Resa cromatica di cinque obiettivi in un sistema digitale.



09 aprile 2010
Autore: Marco Noldin

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1. Introduzione

La resa comatica è una caratteristica importante di un obiettivo. Spesso i fotografi lamentano cambi di resa del colore dopo la sostituzione dell'obiettivo, soprattutto quei fotografi che riprendono la stessa scena con una certa frequenza.

La resa cromatica di un obiettivo è legata al modo in cui i vari elementi che compongono l'obiettivo interagiscono con la luce. Le interazioni sono principalmente di due tipi, l'assorbimento e la riflessione. Questi fenomeni si ripercuotono in maniera non omogenea sulle varie lunghezze d'onda dello spettro e creano così le dominanti di colore. Tecnicamente il risultato della somma degli assorbimenti e delle riflessioni alle varie lunghezze d'onda è descritto dalla curva di trasmittanza spettrale dell'ottica.

Sotto, un grafico di Canon quantifica la luce assorbita e riflessa alle varie lunghezze d'onda da un obiettivo non specificato. La curva di trasmittanza spettrale delimita superiormente l'area bianca della luce trasmessa. Da questo grafico si nota come l'attenuazione dello spettro sia più marcata nelle lunghezza d'onda corte che in quelle medio-lunghe, di conseguenza questo obiettivo introduce una dominante giallastra. Da notare che l'estremo sinistro del grafico quantifica una perdita di luce vicina al 40%.

I costruttori riescono a controllare questi fenomeni entro certi limiti con dei rivestimenti estremamente sottili applicati alla superficie delle lenti, i coating. Questi migliorano la trasmissione della luce, ottimizzano la resa del colore e minimizzano vari effetti indesiderati, come l'effetto flare e quello dell'immagine fantasma.

Sotto, un altro grafico di Canon pubblicizza il trattamento multistrato Super Spectra Coating applicato ad una lente. Si nota l'abbattimento delle riflessioni e l'ottimizzazione della curva lungo lo spettro.

 


2. Gli standard di riferimento

Nel 1983 l'organizzazione internazionale per la normazione ISO con lo standard 6728:1983 "Determination of ISO colour contribution index (ISO/CCI)" ha fissato i riferimenti per i costruttori di obiettivi e i progettisti di pellicole a colori.

In primis la ISO ha mediato le trasmittanze spettrali di 57 obiettivi di media e alta qualità di vari costruttori e ha determinato la curva di trasmittanza di riferimento, creando l'obiettivo standard ISO.

In seguito ha mediato le caratteristiche di sensibilità spettrale di numerose pellicole a colori di vari produttori e ha determinato la pellicola standard ISO. Con questi dati ha potuto introdurre un metodo per descrivere le caratteristiche di trasmissione dell'obiettivo non con una curva, ma con soli tre numeri che indicano l'effetto delle caratteristiche di trasmissione di un obiettivo sugli strati blu, verde e rosso della pellicola standard in luce daylight (D55). In sostanza i tre numeri descrivono il contributo di colore portato dall'obiettivo in un sistema a pellicola. Questo contributo è stato denominato Indice di Contributo di Colore (CCI).

L'obiettivo standard ISO ha un CCI di 0/5/4. Questo significa che sulla pellicola standard in luce daylight arriva più luce di colore rosso (4) e verde (5) che blu (0). Ne consegue che l'obiettivo standard ISO ha "il giusto grado di dominante gialla".

Nell'ultima parte lo standard ha fissato su un grafico trilineare le tolleranze consentite per poter definire un obiettivo neutro. Nel grafico sotto in grassetto si vede il range di tolleranza permesso dalla ISO sul grafico delle coordinate CCI.

In Rete non ho trovato molto sulla politica di rispetto delle raccomandazioni ISO da parte dei costruttori.

In Sigma si trova solo qualche timido accenno pubblicitario legato ai coating. Anche Nikon si limita a pubblicizzare la superba riproduzione del colore dovuta al trattamento Super Integrated Coating (SIC).

