La rivincita del 4K (e non solo)

Mi è capitato di leggere in giro svariate argomentazioni sull’inutilità del 4K, principalmente basate sul fatto che non essendoci in giro molti Tv a 4K e nessun media (Trasmissioni TV, o bluray), il 4K diventa una spesa inutile.

Se ragioniamo in termini puramente numerici potrebbe anche essere vero, ma la realtà è decisamente diversa. Potrei paragonarla alle linee ADSL: te le vendono per 20 mega, poi sei fortunato se vanno a 6. Allo stesso modo, le camere HD, specialmente quelle che utilizzano il line skipping come metodo per effettuare lo scaling dal ridondante numero di pixel, a fronte di una risoluzione dichiarata di 1920 X 1080 punti, mai e poi mai raggiungono il dettaglio che sarebbe permesso da questa risoluzione se questa fosse effettiva.

Ho pensato di fare un articolo dettagliato per spiegare il perchè invece il 4K è un grande passo in avanti… per lavorare bene a 2K (o in HD).

Risoluzione teorica e risoluzione effettiva

Il primo punto da chiarire è che quando si parla di sensori cmos con filtro di bayer, la risoluzione del sensore o la risoluzione in uscita dal sensore usando il line skipping è assolutamente fittizia. Prendiamo ad esempio una macchina molto cara ai “videomakers” di tutto il mondo, la Canon 5D Mark III. Essa dispone di un sensore da 5760 pixel in larghezza, e 3240 in altezza usati per il video (il resto dei pixel in video è inutilizzato a causa del differente aspect ratio delle foto). Canon non ha scelto questi numeri a caso. Dopo il grande successo nel settore video della Mark II, in Canon hanno pensato bene di aggiustare il tiro. La Mark II aveva un sensore con alcuni pixel in meno, ma dal punto di vista fotografico la differenza è irrilevante, infatti i pixel in larghezza sono 5634. Perché riprogettare un sensore per aggiungere una manciata di pixel? Semplicemente perchè utilizzando il line skipping è possibile utilizzare un pixel ogni 3 per avere la terna di colori rispettata, come si evidenzia dalle immagini sotto.

Ma 5634/3 fa 1878, che è un poco meno di 1920 e questo costringe il processore ad effettuare un piccolo upscaling assolutamente deleterio per la qualità di immagine e per il carico di calcoli, con maggiore surriscaldamento della macchina.

Invece, 5760/3, guarda caso, fa proprio 1920. Dubito fortemente che questa sia una coincidenza.

Tuttavia, noi ci aspettiamo che ogni pixel dei nostro 1920 X 1080 sia completo di tutte le informazioni colore, ma invece questo non succede. Con il line skipping, noi avremo i pixel a colori alternati come si capisce dalle immagini sopra. L’immagine finale viene ottenuta usando una particolare procedura chiamata “demosaycing” che è ben dettagliata su wikipedia e quindi non ripeterò cose già scritte. Ma la risoluzione effettiva, in termini di linee, è molto inferiore a quella che si potrebbe avere con pixel contenenti tutte le informazioni colore, almeno di un 30% sulla luminanza e del 50% sulla crominanza. Per la crominanza non è un grosso problema visto che la registrazione in 4:2:0 avrebbe comunque ridotto il dettaglio cromatico a questi livelli, ma la luminanza ne viene fortemente castrata.

Le macchine a 4K come ad esempio la Panasonic GH4 utilizzano tutti i pixel della matrice di bayer, e soffrono comunque degli stessi problemi elencati sopra nella ripresa a 4K, nel senso che la risoluzione effettiva di un 30% in meno sulla luminanza e del 50% in meno sulla crominanza.

Ma se andiamo a scalare a da 4K a 2K, possiamo prendere dei gruppi di 2×2 pixel alla volta per creare un pixel a 2K, e ognuno di questi pixel ora contiene tutte le informazioni colore del verde, rosso e blu, senza perdita alcuna. Quindi un 2K al massimo delle potenzialità, in termini di dettaglio.

Il filtro Anti Aliasing

Un altro punto da prendere in considerazione è il funzionamento del filtro antialiasing. Spiegato in termini grossolani, il filtro deve eliminare, applicando una modesta sfocatura, tutti i dettagli più piccoli del singolo pixel. Per approfondire questo concetto rimando all’articolo Moirè e Aliasing demystified.

