La Risoluzione

by / martedì, 02 giugno 2020 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Francesco, Il blog

 

RISOLUZIONE

Cerchiamo di avere una buona qualità per questa grandezza

 

 

Poche grandezze in fotografia, ed in altri settori della tecnica, hanno diversi campi di applicazione e di definizione come la risoluzione. Per evitare fraintendimenti sarà buona norma partire con una sintesi delle varie differenze tra quelli interessati.

Possiamo dire che la risoluzione indica la qualità di una grandezza visiva. Il campo dove ci interessa indagare con la migliore chiarezza è certamente quello delle immagini digitali. La definizione viene normalmente usata anche per quelle analogiche o nelle metodologie di acquisizione e riproduzione delle immagini.

risoluzione per le stampanti – stampe eseguite da sinistra a destra con risoluzioni che diminuiscono sia per un oggetto realizzato con una stampante in 3D che per un cerchio stampato su carta

In generale la risoluzione indica la densità degli elementi semplici (il punto [dot], il pixel, etc) che formano l’immagine in rapporto ad una dimensione lineare di riferimento (il centimetro, il pollice). La risoluzione, come vedremo tra poco, è strettamente collegata alla visione dell’occhio umano. La stessa immagine darà sensazioni visive diverse a seconda della distanza da cui viene osservata.

confronto tra due griglie di punti stampati a due risoluzioni diverse. Usando risoluzioni elevate nella stessa unita migliora la qualità di stampa

Analizziamo il concetto in modo più dettagliato. In ambito non strettamente fotografico avremo:

  • le stampanti: a prescindere dalla tecnologia di stampa utilizzata per questi dispositivi possiamo dire che la risoluzione indica la densità dei punti elementari, chiamati anche dot, in rapporto ad una dimensione lineare fissata usata come riferimento. Le unità di misura per questa grandezza saranno i punti/cm (dot/cm) oppure i punti/pollice (dot/inch) in maniera sintetica questa grandezza spesso viene indicata con dpi (dots per inch). Le stampanti per uso domestico vengono attualmente realizzate con una risoluzione di alcune centinaia di dpi. Le stampanti laser commerciali hanno normalmente una qualità minima di 300 ed arrivano fino a 2400 dpi. I sistemi industriali e di alta produzione hanno valori di riferimento maggiori. Per confronto possiamo considerare che una tradizionale pellicola analogica viene realizzata con una qualità tra i 3000 ed i 5000 dpi. Va precisato che la misura della qualità delle stampe è valida per quelle in bianco e nero. Se vogliamo analizzare le stampe a colori dobbiamo considerare come parametro aggiuntivo la profondità in bit (da 8 a 24 bit) all’aumentare del valore avremo un aumento del numero dei colori (da 256 a 16 milioni di colori diversi). In questo modo avremo un aumento considerevole della sensazione di profondità per la stampa, ma la misura reale della qualità rimane legata principalmente alla sua risoluzione.
  • I dispositivi per l’acquisizione delle immagini (scanner): per questi dispositivi valgono quasi completamente le considerazioni appena fatte per le stampanti, la differenza più evidente e che alcuni dispositivi di acquisizione presentano un punto con le dimensioni diverse (non possiamo pensarlo come un quadrato ma come un rettangolo). In questo caso dovremo considerare sia la risoluzione orizzontale che quella verticale.

nel caso delle stampe con risoluzione asimmetrica (risoluzione orizzontale diversa da quella verticale) bisogna stare attenti per non avere delle immagini alterate dalla realtà

  • I monitor ed i televisori: lo schermo non può mostrare linee o disegni ma solamente punti; è quindi necessario fare la dimensione dei punti più piccoli del potere risolutivo dell’occhio umano in modo che l’osservatore veda la sequenza dei punti allineati come una unica retta. Il punto elementare dello schermo è detto pixel. I primi monitor avevano un formato VGA (640*480 pixel) la tecnologia attuale permette di commercializzare il formato 4K (4096*2160 pixel) e si sta provando ad utilizzare il formato 8K (7680*4320). Oltre al numero di pixel per un visore è importante avere un numero di quadri (singolo schermo) al secondo maggiore del tempo di persistenza dell’immagine sulla retina dell’occhio umano per avere una sensazione di movimento degli oggetti sullo schermo fluida.