Canon invece in numerosi white paper dichiara la conformità alle raccomandazioni ISO che assicura con scrupolosi controlli di bilanciamento del colore e che mantengono i suoi obiettivi entro intervalli di tolleranza minori di quelli consentiti da ISO. Per certi obiettivi, pur non fornendo le specifiche, dichiara valori di CCI praticamente coincidenti con l'obiettivo di riferimento ISO. Solo Leica pubblica gli indici CCI di diversi obiettivi della serie M.

Comunque dall'introduzione dello standard ISO i tempi sono molto cambiati. Tutto lo standard si basa sul sistema a pellicola, ma ormai il sistema digitale ha sostituito gran parte dei sistemi tradizionali mettendo in gioco nuovi fattori. Infatti i colori di un'immagine digitale non dipendono solo dal contributo dei singoli fattori in acquisizione, ma i dati generati dal sensore possono essere elaborati in maniera completamente differente con operazioni prima impensabili. Una di queste operazioni è l'adattamento alle condizioni di luce muovendo pochi cursori in un software (bilanciamento del bianco), operazione che può essere eseguita anche dopo lo scatto. Con la pellicola l'unico sistema di adattamento era il cambio del tipo di pellicola prima dello scatto, ma la scelta era molto limitata.

 


3. La prova

In rete non ho trovato nessuno studio sull'influenza colorimetrica dell'obiettivo in un sistema digitale. In quest'articolo cerco di isolare e di quantificare il contributo di colore di cinque obiettivi su un sistema digitale (Canon EOS 40D). Poi, attraverso una simulazione, valuterò il contributo di colore in un ipotetico sistema a pellicola. In entrambi i casi i contributi saranno pesati in funzione delle caratteristiche di discernimento del sistema di visione umano, in modo da dar loro il giusto peso dal punto di vista pratico.

Gli obiettivi usati sono molto distanti tra loro per progettazione, tipologia, utilizzo, qualità e prezzo:

E' importante sottolineare conme due ottiche sono state progettate per i sistemi a pellicola e, anche se una è stata adattata in seguito al digitale, entrambe devono mantenere caratteristiche di trasmissimione compatibili con i sistemi a pellicola. Tre obiettivi invece sono nati esclusivamente per il sistema digitale e questo potrebbe aver indotto i costruttori a ridisegnare nuove caratteristiche di trasmissimione, più adatte al digitale, abbandonando le raccomandazioni ISO.

La prova in breve:

  • in verticale ho sistemato un piano d'appoggio nero con superfici non riflettenti, ho posto ai lati a 45° due lampade alogene SoLux, ho messo il ColorChecker sul piano d'appoggio, a distanza opportuna ho sistemato il treppiede in modo che il sensore della fotocamera fosse parallelo al ColorChecker e poi ho ripreso il target in formato raw con i cinque obiettivi

  • ho convertito i file con ACR limitando l'elaborazione alla sistemazione delle tacche grigie. Poi, convertiti i TIFF RGB in Lab, in un software di gestione del colore ho confrontati le tacche colorate.

 


4. La formazione del colore nei sistemi digitali e a pellicola

Tralasciando per ora il sistema a pellicola, vediamo le grandezze che descrivono i fattori che influenzano la formazione del colore in un sistema digitale.

In acquisizione:

  • la distribuzione spettrale di potenza della sorgente luminosa
  • la riflettanza spettrale delle tacche del ColorChecker
  • l'esposizione
  • la trasmittanza spettrale dell'obiettivo
  • la sensibilità spettrale del sensore

In postproduzione:

  • il bilanciamento del bianco
  • il profilo di colore della fotocamera
  • l'elaborazione

Lo schema sottostante illustra i fattori e la loro influenza sulle cinque immagini finali.

 


5. I dettagli della prova

Seguendo lo schema, entriamo nei dettagli della prova.

  • la distribuzione spettrale di potenza della sorgente luminosa

Le lampade alogene SoLux Daylight 4700K sono state sistemate in modo da illuminare uniformemente il punto di appoggio del target (gli accorgimenti si possono trovare in quest'articolo). Le lampade erano collegate ad un alimentatore a tensione regolabile.

