Aumentare gli ISO non aumenta il RUMORE

Aumentare gli ISO non aumenta il rumore delle nostre fotografie. Aumentare gli ISO non porta più luce al sensore e no, aumentare gli ISO non aumenta la sensibilità del sensore fotografico. Tutte nozioni che, nonostante stiano lentamente scomparendo nel passato, talvolta ancora mi capita di sentirle insegnate e tramandate da fotografo a fotografo.

Esiste una credenza diffusa tra i fotografi che lega la qualità della nostra immagine, in particolar modo la percezione del rumore, alla regolazione ISO.

Così qualche anno fa realizzo un piccolo esperimento visivo per mostrare quanto, l’aumento degli ISO, non indica di per sé sull’aumento della percezione del disturbo sulle nostre fotografie.

Partiamo da qui:

Andiamo con ordine, definiamo il rapporto segnale/rumore, la natura degli ISO e analizziamo l’eventuale rapporto tra la visibilità del rumore nelle nostre fotografie e l’impostazione ISO.

Il rapporto segnale/rumore in un sensore ideale, dove consideriamo soltanto i fotoni utilizzati dalla scena che fotografiamo e il rumore fotonico, senza tenere quindi conto del rumore termico, del rumore di lettura, e di altri disturbi prodotti dal sensore, lo si può calcolare con una semplice formula: S/√S dove S rappresenta il nostro segnale. Il rilevamento di fotoni è un fenomeno probabilistico regolato dalla statistica di Poisson e in sensori fotografici ideali il nostro rumore sarebbe uguale alla radice quadrata del nostro segnale raccolto.

Va da sé che all’aumento dei tempi di esposizione il rumore “pesi” in proporzione sempre meno rispetto al segnale, determinando quindi un maggiore (o migliore) rapporto tra il segnale e il rumore.
Ho specificato per l’appunto che in condizioni reali esistono poi diverse altre componenti di disturbo che si aggiungono. Queste sono determinate dalle caratteristiche del nostro sensore, dalla temperatura operativa e da altre condizioni. Questi argomenti saranno approfonditi in altri articoli. Presa per buona una comprensione semplice e in condizioni ideali di che cosa determini il nostro SNR (Signal to Noise Ratio), gli ISO che ruolo giocano?

Sappiamo che il rapporto tra il segnale (il materiale “buono” raccolto dalla scena, la parte che ci interessa fotografare) e il rumore che disturberà la nostra immagine è legato al tempo. L’esposizione però da sola non basta, contano anche altre caratteristiche del “sistema”. La dimensione dei pixel del sensore, efficienza quantica (cioè la sensibilità del sensore), il diametro dell’ottica, la trasmittanza delle lenti. Tutto quello in sostanza che può variare la quantità di fotoni che raggiungono il sensore e la quantità massima di luce che il nostro sensore sarà poi in grado di utilizzare per creare l’immagine.

Gli ISO svolgono a questo punto un ruolo specifico: amplificano un prodotto che è già un rapporto tra il segnale (la parte buona) e l’insieme dei disturbi (la parte indesiderata). Ci permettono di cambiare il modo in cui la nostra informazione verrà registrata, certo, ma questo sarebbe un secondo argomento che lascio da parte per non complicare questo articolo. Nel nostro caso a noi interessa sapere che gli ISO, in quando amplificazione digitare “a valle”, non cambiano la quantità di luce che arriva al sensore.

Gli ISO non variano il nostro rapporto tra il segnale e il rumore. Alzare gli ISO non significa aumentare la luce in ingresso, ma amplificare il segnale in uscita dal sensore. Gli ISO non sono direttamente legati all’incremento del rumore.

E da qui nell’autunno 2019 inizio a preparare diverse prove fotografiche che oggi fanno parte dei miei corsi di fotografia teorica e dei seminari dedicati alla comprensione delle proprietà dell’immagine digitale. Rispetto all’immagine iniziale, dove in buona fede saremmo portati a pensare che l’aumento degli ISO vada effettivamente a deteriorare la qualità della nostra immagine, ho realizzato questo primo esperimento.

Stanza buia, soggetto fotografico a circa due metri, lente da 70 mm impostata a f/2.8.

Regolo gli ISO a 3200 e trovo l’esposizione che mi permette di avere un istogramma corretto. Successivamente ho realizzato una serie di scatti variando ESCLUSIVAMENTE il valore ISO, senza adeguare il tempo di posa, modificare il diaframma, la focale o qualsiasi altro parametro.

Ottenendo quindi immagini meno esposte (con valori sotto i 3200 ISO) e più esposte (con valori oltre i 3200 ISO), ho adeguato visivamente le immagini nell’ambiente di pre-sviluppo di Adobe Lightroom (Sviluppo Rapido nella libreria) dove è possibile applicare degli stop al nostro negativo digitale. L’obiettivo in questo caso era ottenere la stessa luminosità per poter confrontare visivamente le immagini e valutarne solo il rumore percepito, la qualità dei dettagli e complessivamente dell’immagine.