confronto tra le dimensione degli standard per i dispositivi utilizzati per la visione

Se vediamo in ambito strettamente fotografico avremo:

  • La grana delle pellicole: in questo caso non avremo i singoli pixel ma la risoluzione è legata alla dimensione dei granuli di materiale fotosensibile depositati sul supporto. Analogamente ai sensori che possiedono diverse risoluzioni avremo la stessa varietà per la pellicola. Analizzando e confrontando alcuni tipi di sensori con la pellicola è stato trovato che la pellicola possiede una risoluzione equivalente che assume valori compresi tra i 4 ed i 16 Megapixel.
  • i sensori di acquisizione: in questo caso la risoluzione dipende dal numero dei singoli pixel che sono posizionati sulla superficie del sensore in rapporto alle dimensioni fisiche dello stesso. Come nel caso precedente i singoli punti vengono chiamati pixel. Un sensore con 5000 * 4000 pixel avrà in totale 20 Megapixel. Non va però assolutamente trascurata la dimensione fisica dei sensori che per quelli full frame di una fotocamera professionale è di 24*36 millimetri. Quelli da 1/2,3 di pollice, usati ad esempio usati con gli smartphone, avranno una dimensione di 6,16*4,6 millimetri. Risulta quindi evidente che la dimensione del sensore è molto importante per la risoluzione ma questa grandezza è scarsamente indicata dalle case costruttrici se non addirittura omessa. Alcune fotocamere aumentano con l’interpolazione digitale il numero dei pixel. Ovviamente le fotografie così prodotte hanno un numero elevato di Megapixel ma una qualità più bassa.

confronto tra le dimensione dei sensori di acquisizione di immagini

In generale la risoluzione di un immagine può essere aumentata a posteriori mediante un processo matematico di interpolazione che consentirà certamente di migliorare alcuni aspetti, ad esempio il contrasto o la resa cromatica, ma non comporta un aumento conseguente della qualità dell’immagine di partenza. Per questo motivo bisogna prestare la massima attenzione per ottenere una immagine di partenza con la risoluzione giusta per gli scopi che ci eravamo proposti. Anche la riduzione della risoluzione di un’immagine rispetto a quella acquisita comporterà delle approssimazioni. Possiamo affermare che qualunque software di elaborazione grafica avrà sicuramente dei pro ma inevitabilmente si presenteranno dei fattori di disturbo.

Grazie all’aumento della velocità dei computer l’elaborazione delle immagini è diventata economica e veloce. Esistono tantissimi software di fotoritocco ma un riferimento ormai universalmente riconosciuto è Photoshop. Questi programmi permettono di modificare l’immagine di partenza rendendola ad esempio più luminosa oppure, mediante un uso avanzato, di aggiungere parti all’immagine stessa (una persona in una vasca di pesci ad esempio) o di togliere parti (le macchine parcheggiate davanti ad un monumento).

Questi programmi utilizzano degli algoritmi matematici che possono lavorare su un solo pixel alla volta e modificarlo secondo gli scopi. Ad esempio l’operatore può fissare una soglia minima (sogliatura in inglese thresholding) per il valore del pixel ed il software, analizzando un pixel alla volta, modifica tutti quelli che non la rispettano mentre lascia invariati gli altri.

In alternativa esistono degli algoritmi che analizzano contemporaneamente non solo il valore del pixel ma anche i valori dei pixel che lo circondano. In questo modo si possono eliminare i disturbi gaussiani ed i disturbi casuali (shot noise).