Dopo aver posizionato lo spettrofotometro EyeOne Pro nel punto di appoggio del target, ho regolato la tensione di alimentazione in modo che la distribuzione spettrale di potenza della sorgente luminosa si avvicinasse il più possibile a quella dell'illuminante standard di riferimento D50: l'indice di resa cromatica CRI calcolato dal software I1share è di 97 ad una temperatura di colore correlata di 4740 Kelvin.

Questo il confronto:

  • Esposizione

Controllando la fotocamera dal computer portatile, ho regolato il valore di esposizione EV (apertura + tempo + ISO) in modo che in ACR la tacca bianca del ColorChecker ripreso fosse il più possibile vicino a RGB Prophoto 245. Tutte le cinque tacche bianche cadono in un range di 8 unità RGB (meno di un terzo di stop).

Sotto una delle immagini acquisite.

  • la trasmittanza spettrale dell'obiettivo

E' la grandezza ignota.

Ho ripetuto la cattura del target sostituendo in sequenza i cinque obiettivi senza spostare il treppiede per non variare il punto di ripresa

  • la riflettanza spettrale delle tacche del ColorChecker

Con lo spettrofotometro ho misurato la riflettanza spettrale delle tacche del mio mini ColorChecker. Poi con il software X-Rite Profile Maker 5 ho combinato i dati del mio ColorChecker, quelli della sorgente luminosa e quelli dell'Osservatore Standard CIE 1931 ricavando le coordinate colorimetriche teoriche delle tacche del target nel sistema colorimetrico CIE Lab e in RGB Prophoto.

Le coordinate nei due spazi di colore servono rispettivamente per i successivi confronti colorimetrici e per la personalizzazione dello script di calibrazione usato nel corso della prova .

  • la sensibilità spettrale del sensore

Le curve di sensibilità spettrale del sensore determinano la risposta alle diverse lunghezze d'onda. Il sensore genera così dei valori RGB che vengono registrati nel file raw senza nessuna modifica. Il raw converter estrae i dati dal file raw e li converte in un'immagine. I parametri di conversione determinano l'aspetto e la colorimetria dell'immagine finale.

Nella prova ho usato Adobe Camera Raw (ACR). Per limitare le variabili in gioco, quando ho aperto le immagini, ho impostato tutti i campi sullo zero e le curve su lineari. In questo modo solo i sei cursori usati in seguito avranno un'influenza durante la conversione dei file raw.

  • Il profilo di colore della fotocamera

Ho creato il profilo DNG della fotocamera a doppio illuminante seguendo il metodo illustrato nel precedente articolo. Ho usato l'immagine del Canon 100-400mm e le coordinate colorimetriche Lab teoriche del ColorChecker. La precisione del profilo creato porta le tacche dell'immagine ad una distanza deltaE 2000 media di 0.8 e massima di 1.7 dalle coordinate colorimetriche teoriche.

In ACR, ho sostituito il profilo della fotocamera proposto di default dal raw converter con questo profilo.

  • Bilanciamento delle immagini

Il bilanciamento del bianco (Temperatura e Tinta) consente di bilanciare la temperatura di colore della luce in modo da correggere le dominanti di colore che si creano riprendendo la scena con impostazioni di bilanciamento errate. In realtà oltre a bilanciare le condizioni di luce, si bilancia lo spostamento del bianco indotto dalle caratteristiche di trasmissione dell'obiettivo.

Nella prova quindi il bilanciamento rende i grigi neutri, o meglio, dato che le tacche grigie del ColorChecker non sono perfettamente neutre, il bilanciamento avvicina la cromaticità delle tacche grigie delle immagini a quella delle tacche grigie del target teorico.

Sotto si possono vedere le coordinate di colore dei grigi del mio mini ColorChecker.

Per il calcolo del bilanciamento ho usato lo script di calibrazione ACR Calibrator L v3.1 di Simon Tindemans. Gli script di calibrazione sono dei programmini che girano in Photoshop e che cercano i migliori parametri di conversione in base alle istruzioni fornite loro tramite l'interfaccia o tramite la personalizzazione diretta con ExtendedScript Toolkit di Adobe (installato con Photoshop).

