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Il rumore nella fotografia digitale

Uno dei "nemici" più insidiosi dei fotografi che operano con attrezzature digitali è sicuramente il rumore: in questo articolo cercheremo di classificarlo secondo le principali caratteristiche e capiremo come ridurlo in fase di scatto e post-produzione.

Luminanza e crominanza

Iniziamo dicendo che le componenti fondamentali del rumore, quelle che contribuiscono a farcelo percepire così fastidioso quando guardiamo una foto, sono due: il rumore di luminanza e quello di crominanza. Il primo ha un impatto visivo analogo alla grana della pellicola ed è dovuto alla variazione di intensità luminosa registrata dai singoli fotositi pur se colpiti dalla stessa quantità di luce. Il rumore di crominanza è invece da imputare a un'errata interpolazione del colore di un pixel (o di una zona).

Il rumore di luminanza si manifesta principalmente quando vengono aumentati i valori ISO del sensore: ogni supporto ha infatti una sensibilità nativa (generalmente 100 o 200 ISO) alla quale il rapporto rumore/segnale è estremamente ridotto. Aumentando gli ISO, per ottenere lo stesso livello di luminosità finale (esposizione) le informazioni registrate devono essere amplificate, di conseguenza a parità di segnale ottenuto (già amplificato) il rumore aumenta e con lui anche il suo rapporto con il segnale. Tutto ciò origina via via un effetto granuloso sempre più marcato.

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Il rumore di crominanza risulta più evidente invece quando si effettuano lunghe esposizioni (di secondi o minuti) in quanto è fortemente influenzato dalle variazioni di temperatura del sensore. Si manifesta con singoli pixel, oppure zone più estese, dove la colorazione non è quella reale ma appare alterata: è molto fastidioso specialmente quando assume le tonalità del giallo e del verde che sono quelle percepite di più del nostro occhio.

Per mettere a confronto la comparsa delle due componenti appena illustrate, sono state predisposte due serie di fotografie: nella prima viene tenuto costante il tempo di scatto e, con l'ausilio di filtri ND per variare la quantità di luce che raggiunge il sensore, vengono modificati i valori della sensibilità (ISO). Lo scopo di questa prima prova è evidenziare il rumore di luminanza dovuto all'amplificazione del segnale. Analizzando i seguenti crop dei risultati si può verificare l'evoluzione del rumore nelle zone di dettaglio e nelle zone uniformi (sfocate).

luminanza 100ISO luminanza 800ISO luminanza 3200ISO

sensibilità 100ISO

sensibilità 800ISO

sensibilità 3200ISO

Le condizioni di scarsa luminosità fanno in modo che già a 100ISO sia presente un po' di disturbo, questo però non deve condizionarci in quanto l'obiettivo della prova è analizzare in maniera qualitativa l'incremento del rumore in relazione alla sensibilità del sensore. Di fatto, a 800ISO appare già evidente una texture granulosa che, dove sovrapposta alle zone uniformi del fotogramma, inizia a creare un significativo disturbo all'occhio dell'osservatore. Forzando ancora di più le funzionalità della fotocamera, a 3200ISO (sensibilità massima per questo modello), la situazione peggiora considerevolmente: la grana (rumore di luminanza) si fa più evidente e compare anche un discreto rumore di crominanza sulle tonalità del verde.

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Riassumendo si può concludere che il rumore di luminanza appare in maniera sempre più aggressiva aumentando la sensibilità del sensore e risulta più evidente nelle aree sottoesposte e dalle tonalità uniformi, mentre si nota meno nelle zone di dettaglio.

Viene effettuata una prova analoga per testare la comparsa del rumore di crominanza. Questa volta viene però lasciato costante il valore della sensibilità e viene allungato il tempo di scatto sempre mediante l'uso di filtri ND, per ciascuno dei tre scatti effettuati, viene proposto un crop dove è presente una zona di dettaglio insieme a un'area omogenea. Mentre nella prova precedente gran parte del rumore evidenziato si caratterizzava come grana ora compaiono alterazioni al colore di alcune zone.

crominanza 1/20s crominanza 0,4s crominanza 1,6s

tempo 1/20s

tempo 0,4s

tempo 1,6s

Nella prima immagine è già presente un po' di rumore di crominanza solo sul canale verde, aumentando il tempo di esposizione appare anche sul canale rosso (si nota principalmente nell'area scura in basso a destra). Spingendoci oltre (la terza foto è scattata con circa 5 stop di differenza) il rumore di crominanza si fa sempre più evidente e si manifesta anche sulle zone di dettaglio maggiormente sottoesposte pregiudicandone la leggibilità. Restano più pulite invece le zone chiare della fotografia.

Hot pixel
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Un ulteriore fenomeno che si manifesta quando si effettuano esposizioni prolungate nel tempo è la comparsa degli hot pixel. Essi catturano subito l'attenzione dell'osservatore in quanto sono punti completamente rossi, blu o verdi. Possiamo vederli come fotositi "impazziti" che non registrano più il reale livello di luminosità di un colore ma gli assegnano il valore massimo poiché troppo sollecitati da un punto di vista elettrico. La causa è da ricercare nelle lunghe esposizioni che surriscaldano il sensore.

Pur essendo fastidiosissimi è possibile rimuoverli in maniera molto semplice in post-produzione, in quanto punti isolati, con il timbro clone o con un pennello correttivo. A ogni modo, la maggioranza dei Raw-converter li individua in automatico e, in fase di interpretazione del Raw, li sostituisce mediando i valori dei fotositi adiacenti in modo da ottenere un'immagine pulita da elaborare.