Esistono anche tutta una serie di algoritmi molto più complessi che ci permettono di ottenere delle prestazioni elevate che non sarebbe possibile eseguire utilizzando le immagini analogiche. Possiamo citare la:

  • classificazione (classification): i programmi classificatori provvedono ad estrarre alcune caratteristiche etichettandole come tali
  • regressione (regression): in questo modo si possono ottenere delle curve partendo da una serie discreta di punti
  • estrazione di caratteristiche (feature extraction): quando si hanno dei dati ridondanti la prima operazione è trovare solo quelli necessari alle successive elaborazioni
  • riconoscimento di pattern (pattern recognition): consiste nell’analisi preliminare dei dati grezzi al fine di migliorare l’identificazione
  • riconoscimento dei contorni (edge detection): viene utilizzato per trovare e marcare i punti di una immagine dove viene riscontrato un brusco cambiamento di intensità luminosa
  • segmentazione (segmentation): è il processo di divisione delle immagini in regioni significative allo scopo di semplificarne la rappresentazione finale
  • aumento della risoluzione (super-resolution): si cerca di ottenerla attraverso la creazione di sotto-pixel tra quelli che realmente formano l’immagine. Esistono in questo caso algoritmi che lavorano utilizzano la frequenza ed altri lo spazio ma è molto difficile ottenere risultati significativi.

Infine sintetizzando quanto visto finora vogliamo capire in che modo viene usata la visualizzazione o la stampa della fotografia per gestirne la qualità. Questa è strettamente legata alla risoluzione dei vari dispositivi che abbiamo finora visto ma dipende fortemente anche da altri fattori.

Per poter proseguire abbiamo bisogno di definire con esattezza l’acutezza visiva. Un occhio umano riesce a distinguere sei linee per millimetro alla distanza di 25 centimetri; lo spessore mimino della riga di conseguenza dovrà essere di 0,16 millimetri (circa 0,2 mm). Però per vedere una riga come tale è necessario che sia presente uno spazio uguale alla riga stessa prima della successiva per un totale di 12 tra spazi e linee. Se vogliamo vedere contemporaneamente il maggior numero di linee possibili avremo la necessità di stampare in un millimetro 12 pixel, considerando che un pollice misura 25,4 millimetri dobbiamo stampare a 25,4*12 dpi cioè a 305 dpi. Questo valore viene arrotondato a 300 dpi che risulta il valore minimo di stampa che garantisce la visione ottimale.

la qualità necessaria ad avere una buona immagine a 25 centimetri di distanza è fissata a 300 ppi (dpi) dove avremo una acutezza visiva che vale 0,17 mm. All’aumentare della distanza di osservazione pur diminuendo la risoluzione dell’immagine la qualità rimane costante poiché aumenta l’acutezza visiva

Definiamo inoltre il circolo di confusione (misurato in mm) come il prodotto dell’acutezza visiva (mm) per la diagonale del sensore (mm) diviso la diagonale del formato di stampa (mm). Facciamo un esempio numerico: se vogliamo ingrandire la nostra stampa partendo da un sensore full frame, ad esempio la Canon 6D, al formato 46*30 centimetri avremo un fattore di ingrandimento di circa 12.5 volte che alla distanza di 25 centimetri necessiterà di 300 dpi, quindi il risultato sarà di buona qualità.

Se alla distanza convenzionale di 25 cm una fotografia viene stampata in formato 15×10 cm per avere una qualità accettabile dovrà essere stampata ad almeno la risoluzione di 300 dpi. La stessa immagine osservata da 250 cm di distanza dovrà essere ingrandita di almeno 10 volte (10x) mentre la risoluzione di stampa potrà essere ridotta a 30 dpi.

tabella che confronta la risoluzione con il formato più grande stampabile per una fissata qualità di stampa (dpi)

Possiamo concludere che la risoluzione è legata alla visione dell’occhio umano, alla distanza di osservazione e all’ingrandimento o alla dimensione della proiezione. Utilizzare risoluzioni maggiori di quella massima possibile per la vista binoculare (circa 600÷700 dpi a 25 cm) è assolutamente inutile.

In definitiva per avere una buona qualità sarà necessario, a prescindere da considerazioni economiche, di utilizzare apparati il più possibile professionali. Anche se secondo me la cosa più bella che si può trovare nella fotografia è il divertimento.

 

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE 10 (Ottobre) del 2016 nella rubrica di ALTA FOTOGRAFIA.

P.S. Visto il tempo trascorso dalla pubblicazione va precisato che l’impianto tecnico dell’articolo è sempre valido ma risulteranno poco attendibili le eventuali ricerche di mercato o le scansioni temporali dei prodotti fotografici citati nel medesimo.

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