Dalla acquisizione di immagini in laboratorio alla misura di qualità del colore restituito dalla gamma Reflex DSLR Nikon secondo gli standard ICC. Un viaggio dalle sensibilità spettrali dei sensori Nikon FX e DX alla colorimetria standard.
La carta di identità di una fotocamera: le curve di sensibilità spettrale
Dunque così come la retina è dotata di sensori specializzati nei tre colori che rappresentano una suddivisione dello spettro visibile in tre bande di larghezza simile, in un sensore al silicio (es. CMOS), i pixel del sensore stesso sono specializzati nella cattura selettiva del colore attraverso micro filtri ottici che nel loro complesso formano la matrice di Bayer. Continuando l'analogia vediamo ora come varia la sensibilità dei pixel nel rosso, verde e blu, al variare della lunghezza d'onda tra i 400 ed i 700 nanometri: le curve di sensibilità spettrale.
LA MISURA DELLA SENSIBILITÀ SPETTRALE DI UNA FOTOCAMERA
La misura della sensibilità di un dispositivo (nel nostro caso la fotocamera) si ottiene sempre inviando al dispositivo un segnale di cui sia nota l'energia, e rilevando la risposta del dispositivo stesso. Il rapporto tra i due valori fornisce la sensibilità del dispositivo, ovvero come e quanto il dispositivo reagisce ad uno stimolo esterno variabile. Semplificando, nel caso delle fotocamere queste vengono esposte ad una luce con spettro di emissione noto, si fa uno scatto e si leggono i valori digitali nell'immagine ottenuta. Se vogliamo misurare la sensibilità della fotocamera alle varie lunghezze d'onda, sarà sufficiente esporre il sensore ad una serie di illuminazioni a banda stretta centrate su lunghezze d'onda variabili e rilevare per ogni banda i valori digitali registrati. Entrare nel dettaglio di questa misura, qui molto semplificata, è fuori dello scopo di questa pubblicazione eXperience, e chi fosse interessato a misure analoghe può scrivere agli autori attraverso l'area contatti del sito Profilocolore. Abbiamo quindi messo sul nostro banco di misura le fotocamere Reflex Nikon D4, D800, D800E, D610, D600, D7100, D5300, D5200, D3200 e la compatta COOLPIX P7800.
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Fotocamere esaminate
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Sequenza stimoli a banda stretta
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Sequenza di spettri di emissione con cui sono state calcolate le sensibilità spettrali delle fotocamere esaminate. La sensibilità si ottiene come rapporto tra i digital values forniti dalla fotocamera e l'energia a banda stretta con cui si è stimolato il sensore, dopo normalizzazione rispetto alla superficie del pixel. I digital value sono quelli normalizzati rispetto ad una esposizione equivalente per tutti i modelli di 800 ISO 1/60 di secondo ed f/2.8
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Ciascuna fotocamera è stata esposta alla stessa sequenza di illuminazioni a banda stretta ottimizzando l'esposizione per ottenere immagini sempre nei limiti della dinamica, ovvero senza saturazioni verso il nero o verso il bianco. Nei grafici i valori di sensibilità sono stati normalizzati rispetto ad una esposizione equivalente di 800 ISO, 1/60 di secondo ad apertura f/2.8 ed anche rispetto alla effettiva area del singolo pixel. Ne sono risultate le seguenti sensibilità spettrali relative normalizzate.
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Sensibilità spettrale D4
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Sensibilità spettrale D800/D800E
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Sensibilità spettrale D600
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Sensibilità spettrale D610
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Sensibilità spettrale D7100
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Sensibilità spettrale D5200
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Sensibilità spettrale D5300
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Sensibilità spettrale D3200
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Sensibilità spettrale COOLPIX P7800
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L'andamento delle curve di sensibilità spettrale è la combinazione della sensibilità del sensore al silicio e della trasmittanza spettrale dei filtri della matrice di Bayer. Quando una fotocamera “vede” uno spettro, lo trasforma in tre numeri, RGB, i cui valori dipendono fondamentalmente dalla forma delle curve di sensibilità. Due fotocamere che riprendano la stessa scena, o la stessa superficie colorata, assegneranno agli stessi punti della scena valori RGB diversi anche nelle stesse identiche condizioni di esposizione ed illuminazione perché avranno curve di sensibilità spettrale diverse. Inoltre queste terne RGB saranno in generale molto diverse dalle terne colorimetriche XYZ che la colorimetria CIE '31 assegnerebbe agli stessi colori.
Curve di sensibilità standard (CMF) e diagramma di cromaticità nello spazio x,y
Per dare una valutazione di una fotocamera a partire dalle sue curve di sensibilità è necessario fare un ulteriore passo avanti nella analisi della curve di sensibilità della colorimetria standard, le CMF. In particolare dobbiamo immaginare una luce monocromatica la cui lunghezza d'onda possa variare dall'estremo rosso percepibile dall'occhio umano all'estremo blu (come una fessura molto sottile che scorresse lungo l'arcobaleno isolandone un solo “colore” alla volta). Ogni lunghezza d'onda, pesata con le CMF, darà luogo ad una terna XYZ e di conseguenza identificherà un punto Q nello spazio colorimetrico XYZ. Se fissiamo un triangolo (equilatero) con vertici coincidenti con il valore 1 di ciascun asse, e calcoliamo le coordinate colorimetriche di un generico colore e quindi il punto Q identificato dalle coordinate XYZ, la linea che unisce l'origine degli assi con il punto Q passerà attraverso il triangolo in un certo punto q.
