Come ridurre il rumore nelle fotografie digitali scattate ad alti ISO

in News, Tutorial di Raffaele Cabras — 30 giugno 2010 | 19 Commenti |Visite: 4124

Oggi vi parlerò di una tecnica molto efficace per ridurre il rumore nelle nostre foto quando utilizziamo alte sensibilità ISO durante gli scatti: il metodo della media!

Quando ho visto il risultato di questa tecnica sono rimasto sbalordito e spero di stupire anche  voi

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Spesso scattare con alte sensibilità ISO è una scelta obbligata: magari una foto alla sera o una sportiva in cui ci occorre un tempo di scatto brevissimo per congelare il movimento.

Nikon ha fatto miracoli con la D3 che  ha ottime prestazioni ad alti ISO al punto da rendere utilizzabile una foto acquisita alla bellezza di 12.800 ISO quindi, nel caso in cui non la possedeste, questo articolo potrà tornarvi utile.

Nel video qui sotto potete vedere come applicare la tecnica della media. Il tutto si basa sullo sfruttamento della proprietà statistica del rumore di avere media nulla. Questo significa che se prendiamo un numero sufficiente di immagini acquisite dalla stessa posizione e ne facciamo la media, il rumore nella foto risultante tenderà a zero. Questo è tanto più vero quante più immagini utilizziamo.  Per rendersi conto della casualità del rumore è sufficiente osservare un paio di foto scattate dalla stessa posizione utilizzando alti ISO per osservare che i pixel del rumore sono distribuiti in maniera casuale tra le foto.

Ma da dove arriva il rumore delle fotografie digitali?

Semplificando, possiamo dire che il sensore  (CCD o CMOS -> qui una comparazione) non è altro che una griglia di fotorecettori che si occupano di trasformare l’energia luminosa in un segnale elettrico: gli elettroni generati all’interno di un sensore dai fotoni incidenti vengono raccolti da opportuni circuiti digitali che  semplicemente li contano, misurando così la quantità di luce che attraversa l’obiettivo. Tali segnali elettrici vengono poi campionati e ridotti ad una sequenza di bit che rappresenta i colori e i toni della scena immortalata.

La principale causa del rumore è l’agitazione termica, fenomeno in grado di alterare il numero di elettroni che vengono misurati dal sensore e che quindi comporta un’errata interpretazione del colore e della luminosità in fase di campionamento: si avranno pertanto pixel di diverso colore, o tutti bianchi o tutti neri. A ciò va aggiunto il naturale rumore ambientale e il rumore di campionamento, ossia l’errore introdotto dalla risoluzione finita del sistema di acquisizione.

Potremmo definire la sensibilità ISO minima impostabile nelle fotocamere (generalmente 100-200 ISO) come la sensibilità “standard”, ossia quella che permette al sistema di acquisizione di lavorare nelle migliori condizioni. Oltre questa sensibilità interviene una certa amplificazione del segnale che comporta la generazione di segnali spuri i quali non verranno correttamente campionati. In pratica quando la luce è veramente poca è come se stessimo parlando di un segnale talmente basso che si confonde col rumore ambientale, quindi anche se lo amplifichiamo non miglioriamo la situazione ed abbiamo solo tanto rumore.

La dimensione dei sensori, e quindi dei fototransistor, è critica per la riduzione del rumore: un fototransistor più è grande più riceve luce e quindi occorrerà minore amplificazione. Questo effetto è molto evidente se confrontiamo le prestazioni di una fotocamera con sensore full-frame come la Nikon D3 o la D700 (equivalenti alla pellicola 35 mm) con quelle di una fotocamera equipaggiata con un sensore ridotto a 23mm, come la D300, e ancora con quelle di una fotocamera compatta (5-7 mm). Si vedrà un rumore elevatissimo già a 800 ISO sulla fotocamera compatta, molto minore sulla D300 e quasi indistinguibile sulla D3, che con il suo sensore molto grande ha delle ottime prestazioni.

