Le dimensioni dei sensori sulle cineprese digitali

Questo articolo si propone di affrontare una questione cruciale: come fanno le dimensioni del sensore di una cinepresa digitale ad influenzare la fotografia e la scelta delle lenti? Intorno a questo argomento c’è molta confusione perché ci sono moltissime variabili in gioco, nonchè pro e contro per una scelta piuttosto che un altra.
La dimensione del sensore influenza la profondità di campo, il rumore (la grana), la diffrazione , il rolling shutter, per non parlare dei costi, delle dimensioni e peso differenti di macchine e lenti.
Sebbene l’articolo si rivolga nello specifico all’utente di macchine digtali, alcuni principi valgono anche per i diversi formati in pellicola (70mm, 35mm, 16mm, 8mm…), altri sono problematiche specifiche del digitale (come ad esempio il rolling shutter).

Panoramica generale sulle dimensioni dei sensori

Nel titolo abbiamo specificato che parleremo dei sensori delle CINEPRESE digitali e non delle macchine fotografiche. Il grafico che segue è quello trito e ritrito che però si riferisce alle dimensioni dei sensori delle macchine fotografiche, che non sempre coincide con quello delle cineprese o delle macchine stesse quando usate come cineprese:

Usiamolo però come punto di partenza, per fare un confronto tra il formato che viene (secondo me erroneamente) usato come riferimento, ovvero il cosiddetto full frame, e gli altri formati via via sempre più piccoli. E’ evidente come la differenza può essere ampia.
La panoramica che segue da un’idea di quanti siano invece i formati generalmente utilizzati per riprese video e cinematografiche. Nella tabella sono comunque presenti anche i sensori fotografici.

Il fattore di crop è il rapporto tra la dimensione diagonale del sensore rispetto a un sensore full-frame da 35 mm. Si chiama così perché il sensore che ha un certo crop “taglia” parte dell’immagine all’esterno ( a causa delle sue dimensioni limitate).

Nell’esempio sopra, si vede l’inquadratura da full frame (ma “tagliata” in 16:9 come succede quando si fanno riprese video anche con le macchine full frame) confrontata con il crop di circa 1,5 di un tipico sensore super35, tipo Canon C100, C300, C500 ovvero 24,6 X 13,8 mm.

Si potrebbe inizialmente pensare che buttare via informazioni dell’immagine non è mai l’ideale, ma ha i suoi vantaggi. Quasi tutte le lenti sono più definite ed esenti da difetti al centro, mentre la qualità degrada progressivamente verso i bordi. Ciò significa che un sensore piccolo scarta efficacemente le porzioni di qualità più bassa dell’immagine, che è utile quando si utilizzano lenti di bassa qualità. Inoltre, è decisamente più economico progettare lenti con copertura più piccola.

D’altra parte, le prestazioni ottiche delle lenti grandangolari sono raramente buone come quelle delle lunghezze focali più lunghe. Un sensore con crop è costretto ad utilizzare una lente con angolo più ampio per produrre lo stesso angolo di vista di un sensore più grande, e questo può compromettere la qualità.

Inoltre, la quantità di luce che è in grado di catturare un sensore grande è evidentemente maggiore di quella catturata da un sensore più piccolo. Queste cose le vedremo più avanti.

Come il sensore influisce sull’inquadratura

Per capire fino in fondo il perchè delle “equivalenze” delle focali, e come il sensore influisce sull’angolo di campo e sullo sfocato, partiamo da questa immagine:

Qui vediamo come, a parità di lunghezza focale (e questo fatto è molto importante) cambia la porzione di immagine che sarà visualizzata con un certo sensore. Nell’esempio ho evidenziato solo alcune delle misure di sensore per non rendere incomprensibile l’immagine. Visto così potrebbe non rendere l’idea, per cui supponiamo di avere un ottica da 50mm, e vediamo le inquadrature rispettive in full frame, super 35, con la blackmagic, in 2/3″ e in 1/3″:

A parità di lunghezza focale, avremo angoli di inquadratura molto diversi. Quello che nel full frame o nel super35 è un angolo più o meno “normale” diventa un tele spinto a 1/3″.