Per raggiungere un bilanciamento più coerente lungo tutta la riga grigia ho invitato l'autore dello script ad implementare una funzione che permettesse il calcolo del bilanciamento non basato solo sulla seconda tacca, ma considerando le quattro tacche centrali della riga. Sotto riporto la sua gentile risposta: è sufficiente aprire lo script con ExtendedScript Toolkit e aggiungere le righe evidenziate sotto:

Queste le impostazioni di bilanciamento calcolate dallo script di Tindemans per una delle immagini:

  • Elaborazione

In questa prova l'elaborazione ha due scopi: annullare le minime differenze di esposizione introdotte in acquisizione e forzare la curva tonale di ACR ad adattarsi al limitato intervallo dinamico del ColorChecker. Bisogna quindi avvicinare i valori di chiarezza delle tacche grigie delle immagini ai valori di quelle del target teorico. In questo modo se l'esposizione e l'elaborazione si compensano a vicenda, la loro somma risulta una costante in tutte le cinque immagini.

Per il calcolo della chiarezza delle tacche grigie ho usato lo script di calibrazione ACR_Calibrator_CC24 di Rags Gardner. L'uso di questo script parte dal fatto che la tacca bianca del ColorChecker è molto chiara e difficilmente la tacca ripresa riesce ad avvicinare il valore di chiarezza di quella teorica; la distanza finale dipende dall'esposizione usata in acquisizione e dalla posizione del cursore Esposizione di ACR; lo script di Rags Gardner consente di impostare manualmente il cursore Esposizione di ACR e di evitare che il cursore venga manomesso dallo script durante la sua corsa.

In questo modo le chiarezze delle tacche bianche delle cinque immagini hanno la stessa distanza da quella teorica e le altre cinque tacche coincidono con la chiarezza di quelle del ColorChecker teorico.

Sotto, le impostazioni dei tre cursori calcolate dallo script per l'immagine del superzoom Sigma.

 


6. I parametri di conversione

Sotto riporto i parametri di conversione che offrono i migliori risultati di bilanciamento e normalizzazione delle immagini:

Si notano le prime cose interessanti:

  • il Canon 100-400mm è l'obiettivo con la resa di colore più fredda, infatti tutti gli altri ricorrono a un'impostazione negativa della Temperatura per controbilanciare.

  • le Temperature negli obiettivi Canon sono molto vicine e si collocano in un range di soli 100 K; i Sigma invece mostrano differenze marcate, 250 K il macro e addirittura 450 K il superzoom.

  • i tre obiettivi di maggiore qualità non presentano differenze di Tinta, l'obiettivo entry level di Canon ha uno scarto di 2 punti, il superzoom Sigma raddoppia con 4 gradi negativi, segno di una leggera introduzione di dominante magenta.

  • le impostazioni di normalizzazione sono molto simili, l'esposizione varia in un range di 0.27 stop e le sistemazioni dei cursori di Neri, Luminosità e Contrasto sono vicine.

 


7. Il metodo di confronto

A questo punto sembrano aprirsi più strategie di confronto: confrontare le cinque immagini con il target teorico, prenderne una come riferimento e confrontarla con le altre quattro, fare dei controlli incrociati, etc.

Ho scelto il metodo che deriva da questa equazione.

Ho creato il profilo della fotocamera con l'immagine del Canon 100-400mm e con le coordinate colorimetriche del target teorico in Lab, quindi per definizione:

  • Target teorico(Lab) = immagine(Canon_100-400mm) + distanza introdotta dall'imprecisione del profilo DNG

sostituendo l'obiettivo si aggiunge una nuova variabile

  • Target ideale(Lab) = immagine(Sigma_180mm) + distanza introdotta dall'imprecisione del profilo DNG + distanza introdotta dall'obiettivo(Sigma_180mm)

se A = B, e A = C allora B = C

  • immagine(Canon_100-400mm) + distanza introdotta dall'imprecisione del profilo DNG = immagine(Sigma_180mm) + distanza introdotta dall'imprecisione del profilo DNG + distanza introdotta dall'obiettivo(Sigma_180mm)

invertendo i termini

  • distanza introdotta dall'obiettivo(Sigma_180mm) = immagine(Canon 100-400mm) - immagine(Sigma_180mm)

Quindi analizzando direttamente le differenze fra l'immagine del Canon 100-400mm e le altre, si riesce a isolare la variabile obiettivo.