Ecco il risultato:

Qui parte la sfida: riuscire a distinguere le due immagini in assenza di una descrizione che le qualifichi. Il rumore presente in queste due fotografie appare pressoché identico, nonostante un primo scatto realizzato a 800 ISO e un secondo a 12800 ISO. Come potete notare dai dati di scatto, gli altri parametri sono rimasti identici, così come le condizioni di luce del set.

Un secondo confronto interessante che potrà farci fare qualche considerazione è espresso nella seguente fotografia:

Ecco una contro prova che sembra convincente. Qui ho mantenuto invariata l’impostazione ISO a 12800, ma indovinate cosa ha determinato un considerevole degrado di qualità nell’immagine di sinistra?

Il tempo di esposizione. Variando il tempo di esposizione ho cambiato la quantità di luce raccolta, agendo sul rapporto SNR, ovvero la quantità di luce raccolta in relazione all’insieme dei disturbi. Diciamolo una volta di più: aumentare gli ISO non aumenta di per sé il rumore.

Questa immagine ci racconta molto, normalmente saremmo anche portati a pensare che sia il rumore termico a determinare sempre in modo maggiore la quantità di rumore presente nelle nostre immagini. Quindi tanto più esporremo e tanto più rumore avremo sulle nostre fotografie. In realtà una relazione molto forte è espressa dalla divisione del nostro segnale raccolto per la radice di sé stesso, dove all’aumento dei tempi di esposizione il rumore avrà sempre meno peso sul risultato finale.

Seguendo questa idea ho realizzato nei mesi successivi altro materiale per sfatare una volta di più uno dei tanti miti della fotografia digitale che ancora oggi viene replicato e tramandato.

Anche in queste due prove potete comprendere come la qualità percepita sia determinata dagli elementi che possono variare la quantità di luce che raccogliamo. Che si parli di esposizione o di apertura, poco cambia, ma ciò che non determina un aumento diretto del rumore nelle nostre fotografie è proprio l’impostazione ISO.

Ok, aumentare gli ISO non aumenta il rumore, ma a questo punto la domanda che dovreste farvi è: ma quindi perché non scattare sempre ad ISO molto elevati, se il mio rumore non varia?

Chiariamo bene una cosa: variare gli ISO non significa variare la sensibilità del sensore. All’aumento del valore ISO però varia qualcosa che determina un cambiamento sulla dinamica finale della nostra immagine, la quantità di sfumature che riusciremo a digitalizzare. Nello specifico variare gli ISO significa variare il modo in cui andremo a “contare” il dato registrato. All’aumento degli ISO andiamo a rappresentare in un modo sempre più stretto e approssimato i nostri dati e di conseguenza otterremo sempre meno distinzioni tonali. L’aumento ISO cambia l’intervallo di digitalizzazione del segnale, soluzione utile talvolta in condizioni di scarsissima luminosità ma a discapito della dinamica complessiva.

Con i sensori moderni c’è un po’ di caos nel comprendere esattamente il comportamento della dinamica al variare degli ISO. Oggi abbiamo sensori ISO INVARIANTE, abbiamo sensori DUAL NATIVE ISO, tutti sistemi differenti che vanno capiti per permetterci di sfruttare al meglio il nostro sensore in qualsiasi condizione. Se vogliamo provare a generalizzare una spiegazione possiamo dire questo: avrete una soglia ISO entro la quale la diminuzione di dinamica sarà tollerabile e quindi potrete sfruttare gli ISO per registrare meglio il segnale che vi interessa e contenere i tempi di posa entro limiti che non potete superare, per via dell’inseguimento, se parliamo di astrofotografia, o dell’eccessivo aumento del rumore termico, ad esempio. Esistono però valori particolarmente elevati che sarà sempre meglio non raggiungere per non perdere troppa dinamica.

Tiriamo le somme di questo articolo in un’ultima prova.

Qui valuterete non soltanto come gli ISO non abbiano un ruolo diretto nell’aumento del rumore, ma anche come la variazione (in questo caso) dell’esposizione determini una registrazione completamente differente della scena. Guardate la riga superiore. Al variare dell’esposizione non cambia soltanto la percezione del rumore, ma, se osservate anche l’istogramma, noterete anche una differenza dei dettagli registrati. Man mano che vi spostate verso destra avrete un degrado sempre maggiore, confermato anche dall’istogramma relativo che presenta movimenti sempre meno scolpiti, questo accade anche nella riga inferiore, dove ho variato esclusivamente il valore ISO.

Il discorso risulterà banale ai più esperti, ma potrebbe aiutare altri a comprendere meglio le proprietà dell’immagine digitale e a sfatare un grande mito della fotografia digitale: aumentare gli ISO non aumenta il RUMORE!

Promemoria finale: ISO = Gain!

Alla prossima!