Come possiamo ridurre il rumore agli alti ISO?

Ma come facciamo quindi a ridurre il rumore?

Qualche software ci viene in aiuto! Sono disponibili sul mercato diversi programmi specializzati nella riduzione del rumore che fondamentalmente sostituiscono i pixel “rumorosi” con la media dei pixel nel loro intorno, oppure utilizzano tecniche più raffinate che prevedono la trasformata wavelet (ad esempio questo plugin per Gimp oppure Pure Image). Tra i più conosciuti programmi di terze parti che consentono di ridurre notevolmente i disturbi dovuti agli alti ISO troviamo Dfine, Neat Image, Topaz DeNoise e Noiseware.

Photoshop CS4 già presentava nel modulo Camera Raw una funzione per la riduzione del rumore, ma i suoi risultati erano tutt’altro che soddisfacenti, così si era costretti a spendere qualche soldo per acquistare uno dei programmi che ho elencato qui sopra.

Con Photoshop CS5 le cose sono però cambiate. Adobe si è impegnata a migliorare notevolmente lo strumento di riduzione del rumore, consentendo di raggiungere dei risultati ottimi. Osservate le due immagini qui sotto per vedere subito la differenza: gli snapshot raffigurano la stessa immagine, scattata a 6400 ISO con una Nikon D300 (salvata in formato Raw), con le correzioni applicate di default da Camera Raw versione 5.0 (in Photoshop CS4) e da Camera Raw versione 6.0 (in Photoshop CS5).

La differenza è netta: notate come la nuova versione di Camera Raw riesca ad eliminare in maniera egregia i pixel “colorati” che rimangono invece presenti e non eliminabili nella vecchia versione, anche agendo sui controlli dello strumento. Anche il rumore “salt and pepper” è stato ridotto, anche se l’immagine, con queste impostazioni di default applicate a qualsiasi immagine aperta in Camera Raw, non è ancora perfetta.

La differenza è molto evidente, segno del grande miglioramento effettuato dagli sviluppatori Adobe.

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La maggior parte dei plugin per la riduzione del rumore che vi ho segnalato qui sopra non lavorano direttamente sulle immagini in formato RAW, nel qual caso sarà necessario prima passare per Camera Raw. La migliore elaborazione di base effettuata da Camera Raw 6 rispetto alla sua versione precedente comporta anche migliori risultati di questi programmi, dato che l’immagine su cui vengono applicati ha già subito una riduzione drastica del rumore.

A fine pagina troverete una comparazione dei risultati di riduzione del rumore ottenuti con Photoshop, alcuni dei programmi elencati e la tecnica della media che vedremo ora nel dettaglio.

Come applicare il metodo della media per ridurre il rumore – video tutorial

Questa tecnica è molto utile nel caso in cui dobbiate scattare in condizioni di luce molto scarsa (la notte per esempio) quando utilizzare alti ISO comporta un elevato rumore nella fotografia. La tecnica torna utile anche per eliminare la pioggia dai nostri scatti, anche se l’unico motivo che mi viene in mente per cui potrei farlo è quello di cercare di ottenere un’immagine più nitida da un video di una telecamera di sorveglianza (fissa) sotto la pioggia (considerando la pioggia come rumore casuale e i frame del video come scatti consecutivi).

Per poter applicare questa correzione è necessario scattare una sequenza di 9-10 fotografie (più sono meglio è) dalla stessa posizione, utilizzando un cavalletto ed il cavo di scatto remoto (oppure l’autoscatto). L’idea, come accennato ad inizio articolo, è quella di computare la media della sequenza degli scatti per annullare il rumore. Per farlo in Photoshop è necessario unire le foto in un unico stack dopodiché è possbile calcolare la media e si rimane stupiti

Nel seguente video tutorial potete vedere nei dettagli come applicare la tecnica della media. In questo caso ho utilizzato 10 fotografie scattate a 6400 ISO con una Nikon D300 (vedi specifiche tecniche della fotocamera).