Come ridurre il rumore

Una volta studiate le cause del rumore, il miglior modo per cercare di limitare la sua incidenza sulle nostre fotografie è sicuramente applicare alcuni accorgimenti in fase di scatto.

Come abbiamo visto nella prima prova, limitare l'uso di valori ISO molto alti è sicuramente un espediente, quando possibile, per evitare il rumore di luminanza. Per quanto riguarda il rumore di crominanza dovuto alle lunghe esposizioni, le moderne reflex sono quasi tutte dotate di una procedura denominata Riduzione rumore per lunghe esposizioni. In genere è attivabile nelle impostazioni avanzate o personalizzate e consiste nello scatto automatico di un dark frame in successione alla normale fotografia. Il dark frame è la registrazione delle informazioni del sensore, effettuata a otturatore completamente chiuso, per un tempo pari a quello di scatto: in questo modo è possibile memorizzare le alterazioni cromatiche su un fotogramma completamente nero per sottrarle allo scatto originale e ottenere un risultato indubbiamente più pulito. Ovviamente questo espediente non azzera il rumore nell'immagine finale ma lo limita considerevolmente e individua quasi tutti gli hot pixel, unico inconveniente: la fotocamera rimane inutilizzabile per un tempo pari a quello di scatto (per fotografie di parecchi minuti è sicuramente un aspetto da tenere in considerazione).

Un ultimo consiglio da applicare in fase di ripresa riguarda sovraesporre leggermente il fotogramma prestando però la massima attenzione a non bruciare i bianchi e a non perdere irrimediabilmente i loro dettagli (esposizione a destra): il rumore infatti è più evidente nelle zone sottoesposte, di conseguenza può essere utile registrare una foto con istogramma spostato verso le luci per poi scurirla in post-produzione.

Se, nonostante le attenzioni riposte sul campo, il risultato non ci soddisfa dobbiamo ricordarci che esistono utilissimi strumenti di fotoritocco per rimediare in parte al problema.
Per prima cosa, ogni programma di post-produzione ha uno strumento di riduzione del rumore, in genere è possibile regolare l'intensità o il raggio della sfocatura per ottenere il miglior risultato possibile. Tale procedimento ha però un prezzo da pagare: la perdita del dettaglio che viene scambiato dal software anch'esso per disturbo. Per questo motivo non è possibile eliminare totalmente il rumore ma bisogna trovare un compromesso.

Esistono anche software dedicati alla rimozione del rumore, essi sono in genere più sofisticati e portano a risultati migliori degli strumenti standard dei programmi di fotoritocco: in genere dispongono di una procedura differenziata per il rumore di luminanza e quello di crominanza per adattarsi a ogni specifica situazione. I due software più utilizzati (a pagamento), disponibili anche come plugin per Photoshop, sono Noise Ninja e Neat Image.

Un ultimo trucco per limitare il rumore di luminanza quando non è possibile ridurre il valore ISO dello scatto è quello di acquisire svariati fotogrammi identici e di mediarli in post-produzione con l'uso dei livelli regolandone l'opacità in maniera opportuna. Data la casualità del pattern del rumore di luminanza, il risultato sarà l'attenuazione dello stesso: maggiore è il numero di foto a disposizione più, ovviamente, questa tecnica risulta efficace.

Rimozione selettiva del rumore
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Come abbiamo visto nella sezione precedente, il rumore può essere potenzialmente eliminato in post-produzione con appositi strumenti o filtri: il problema è la grossa perdita di dettaglio in caso di interventi molto marcati. D'altro canto abbiamo anche constatato che il rumore appare molto evidente nelle aree prive di dettaglio e indubbiamente meno nelle altre. È possibile, dunque, limitare l'elaborazione alle sole zone omogenee e sfocate (tipicamente lo sfondo), lasciando inalterato il soggetto dove il rumore non è particolarmente fastidioso? Ovviamente sì, utilizzando i livelli e le maschere di livello come illustrato in questo breve tutorial.

Si parte dall'immagine originale (il livello Soggetto) e se ne crea un duplicato (il livello Sfondo). A questo punto si seleziona il nuovo livello creato e si effettua una pesante riduzione del rumore su di esso senza preoccuparsi troppo della perdita di dettaglio sul primo piano (in questo caso della foglia). Tale intervento può ovviamente essere fatto con uno qualsiasi degli strumenti illustrati in precedenza ma, per la sua semplicità e proprio perché non è necessaria una lavorazione fine e precisa, consiglio di utilizzare lo strumento di default del vostro software di post-produzione.
A questo punto abbiamo ottenuto un livello con pochissimo dettaglio sul soggetto ma con uno sfondo ripulito dal rumore, non ci resta che combinarlo in maniera appropriata con l'altro dove tutti i dettagli sono rimasti inalterati. Si assegna una maschera di livello opaca (in Photoshop Layer > Layer Mask > Hide all) al livello sfocato: a questo punto sarà tornata visibile l'immagine originale. Infine, con un pennello bianco di appropriate dimensioni, si dipinge la maschera di livello fino a far emergere tutto lo sfondo pulito. Bisogna solamente prestare attenzione a non utilizzare un pennello troppo duro e piccolo per non creare distacchi netti ma comunque che ci consenta di lavorare in maniera abbastanza precisa.

foto originale foto elaborata

Il risultato che si ottiene è decisamente efficace: un'immagine con uno sfondo omogeneo e gradevole nella quale il rumore resta confinato alle zone di dettaglio, dove di per sé è poco fastidioso.

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