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Spazio XYZ
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Diagramma cromaticità in xyz dentro XYZ
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Spazio colorimetrico XYZ e piano normalizzato xyz (triangolo).
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Piano normalizzato: coordinate di cromaticità xyz corrispondenti alle coordinate colorimetriche XYZ.
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Ad ogni punto XYZ corrisponderà quindi un punto xyz sul piano del triangolo citato. Le coordinate xyz avranno i valori:
x = X/(X+Y+Z)
y = Y/(X+Y+Z)
z = Z/(X+Y+Z)
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Diagramma di cromaticità xy
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Rappresentazione a colori del diagramma di cromaticità.
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I valori XYZ sono le coordinate colorimetriche mentre xyz sono le coordinate cromatiche. La differenza tra i due sistemi è che le coordinate cromatiche non tengono conto della intensità dello stimolo ma solo del colore. Facendo quindi variare una luce monocromatica dal rosso al blu e segnando i punti corrispondenti sul triangolo si ottiene una forma simile ad un triangolo con i vertici arrotondati, inscritto nel triangolo del piano xyz. Per come sono costruite le coordinate cromatiche, una volta noto il valore di due di esse, la terza è fissata, perché esiste una relazione che le lega, cioè la loro somma è sempre pari ad uno.
x + y + z = 1
Se quindi “schiacciamo” l'asse Z e guardiamo la proiezione dei punti xyz solo sul piano xy, non togliamo niente alle informazioni che ci danno le coordinate cromatiche. Il triangolo equilatero di prima diventerà un triangolo isoscele con due lati di lunghezza 1, e la figura a triangolo smussato di prima risulterà completamente contenuta in questo nuovo triangolo, assumendo una forma che ricorda una vela. Questo viene chiamato diagramma di cromaticità, e per come è stato costruito (a partire dalle curve standard di sensibilità della colorimetria) rappresenta tutta l'estensione cromatica cui il nostro occhio è sensibile. Il Diagramma di Cromaticità rappresenta quindi tutti i colori che l'occhio è in grado di vedere (a prescindere dalla intensità). Qualsiasi spettro nel visibile può essere pesato con le CMF, avere assegnate le coordinate colorimetriche XYZ, ed essere rappresentato nel diagramma di cromaticità da un punto xy.
Metamerismo ed immagini sintetiche
Va sottolineata a questo punto una questione fondamentale: per rappresentare uno spettro qualsiasi sono necessari moltissimi valori, ad esempio un valore ogni nanometro, perché uno spettro in natura è una distribuzione continua di energia. La colorimetria assegna ad un tale spettro solo tre valori (XYZ) per identificarlo, ed opera in questo modo perché è derivata dalla fisiologia dell'occhio. Il ridurre a tre valori una misura che ne richiederebbe un numero elevatissimo ha come conseguenza il fatto che non può esistere una corrispondenza biunivoca tra spettri e coordinate colorimetriche. Ovvero mentre ad uno spettro corrisponderà una ben precisa terna colorimetrica, ad una terna colorimetrica potranno corrispondere moltissimi spettri diversi. Questo fenomeno cui è intrinsecamente soggetto il nostro occhio viene chiamato metamerismo. Nelle due figure che seguono viene mostrato come differenti spettri di riflettanza (curva magenta in basso a destra) con illuminante D65 (curva celeste), diano luogo alla stessa percezione di colore (tacche di colore in sRGB nelle finestre piccole e crocetta nera nel diagramma di cromaticità).
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Metamerismo: spettri diversi danno luogo alle stesse coordinate cromatiche
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Primo spettro metamerico (curva magenta) con illuminante D65
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Secondo spettro metamerico (curva magenta) con illuminante D65
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La natura ed in particolare l'evoluzione darwiniana, si muove sempre lungo percorsi “economici”, cioè con minimo dispendio di risorse, e tutto quello che è superfluo o non si sviluppa o si atrofizza. Non tutte le specie vedono la luce attraverso tre canali di colore come noi. Le specie che vivono nelle profondità del mare, ad esempio, hanno sviluppato un unico canale di colore sensibile allo spettro della luce blu verdognola, che è l'unica che filtra fino alle alte profondità dove queste specie vivono. Ai fini dell'adattamento all'ambiente e della sopravvivenza, nel caso dell'uomo e dei primati, tre canali di colore sono la soluzione migliore. In realtà quello che sembra un limite (impossibilità di distinguere due spettri che abbiano stessa colorimetria) diventa un vantaggio perché è solo grazie a questo fenomeno che possiamo recepire, ad esempio da un monitor video, una grande varietà di colori che in realtà sono prodotti come combinazione di soli tre colori primari (rosso, verde e blu) di cui è composto ogni elemento del monitor stesso. La stessa cosa succede nella stampa, dove con soli tre colori (ciano, magenta e giallo, con il nero che serve solo per migliorare il contrasto) siamo in grado di fornire all'occhio lo stimolo equivalente ad una ampia gamma di colori diversi.