Per vedere il video alla massima risoluzione in qualità HD cliccate direttamente su “watch this video in High Definition“.

PS: scusate i rumori di sottofondo, la ventola del PC fa un bel casino

Confronto tra i programmi più diffusi per la riduzione del rumore

Ora che abbiamo visto come applicare la tecnica della media e preso atto dell’esistenza di diversi software per la riduzione del rumore vediamo come si comportano e mettiamoli a confronto!

Le seguenti miniature (cliccateci sopra per ingrandirle) mostrano i risultati delle riduzioni del rumore applicate all’immagine “originale”: la foto è stata salvata in formato RAW e si rende perciò necessario, prima di applicare i diversi programmi, aprirla in Camera Raw per poi passare a Photoshop.

La prima, come dice il testo abbastanza esplicativo, è l’immagine “originale” aperta in Camera Raw 6.0 con le impostazioni di default. Tutte le correzioni che verranno confrontate saranno applicate a questa immagine di partenza.

La seconda immagine è stata ottenuta agendo sulle impostazioni dello strumento di riduzione del rumore di Camera Raw 6.0, mentre le successive sono i risultati dell’applicazione dei diversi programmi.

Ogni programma utilizza una procedura automatica per rilevare le impostazioni migliori per la riduzione del rumore. Non ho effettuato aggiustamenti sulle impostazioni ma probabilmente i risultati potrebbero essere migliorati agendo finemente sulle correzioni.

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Vi siete fatti un’idea della qualità delle correzioni?

Vediamo che l’immagine corretta con il metodo della media è quella che conserva maggiori dettagli e mostra una maggiore riduzione del rumore. Guardate ad esempio come appaiono le tegole nelle diverse immagini.

Un ottimo lavoro lo fanno anche Dfine e Noiseware. In particolare si nota come sia stato mantenuto il dettaglio della copertura del comignolo centrale, che scompare invece nella versione corretta con Topaz Denoise.

Conclusioni

La tecnologia ci regala fotocamere con sempre migliori prestazioni agli alti ISO, però i prezzi sono ancora proibitivi. Per cui per ora chiediamo aiuto all’informatica!

I software per la riduzione del rumore consentono di ottenere degli ottimi risultati, ma non fanno miracoli, per cui ecco alcune linee guida a seconda delle condizioni in cui dovete scattare:

- se dovete scattare una fotografia in condizioni di luce bassa, come in chiesa ad un matrimonio, prediligete obiettivi molto luminosi (es: f/1,4 – f/1,8) per non costringervi a salire con gli ISO.

- se dovete scattare fotografie sportive c’è poco da fare: obiettivi molto luminosi e sistema di riduzione delle vibrazioni (Vibration Reduction, o Image Stabilizer che dir si voglia).

- se dovete fare fotografia paesaggistica invece basta prendere un bel cavalletto ed aumentare il tempo di esposizione lasciando la sensibilità ISO al minimo per la massima qualità (inoltre se fotografate il mare o un corso d’acqua otterrete un piacevole effetto morbido e levigato sull’acqua, mentre nel cielo avremmo delle piacevoli scie nuvolose).

- se dovete scattare delle foto la notte in condizioni in cui una lunga esposizione non è praticabile (esposizioni di molti minuti potrebbero creare scie e prendere molto tempo ) utilizzare la tecnica della media è una buona soluzione. Via con una bella raffica ad alti ISO e poi si fa la media a casa. Molto utile anche quando si utilizzano fotocamere compatte con le quali anche scatti a ISO non tanto alti presentano spesso un elevato rumore.

Spero che questo articolo vi sia piaciuto!

Ringrazio Doris per la revisione dell’articolo e l’ingegnere elettronico Andrea per il commento tecnico

Alla prossima!

Raffaele

Tags: photoshop, riduzione rumore, Tutorial