Il “singolo pixel” però, nel caso del line skipping utilizzato largamente da Canon sulle sue macchine fotografiche (è esclusa la C100 che utilizza un altro sistema, anche perchè non è una macchina per le foto) è grande come un gruppo di 3×3 pixel. Di conseguenza, visto che il filtro AA è un elemento ottico che non si può variare, o lo si fa corretto per la fotografia e quindi che sfoca il pixel singolo, ma avremo moirè e antialiasing a gogo in video quando entra in funzione il line skipping (come succedeva con le 5D Mark II, 550D, 600D, 7D e compagnia) o lo si fa più potente (come sulla MarkIII) ma andando ad incidere sul dettaglio nel settore fotografico. Non si può avere la botte piena e la moglie ubriaca.

Infatti, chiunque abbia avuto una 550D o una 5D MarkII sa benissimo che il moirè appariva solo in video, ma mai scattando foto, questo per smentire alcune leggende per cui il moirè dipende dalle ottiche.

Le macchine a 4K invece utilizzano tutti i pixel del sensore per la ripresa a 4K. La Gh4 sacrifica alcuni pixel intorno, aumentando un poco il crop factor, proprio per utilizzare la griglia di pixel in modo completo e senza necessità di up o downscaling successivo. Questo significa che riprendendo a 4K la macchina è assolutamente esente da moirè e aliasing – anche se potrebbe averne un po’ a 2K.

Downscaling e riduzione del noise

Anche se può sembrare un concetto strano e poco immediato, il downscaling da 4K a 2K porta ad una importante riduzione del noise. La ragione di questo sta nel fatto che il noise ha un andamento assolutamente casuale, fotogramma per fotogramma e pixel per pixel. I sistemi di riduzione cosiddetti temporali funzionano con lo stesso principio: in pratica, lo stesso pixel di due fotogrammi adiacenti (in senso temporale) conterrà le stesse informazioni – all’incirca – di immagine, ma il rumore sarà assolutamente casuale. Mescolando e facendo la media di due pixel si ottiene una riduzione di rumore del 50%.

Nel caso del downscaling i pixel che verranno mescolati sono invece i pixel adiacenti, il che è ancora meglio perché non occorre tenere conto del fatto che tra un fotogramma e l’altro qualcosa cambia nell’immagine.

prendiamo ad esempio due linee di pixel adiacenti di una matrice 2X2 che sono rappresentati con 4 colori diversi,

ovvero il blu il pixel in alto a sinistra di ogni gruppo, il verde il pixel in alto a destra, in giallo il pixel in basso a sinistra e in rosso il pixel in basso a destra:

La linea tratteggiata è il valore che dovrebbe avere il pixel (127) e le oscillazioni sopra e sotto la linea rappresentano il noise di ognuno dei pixel

facendo una media per ogni gruppo di 4 pixel, il risultante la linea azzurra, dove si può notare che l’ampiezza media delle oscillazioni diminuisce di molto, e in pratica il rumore diventa molto meno visibile. (I valori numerici sono visibili qui su google drive). Senza entrare in dettagli matematici, se si suppone (come è normalmente) che il noise sia del tutto casuale, la riduzione di noise sarà di 6 db (3db in potenza) ad ogni raddoppio di pixel coinvolti, quindi 6 db x 2 pixel e 12 db (6db in potenza) usando 4 pixel come nel nostro caso. In termini “fotografici” ogni 6 db rappresentano uno stop ovvero un raddoppio di intensità.

Da 4K 4:2:0 a 8 bit a 2K 4:4:4 a 10 bit

Questo è un discorso legato anche al tipo di registrazione che normalmente si utilizza sulle macchine semipro o amatoriali, ovvero un h264 in 4:2:0 a 8 bit. Cosa significa questo? Il 4:2:0, in parole semplici, significa che mentre il canale di luminanza viene registrato a piena risoluzione (ad esempio, per UHD, a 3840 x 2160), i canali della crominanza relativi a R-Y e B-Y sono registrati ad una risoluzione dimezzata sia in verticale che in orizzontale, nel caso scritto sopra a 1920 x 1080. Per la cronaca, un 4:4:4 avrebbe registrato anche i canali colore a 3840 x 2160, mentre un 4:2:2 avrebbe avuto i canali chroma a 1920 x 2160.

Uno scale fatto in modo intelligente partendo dal 4:2:0 in pratica scala solo il canale della luminanza da 3840 x 2160 a 1920 x 1080 (con tutti i benefici illustrati sopra in termini di riduzione del noise) mentre lascia intatti i canali del chroma, che sono a 1920 x 1080. Quindi, una volta che andiamo a “riassemblare” in un file prores o altro i tre piani, otteniamo un HD 1920 x 1080 4:4:4, in quanto tutti i piani luminanza e colore hanno la medesima risoluzione.