 


 8. Contributo di colore degli obiettivi sul sistema digitale

Le formule che si propongono di dare un peso percettivo alle differenze di colore sono le formule CIE deltaE. L'ultima revisione della formula è la deltaE 2000 che ho usato per i confronti delle immagini nel software gratuito ColorLab di X-Rite .

PS: per ottenere un formato delle immagini compatibile con il software di comparazione ho usato lo script Read_Colors_CC24 di Rags Gardner. In Photoshop, attivando un'opzione, lo script media il centro di ogni tacca e preleva dalle 24 zone mediate i pixel per creare una nuova immagine del ColorChecker 6x4 pixel.

Aprendo lo script con ExtendedScript Toolkit alla riga 75 si trova la variabile di attivazione della procedura di creazione dell'immagine 6x4 pixel implementata da Rags Gardner su mia richiesta:

Dopo aver salvato i TIFF RGB Prophoto 16 bit, li ho aperti in ColorLab, li ho convertiti in Lab e ho valutato le differenze di colore.

I risultati:

Riassumendo:

  • le differenze di colore medie con gli obiettivi Canon sono intorno allo 0.4 e solo leggermente più alte con i due Sigma dove sfiorano lo 0.6.

  • le differenze di colore massime sono leggermente migliori con i Canon dove sfiorano lo 0.60 ma poco più alti con i Sigma con valori intorno all'unità.

Si tratta di valori di deltaE 2000 molto bassi che indicano differenze di colore decisamente al di sotto della soglia di percezione dell'occhio umano.

 


 9. Simulazione del sistema a pellicola

Riprendiamo lo schema dei fattori che influenzano la formazione del colore e prendiamo in considerazione la linea tradizionale:

  • il bilanciamento del bianco

Anche nei sistemi a pellicola si può parlare di bilanciamento del bianco, ma con impostazioni fisse decise dal produttore. I due casi comuni sono le pellicole daylight tarate sulla temperatura di colore della luce diurna e dei flash elettronici (5500K) e le pellicole tarate per sorgenti di luce al tungsteno.

  • l'interpretazione colorimetrica

Ogni pellicola reagisce alla luce in base alle caratteristiche di sensibilità spettrale decise dal produttore. Si può considerare l'analogo del profilo della fotocamera in digitale che trasforma i dati prodotti dal sensore in coordinate colorimetriche.

  • processi chimici

Sono i trattamenti chimici raccomandati dal produttore in modo da ottenere la resa colorimetrica prevista. Si può considerare come l'analogo dell'elaborazione in digitale e infatti alle volte è sfruttato per variare la resa finale della pellicola.

La simulazione del sistema analogico è permessa dal fatto che le tre grandezze citate sono delle costanti, per cui con un profilo di colore e un bilanciamento fisso è possibile simulare l'intero processo di formazione del colore.

Nella simulazione ho adottato il bilanciamento dell'immagine del Canon 100-400mm (4850K) e come profilo di colore il mio profilo DNG personalizzato. Con queste premesse simulo la formazione del colore su una pellicola daylight progettata con intenti di fedeltà alla scena ripresa.

In sostanza, annullando le capacità di adattamento del sistema di ripresa, le analisi colorimetriche evidenziano il peso reale portato dalle differenti caratteristiche di trasmissione della luce degli obiettivi.

Le impostazioni di conversione:

I risultati:

Riassumendo:


In alcuni casi le differenze di colore  sono sostanziose, visibili ad occhio nudo e confermate da valori di deltaE 2000 importanti:

  • gli obiettivi Canon mostrano differenze di colore contenute, e anche se l'obiettivo di fascia bassa perde qualcosa in più del grandangolo, entrambi i deltaE medi non arrivano all'unità. L'errore massimo arriva all'unità nel grandangolo e supera appena il 2 nello zoom economico.

    Queste analisi colorimetriche confermano che Canon assicura davvero una resa di colore uniforme in tutti gli obiettivi a prescindere dalla loro fascia di prezzo. Inoltre, sembra che Canon non abbia introdotto ottimizzazioni nella progettazione degli obiettivi dedicati al digitale.