Ora, è importante capire una cosa fondamentale: la profondità di campo, ovvero l’effetto di sfocato, dipende solo ed esclusivamente dall’ottica e non dal sensore. Ma come vediamo sopra, con la stessa ottica noi otteniamo inquadrature molto diverse, anche se avranno lo stesso sfocato (a parità di diaframma, beninteso). Per avere con il sensore da 1/3″ la stessa inquadratura del full frame dovremo necessariamente cambiare ottica, perché il 50mm che dicevamo prima è diventato da ottica “normale” un tele spinto. Per avere la stessa inquadratura dovremo cambiare lunghezza focale ed arrivare a circa 8mm.
Ora, dato che lo sfocato dipende dall’ottica, un 8 mm ad esempio a f 2.8 ha uno sfocato molto ma molto inferiore di un 50mm alla stessa apertura (f.8). Per cui, a parità di inquadratura con il sensore piccolo avremo meno sfocato ma non a causa del sensore in sé, ma a causa del fatto che avremo montato un ottica differente.

Ottiche, adattatori e vignettatura

Abbiamo visto che per sensori diversi sono necessarie ottiche di lunghezza focale diversa per avere lo stesso risultato in termini di angolo di ripresa. Il vantaggio dei piccoli sensori è quello che si possono costruire ottiche anche di lunghezza focale estesa poco ingombranti. Di fatto, su un sensore da 1/3″ una lente da 50mm, relativamente piccola, è già una lunghezza focale ragguardevole, mentre per avere lo stesso angolo di inquadratura su una macchina full frame occorrerà un ottica da circa 300mm, decisamente più ingombante (e costosa). Dall’altro estremo delle lunghezze focali però il vantaggio si inverte: infatti, un 20 mm è un discreto grandangolo su full frame, mentre è ancora un tele sul sensore da 1/3″, dove sarà necessario arrivare a lunghezze focali minime, diciamo 3 o 4 mm per avere un grandangolo paragonabile. A queste focali, nasce un problema di copertura del sensore. In pratica, una lente da pochi mm di lunghezza focale, studiata per sensori piccoli (1/3″ o anche fino al 16mm) sarà in grado di illuminare un sensore piccolo, ma se montata su una macchina con sensore grande lascerà in ombra una buona parte del sensore stesso:

Nell’esempio sopra vediamo come potrebbe essere il risultato di un ottica studiata per un sensore da 1/3″ o da 2/3″ montata tramite adattatori su una macchina full frame.
Perchè ho aggiunto questo dettaglio?
Qualcuno potrebbe pensare che tramite adattatori si possano montare tutti i tipi di ottiche su qualunque macchina, basta che esista l’adattatore. Ma questo non è vero.
Esistono ad esempio molte ottime ottiche studiate per il vecchio 16mm. Si possono montare su molte macchine, in particolar modo sulle macchine con attacco micro 43, che per loro natura si prestano a ricevere adattatori di tutti i tipi. Ma non è detto che funzionino.
Molto probabilmente, funzioneranno sulle lunghezze focali lunghe, ma alle lunghezze focali corte certamente “vignetteranno” ovvero faranno l’effetto dell’esempio sopra. Questo vale anche per ottiche ENG ad esempio, studiate per le telecamere da 2/3″ e con lunghezze focali “corte” (proprio perchè pensate in funzione dell’uso con sensori piccoli).
Di questo occorre tenere conto nella scelta delle lenti da montare su uno specifico sensore.

Un’ultimo paragrafo per parlare di quegli adattatori che “ingrandiscono” virtualmente il sensore, come i Metabones Speedbooster.

Questi adattatori, che esistono sia passivi che attivi (nel senso che possono controllare iris e stabilizzazione) tramite un gruppo ottico “ingrandiscono” il sensore rispetto alla lente, di un fattore variabile che va da 1,4 a 1,8. Questa operazione ha diversi vantaggi: si guadagna in luce (almeno uno stop) e si aumenta l’angolo di ripresa, consentendo così l’uso di ottiche più “lunghe” e quindi di avere anche minore profondità di campo – cosa utile per lo “sfocato”, chiaramente deleteria se si ha bisogno di avere tutto a fuoco – ma a tutti gli effetti occorre pensare di avere un sensore più grande. Per cui, ottiche per APS-C si potranno montare tramite speedboster su micro 43, ad esempio, ma non su APS-C, dove a causa dell’ingrandimento il sensore sarà a tutti gli effetti come un full frame.

