (clipping). In pratica la gamma dinamica della scena era maggiore di quella del sensore. Il clipping avviene anche in immagini troppo sottoesposte o troppo sovraesposte.
In un'immagine eccessivamente sovraesposta saranno molti i pixel soggetti a fuoriuscita di fotoni: essi costituiranno la colonna dell'istogramma relativa al valore 255: rappresentano i pixel di bianco puro la cui informazione extra è andata persa. In questi casi, infatti, la colonna 255 (come la colonna 0 nelle foto sottoesposte) ha un'altezza che non segue l'andamento del resto dell'istogramma, ma è semplicemente sinonimo di perdita di dettaglio.




"l'evidente clipping è dovuto ai bianchi bruciati sul muso dell'aereo"

Come l'occhio umano, il sensore di una macchina fotografica percepisce i tre colori primari (Rosso, Verde e Blu, "RGB"). Tutti gli altri colori sono generati da opportune combinazioni dei primari. Il sensore è costitutito da tre strati sensibili, ognuno, ad uno dei tre colori primari. E, dunque, possibile tracciare istogrammi separati per ognuno dei tre colori, concettualmente identici all'istogramma della luminosità. L'istogramma RGB è la perfetta sovrapposizione (matematica) dei tre grafici. (Per questo l'immagine ha 8 bit per canale: in totale sono 24 bit)
L'istogramma RGB permette di evidenziare la presenza nell'immagine dei singoli colori e i loro eventuali "clipping".

A questo punto vi chiederete: qual'è la differenza tra l'istogramma RGB e l'istogramma della luminosità? In realtà, anche l'istogramma della luminosità deriva dai valori dei tre colori: è, però, una media ponderata dei valori RGB di ogni pixel :verde al 59%, rosso al 30% e blu all’11%. Il valore 0, ad esempio, corrisponde allo "0 0 0" RGB, il valore 255 al "255 255 255" RGB. Rappresenta una luminosità percepita dell'immagine, ma non è in grado di evidenziare i "clipping" dei singoli colori. Senza dubbio è l'istogramma più utilizzato: grazie ad esso è possibile verificare immediatamente l'esposizione di un'immagine.

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