  • gli obiettivi di Sigma evidenziano differenze di colore che anche l'occhio riesce a percepire. La sensazione è quella di una dominante calda. Nelle valutazioni dei deltaE 2000 il macro si ferma a valori tutto sommato discreti, il superzoom si spinge a valori di deltaE 2000 medi e massimi importanti.

    Le differenze tra i due obiettivi Sigma mostrano che il costruttore addotta intervalli di tolleranza meno spinti di Canon.

 


 10. La prova con un profilo ICC

Un profilo DNG a doppio illuminante (usato finora) contiene due matrici di caratterizzazione che descrivono il comportamento della fotocamera in due diverse condizioni di luce. Partendo da queste due matrici, ACR calcola di volta in volta il profilo da assegnare all'immagine raw con un'interpolazione dettata dalla Temperatura impostata dall'utente. Durante la prova mi è sorto un dubbio: visti i 450 Kelvin di differenza di Temperatura con due obiettivi, questa caratteristica dei profili DNG avrà influenzato la prova?

Allora ho ripetuto la prova con i due obiettivi usando un profilo a singolo illuminante che per sua natura è una costante. Qui si presentava la possibilità di usare un profilo DNG a singolo illuminante o un profilo ICC. Ho scelto il profilo ICC, in modo da poter verificare i risultati ottenuti con ACR con un altro raw converter (DCRaw).

I parametri di conversione impostano il bilanciamento su tutta la riga grigia, avvicinano le chiarezze delle tacche bianche e producono due TIFF in gamma lineare.

  • dcrawx86 –A 806 1708 1690 178  -o 0 -4 -T -b 1.39 /.../18-200mm.CR2

  • dcrawx86 –A 151 1450 1477 145  -o 0 -4 -T -b 1.58 /.../100-400mm.CR2

In Profile Maker 5 ho creato il profilo ICC usando l'immagine del Sigma 18-200mm. In Photoshop ho assegnato questo profilo alle due immagini convertite e le ho risalvate. Ho riaperto i TIFF in Photoshop passando per ACR e con lo script ACR_Calibrator_CC24 di Rags Gardner ho calcolato le impostazioni di Neri, Luminosità e Contrasto che avvicinano le chiarezze delle tacche grigie delle immagini a quella del ColorChecker teorico.

Sotto le impostazioni calcolate dallo script.

Applicate queste impostazioni in Photoshop con Read_Colors_CC24 ho creato le immagini RGB 6x4 pixel per i confronti, le ho salvate, aperte in ColorLab, convertite in Lab e le ho confrontate.

Ho ripetuto poi queste operazioni, ma con le impostazioni di bilanciamento fisse.

Sotto i due risultati.

 

Entrambi i confronti mostrano valori di deltaE 2000 sovrapponibili a quelli visti con ACR, e questa è la conferma della validità del metodo usato in precedenza.

 


 11. Conclusioni

Dalle analisi colorimetriche posso affermare che:

  • sul mio sistema digitale, le differenti caratteristiche di trasmissione della luce dei cinque obiettivi portano un contributo di colore sulle immagini finali irrilevante per le capacità di discernimento del sistema di visione umano. Tuttavia, vista l'irrelevanza portata da obiettivi con caratteristiche molto differenti, mi sento tentato di rendere queste considerazioni più generali.

    Ne consegue che un profilo di colore è sufficiente a descrivere il comportamento della fotocamera indipendentemente dall'obiettivo montato.

  • su un sistema a pellicola, le differenti caratteristiche di trasmissione della luce dei cinque obiettivi portano un contributo di colore rilevante. Le immagini finali possono essere molto differenti a seconda dell'obiettivo montato al momento dello scatto. Tuttavia bisogna tener in considerazione che nelle valutazioni delle immagini entrano in gioco i gusti e le preferenze del singolo utente e, almeno su questo, nessuno ha torto o ragione.

 




Sotto si possono scaricare i file raw usati nella prova.

S 18-200mm.CR2

C 100-400mm.CR2

C 10-22mm.CR2

C 18-55mm.cr2

S 180mm.CR2 


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