Il Rolling Shutter

Uno dei principali difetti dei sensori c-mos è il rolling shutter. Principalmente, è causato dal fatto che non è possibile leggere il sensore “contemporaneamente” a meno di non perdere in prestazioni (dinamica e sensibilità) ma la lettura avviene riga dopo riga.
In questa situazione, ad esempio con una carrellata orizzontale tute le linee verticali tenderanno a piegarsi come nell’immagine sotto:

Esistono plugin e software vari per correggere il rolling shutter in post in queste situazioni, ma purtroppo ci sono casi dove la distruzione dell’immagine è eccessiva e non può essere ricostruita. Ad esempio, se la camera si muove violentemente (tipo camera a spalla) o se ci sono oggetti ripresi che si muovono ruotando:

Basta provare a riprendere un ventilatore per vedere l’effetto deleterio. E’ vero che in genere, lo shutter dovrebbe essere impostato in modo da sfocare gli oggetti in movimento a sufficienza da limitare molto il rolling shutter, ma in ogni caso, specialmente con la camera a spalla l’immagine sembra “di gomma” e si muove in modo inaccettabile.
Alcune camere utilizzano la tecnica del “global shutter” che evita totalmente il problema, ma a scapito, come detto prima, delle prestazioni del sensore. Camere più evolute, come la RED, permettono di scegliere tra global shutter e rolling shutter a seconda delle situazioni. E’ però evidente che l’operatore deve conoscere molto bene i pro e i contro delle due soluzioni perchè possa scegliere “serenamente”.

Una cosa che è fondamentale riguardo al rolling shutter: oltre che dalla tecnologia del sensore, la quantità di rolling shutter dipende anche dal numero di righe da leggere. Una macchna a 4K avrà più rolling shutter della medesima macchina a 2K, ad esempio.
Sulle macchine “ibride”, ovvero reflex o mirrorless con un numero di pixel superiore a quello effettivamente usato per il video il rolling shutter sarà probabilmente superiore rispetto alle macchine che utilizzano il sensore pixel per pixel.
Per cui, sarebbe sempre opportuno scegliere macchine con il sensore ad una risoluzione il più vicina possibile a quella effettiva di ripresa, in pratica può diventare controproducente avere un sensore da 60 megapixel per riprendere un full HD.

Moirè, aliasing e line skipping

Parlando delle macchine ibride, reflex o mirrorless, queste macchine sono costruite in genere per scattare fotografe, e la funzione video viene aggiunta come un qualcosa in più. Nonostante questo, grazie al loro basso costo, la disponibilità di ottiche di qualità e la qualità di immagine che comunque è in genere molto alta sono diventate popolari.
A causa però dei sensori in genere più risoluti del necessario, queste macchine possono soffrire di vari problemi di moirè e aliasng. Dato che sull’argomento ho già scritto un articolo, rimando a quell’articolo chi volesse approfondire: https://www.impronte.com/moire-e-aliasing-demystified/

Per le ragioni descritte sopra, è opportuno nello scegliere una macchina, unitamente a tutte le altre considerazioni che ognuno può fare in merito a dimensioni del sensore, sensibilità, preferenze personali ecc ecc, tenere anche conto di che risoluzione ha il sensore in base alla ripresa che sarà fatta, e come vengono utilizzati i pixel.
Faccio alcuni esempi pratici: La Canon C100 (anche l’ultima versione) riprende a 1920 X 1080, ma ha un sensore da 8 mega, con risoluzione pari esattamente al doppio ovvero 3840 X 2160. Utilizza però una tecnologia per la quali la cella da 4 pixel viene miscelata a creare un singolo pixel, per cui il sensore – di fatto a 4K – viene sfruttato appieno, con vari vantaggi che ho descritto in questo articolo.
La GH4 quando riprende in HD sfrutta quasi tutto il sensore che ha una risoluzione di 4608×2592 (utilizzabili per il video) comprimendoli a 1920×1080 con una tecnica chiamata “pixel binning” che sebbene migliore del line skipping, non è come quella utilizzata sulla C100. Di conseguenza, la definizione dell’immagine, la profondità dei colori, il noise e sopratutto il moirè non saranno allo stesso livello della C100. Tuttavia, la stessa macchina in modalità 4K utilizza una porzione di sensore con rapporto 1:1 rispetto alla ripresa, ovvero 3840×2160 (o 4096×2160 per il 4K cinema), e questo permette di avere il miglior risultato. Scalando a 2K si ottengono tutti i vantaggi elencati sopra per la C100.
In modo simile funzionano altre macchine, come la sony a7s grazie al sensore non troppo risoluto.
Canon invece, con sensori di risoluzione abbastanza elevata, rimane ancorata all’utilizzo del line skipping con tutti i difetti descritti sopra, almeno per quanto riguarda le macchine fotografiche. Le macchine specifiche per cinema o utilizzo video, come abbiamo visto, sono costruite in modo da evitare questi problemi.