Più dubbio il discorso dei 10 bit: formalmente, mescolando tra di loro 4 valori a 8 bit si ottiene un valore a 10 bit, ma è pure vero che se le informazioni non sono stare registrate, questo “sovracampionamento” non aggiunge benefici. Ma anche questo non è del tutto vero: infatti, non possiamo dimenticare che i sensori sono tutt’altro che perfetti, e che quindi è presente un noise che agisce da “dithering”. In queste condizioni, la riduzione di noise descritta sopra si trasforma in un recupero delle informazioni di campionamento. Paradossalmente, deve essere presente almeno un noise da + o – 3 livelli per recuperare tutta la scala, ma questo succede normalmente da 800 ISO in su sulla GH4.

Ma anche al netto dei 10 bit, la sola trasformazione da 4:2:0 a 4:4:4 giustifica l’operazione di scaling.

Il confronto impietoso tra il 4K con le macchine HD

Nella sezione che segue, farò alcuni confronti tra una DSLR HD recente, ovvero la Canon 7D mark II e la Panasonic GH4. parto con questo confronto per una ragione di uniformità. La Canon è una macchina APS-C  mentre la Gh4 è una micro 4/3, il cui sensore può essere “virtualmente” ingrandito all’incirca alle stesse dimensioni con l’utilizzo di uno speedbooster. Il prezzo delle due camere è simile (escluso lo speedbooster) per cui faremo dei confronti sia senza che con questo accessorio.

Intanto, vediamo le prestazioni “lisce” a confronto in termini di noise:

Come ci si può aspettare, la GH4 con il suo sensore più piccolo è leggermente inferiore alla 7D, ma la differenza non è di uno stop come dovremmo aspettarci, ma circa 3/4 di stop. Questo dipende da vari fattori non ultimo la tecnologia con cui sono realizzati i sensori. Il grafico sopra è ricavato dai test di laboratorio effettuati da DxOmark. Per chi no lo sapesse, ricordo che i test sono effettuati a livello di raw, quindi è esclusa ogni influenza dei codec h264 per il video  e la loro qualità.

Il grafico sopra mostra il confronto in termini di gamma dinamica. Stiamo sempre parlando delle macchine lisce senza speedbooster e senza tenere conto  del downscaling eventuale. Come si può vedere, fino a circa 400 ISO La Gh4 si comporta come o meglio della 7D nonostante il sensore più piccolo, e fino a 800 circa le differenze sono minime.

Ora vediamo cosa succede nel momento in cui facciamo un downscale da 4K a 2K sulla Gh4:

dato che il noise diminuisce all’incirca di 12 db (6db in potenza come indicato nel grafico sopra), ci troviamo in questa situazione. Come si può vedere, la prestazione surclassa decisamente il risultato della 7D. Non mi è possibile riportare anche il grafico relativo alla gamma dinamica, ma mentre ai bassi ISO la situazione rimane invariata, il vantaggio rimane fino ai 6400 ISO.

Ora proviamo ad aggiungere un ulteriore vantaggio alla Gh4, ovvero lo speedbooster. Questo porta le macchine ad avere un range di prezzo diverso, e di questo va tenuto conto, tuttavia è interessante:

Come si può vedere, un file 4K scalato a 2K o in HD, con speedbooster rende la GH4 di gran lunga meno rumorosa della 7D mark II.

Per concludere, facciamo un confronto con una macchina di classe decisamente superiore, come la Canon 5D mark III. Full frame e costo circa doppio rispetto alla GH4:

La conclusione è facile: in termini di noise, e pure di dinamica, La GH4, che normalmente rimane al di sotto delle altre macchine in termini di prestazioni ISO, per il solo merito di riprendere in 4K può dare risultati che surclassano in modo deciso le macchine HD anche se Full Frame e di costo decisamente superiore. Ovvio che nel momento in cui inizieranno a stare sul mercato macchine full frame a 4K l’asticella si sposterà inevitabilmente verso l’alto, ma al momento il mercato non offre molto, se non la Sony A7S che infatti in termini di misure è una macchina che è superiore a tutte quelle prese in considerazione. I numeri tuttavia non sono tutto. La Sony al momento ha il grave difetto di non registrare in 4K se non con recorder esterno, inoltre occorre affrontare costi elevati per le ottiche. Ma quello che mi premeva mettere in evidenza non è la superiorità del 4K in quanto tale, ma proprio in funzione di un uso “normale” a 2K o in HD.