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Alla scoperta del pixel binning – Prima parte

Scatti notturni di alta qualità con lo smartphone? Il pixel binning è una tecnologia sorprendente, anche se lontana dal venire considerata definitiva

Il pixel binning è una nuova tecnologia volta ad adattare le performance del sensore dello smartphone in funzione di quanta luce è presente nell’ambiente. Sembra ieri che la battaglia per la qualità negli scatti fotografici dei device portatili si consumava (esclusivamente) a colpi di Megapixel, quando a un volume più elevato doveva corrispondere l’opportunità di catturare maggior informazioni attraverso il relativo sensore.

L’inflazionato termine Megapixel non ha mancato di rappresentare il classico specchietto per le allodole, anche un gimmick a cui alcune aziende puntavano per catturare l’attenzione di chi fosse alla ricerca di un sistema fotografico più performante per il proprio smartphone. Anni in cui numeri alti di Megapixel erano possibili in virtù dell’interpolazione, programma a cui si appoggiava il sistema per rendere più grande lo scatto, senza alcuna certezza che la qualità restasse elevata. Più recentemente il pixel binning ha iniziato a diffondersi su apparati alto di gamma rivoluzionandone non poco l’ambito fotografico, dettagli eccellenti a luce elevata che restano non di meno ampi anche quando l’illuminazione diventa il collo di bottiglia.

pixel binning

Non è escluso che si possa applicare anche in caso di riprese video, anche se in tal senso i vantaggi restano da comprendere più a fondo. Tra gli apparati dotati di pixel binning si contano alcuni modelli di smartphone proposti da LG come per esempio l’LG V60 ThinQ con sensore da 64 MP come quello presente sul Realme X2 oppure il Redmi Note 8 Pro, c’è Sony che monta il sensore IMX586 (48 MP) ma ci sono anche gli asiatici in corsa con modelli di rilievo come Huawei P40 Pro (50 MP), Xiaomi Mi9T (48 MP) e Mi 10 Pro (108 MP), e Samsung Galaxy S20 Ultra (108 MP). Restiamo in casa coreana che offre uno dei sensori più interessanti a mercato, il Samsung ISOCELL Bright hmx da 108 Megapixel montato sul Galaxy S20 Ultra, ed è proprio su quest’ultimo hardware che si sono concentrati gli sforzi per meglio rendere riprese fotografiche giudicate (quasi) impossibili sino a poco tempo fa.

Abbiamo detto che il pixel binning è una tecnologia volta a rendere un sensore di immagine più adattabile alle diverse condizioni di luce. Sugli smartphone più recenti ciò significa modifiche proprio al sensore d’immagine che raccoglie la luce e agli algoritmi di elaborazione della stessa che trasformano i dati grezzi nel risultato finale, sia esso una foto o una ripresa video. Il binning dei pixel combina i dati di gruppi di pixel sul sensore andando a creare un minore volume di pixel che però a conti fatti determina una resa superiore. Con il Galaxy S20 Ultra in presenza di molta luce si può sfruttare tutta la risoluzione del sensore d’immagine pari a 108 Megapixel ma è quando cala la luce che i problemi si farebbero sentire. È proprio qui che il pixel binning consente di mantenere elevato il risultato finale dello scatto anche se a una risoluzione inferiore, che per l’S20 Ultra significa disporre di immagini come se fosse presente un sensore da 12 Megapixel.

pixel binning

Potrebbe anche sembrare un escamotage marketing ma di fatto non lo è, non almeno nel senso più puro del concetto di espediente. Non bisogna lasciarsi prendere da confronti con vere macchine fotografiche, dove il grado di manipolazione e intervento sull’immagine resta impossibile da raggiungere con uno smartphone. C’è chi afferma che il risultato arrivi a superare anche la fotocamere digitali del tipo single lens reflex, ma restano paragoni un po’ troppo azzardati. Per meglio comprendere il pixel binning occorrono alcune nozioni base sul sensore d’immagine digitale, chip di silicio capace di acquisire e misurare i fotoni che lo colpiscono. Indipendentemente dalla diversa tecnologia su cui sono basate le fotocamere digitali c’è sempre il silicio di mezzo e il principio di funzionamento che le accomuna, nel senso che il compito è quello di convertire la luce – i fotoni – in elettroni, che poi altro non rappresentano se non la carica elettrica.

La superficie del sensore è più comunemente di forma rettangolare, ha dimensioni variabili ed è composta da milioni di minuscoli “fotositi”, collocati a forma di griglia regolare. Di fatto i fotositi sono i micro sensori che effettuano la conversione da fotoni in elettroni. Ogni singolo fotosito fornisce in uscita una carica elettrica proporzionale alla quantità di fotoni recepiti registrando un solo colore della terna base RGB – rosso, verde, blu. La carica generata dai fotositi viene convertita in valore numerico, dati che transitando per il microprocessore e vanno a formare l’immagine. La disposizione a scacchiera dei colori si basa sul cosiddetto “Schema Bayer”, (Bryce Bayer è l’ingegnere Kodak che l’ha ideato), con elementi sfalsati in modo che sia sempre possibile ricostruire il valore della luminosità per ciascuno di essi. In tal modo la camera riesce a risalire a tutti e tre i valori colore e quindi alle caratteristiche cromatiche che compongono il singolo pixel.

pixel binning

L’immagine qui sopra mostra il sensore immagine da 108 Megapixel del Samsung Galaxy S20 Ultra con matrice di tipo Bayer dove ogni singolo colore è identificato da ‘mattonelle’ quadrate 3 x 3 pixel al fine di consentire il pixel binning, che combina i dati dei pixel, quattro reali, andando a formarne uno di dimensioni maggiori. In tal modo va a depauperarsi la risoluzione massima possibile ottenibile a seconda del sensore ma al tempo stesso la conta inferiore di pixel più grandi migliora la resa finale. Ciò impatta anche sul rumore stesso che potrebbe ingenerarsi e che a conti fatti resta più contenuto di quanto non sarebbe senza il binning dei pixel.

Il ‘bin’ di base prevede quindi la combinazione di quattro pixel reali in uno più grande virtuale, ma in realtà lo smartphone di Samsung fa di più: mette assieme un gruppo 3 x 3 di pixel reali in un pixel virtuale, che la stessa Samsung chiama “nona binning”, ovvero facendo confluire nove pixel rumorosi in un unico pixel più ‘pulito’. Quando le condizioni di luce non destano preoccupazione il pixel binning si può disattivare col risultato che una camera 108 Megapixel produce un file di dimensioni pari a 24 Megabyte, lo stesso scatto con il binning attivo abbatte di circa 1/6 tale valore scendendo poco sotto i 4 megabyte (dato che il sensore scende virtualmente a 12 Megapixel). Va da se che non è possibile pensare di ottenere la medesima resa diurna rispetto a quella notturna, ma il trucco di mettere assieme più pixel resta un ripiego di livello superiore rispetto a quanto accadrebbe tentando in post-acquisizione di migliorare la qualità.

Per ulteriori informazioni sul pixel binning: link al sito Photometrics.com.

Link alla seconda parte dello speciale.

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