Nokia Lumia 1020: Ecco numerose informazioni sulla fotocamera utilizzata!

Dopo la presentazione ufficiale del Nokia Lumia 1020, la casa finlandese ha rilasciato online un whitepaper dove spiega in tutti i dettagli le caratteristiche della nuova fotocamera PureView. Vediamo di riassumerli ed esplorarli insieme:

(NB. Quando si va sul tecnico ho cercato solo di tradurre in un italiano comprensibile senza sintetizzare per far capire il grande lavoro svolto su questo smartphone)

Background

Dopo il successo del Nokia 808 PureView, dove l’uso dei 41 megapixel prevedeva l’interpolazione di questi per formare i così detti “superpixel”, il feedback rilasciato dagli utenti fu che il nuovo smartphone creava delle foto eccezionali, con una nitidezza mai vista prima su un telefono. Quello che però non faceva arrivare il Nokia 808 PureView ai 10 punti totali erano le foto in condizioni di scarsa luminosità (soprattutto a distanze dove il flash allo xeno non arrivava), allora fu introdotta una nuova tecnologia PureView che ormai tutti conosciamo, attraverso il Nokia Lumia 920 dove gli ambienti poco luminosi trovavano nuova luce, grazie allo stabilizzatore meccanico e al sensore BSI.

La naturale conseguenza di queste 2 tecnologia fu di fonderle in un unico progetto: Nokia Lumia 1020

Best of both worlds: sharPness and low light

Il sensore del Nokia Lumia 1020 utilizza l’ultima generazione  1.1 micron back-side-illuminated (BSI) pixels, fornendo prestazioni di rumore di fondo eccellenti. Il formato del sensore è 1/1.5 pollici ed è fino a cinque volte più grande rispetto ai sensori tipici di altri smartphone ed offre tutte le innovazioni di imaging introdotte dal Nokia 808 PureView, dallo zoom ad alta risoluzione al sistema pixel oversampling .

Il Nokia Lumia 1020 introduce inoltre la seconda generazione di stabilizzazione ottica dell’immagine (OIS), per offrire un nuovo punto di riferimento. Includendo poi il flash allo xeno più sofisticato e il LED per la luce nei video.

Una delle decisioni critiche di progettazione in una macchina fotografica è bilanciare la nitidezza dell’immagine e il rumore di fondo. Nitidezza delle immagini e le prestazioni in condizioni di scarsa luminosità (rumore o grana) sono due facce della stessa medaglia in una fotocamera ed è estremamente difficile ottenere ottime prestazioni di riferimento in entrambi i campi contemporaneamente.

Tuttavia questo è esattamente quello che Nokia ha fatto con il Nokia Lumia 1020.

Sharpness is more than just megapixels

Nel terzo paragrafo Nokia spiega come i megapixel non sono tutto per avere una qualità d’immagine elevata, infatti nel Nokia Lumia 1020 hanno introdotto una sesta lente per una definizione mai vista prima. Il primo elemento delle 6 lenti è in vetro ad alta precisione mentre le altre cinque sono di plastica

Per comprendere il livello ingegneristico apportato nello spessore finale del nuovo cameraphone Nokia spiega come le lenti siano fisicamente molto grandi per uno smartphone ed in più il gruppo ottico è unico ed introdotto all’interno di un nuovo tipo di sistema di stabilizzazione ottica, che utilizza un sistema di rilevamento con precisione estremamente elevata legato a motori molto piccoli che muovono attivamente l’obiettivo.

Il sensore 41MP è in grado di catturare immagini a 34MP e a 38MP (16:9 e 4:3). Oltre alle immagini a piena risoluzione, la fotocamera del Lumia 1020 acquisisce immagini a 5MP in modo tale che ogni pixel dell’immagine scattata a 5MP sia stato creato dal sovracampionamento di 7 pixel.

La parte migliore è che la fotocamera salva contemporaneamente sia in full resolution che a 5 MP.

why 5MP?

Una foto a 5MP è facile da condividere e da stampare fino al formato A3 e poiché le immagini scattate dal Nokia Lumia 1020 condensano le informazioni dal sensore 41MP, hanno una qualità incredibilmente elevata.

Nei sistemi tradizionali di imaging, la vera risoluzione del sistema è inferiore a quello della risoluzione nominale del sensore. La tradizionale risoluzione del sensore della fotocamera potrebbe essere da 5 megapixel, ma in realtà non cattura foto che hanno cinque milioni di pixel indipendenti. I dati vengono distribuiti su più pixel causando, per esempio, la sfocatura e artefatti. Ci sono due ragioni tecniche per questo: uno è legato alla progettazione dell’ottica, e l’altro per il modo in cui il sensore campiona i dati con i filtri Bayer. Una fotocamera da 5MP tradizionale per esempio ha solo 2,5 milioni di pixel verdi e 1,25 milioni di pixel rossi e blu. La tecnologia di sovracampionamento nel Lumia 1020 permette di risolvere entrambi questi problemi, e permette di catturare tutti i dettagli visibili con stupefacente nitidezza, naturalezza e bassa rumorosità. E’ fisicamente impossibile catturare questo con una macchina fotografica tradizionale 5MP.

High Resolution Zoom

Nokia in questo capitolo spiega a cosa servono i 41 MP della sua fotocamera PureView.

Tralasciando il sovracampionamento a 5 MP di cui abbiamo parlato sopra, Nokia spiega come lo zoom digitale porti inevitabilmente ad una perdita di qualità; infatti Nokia dice che in una fotocamera a 12 MP, lo zoom digitale massimo riesce a scattare una foto a 4 MP la quale verrà poi sovrascalata ai 12 MP. Questo up-scaling ha un significante impatto nella nitidezza dell’immagine portando appunto ad un’immagine sgranata. Nel Nokia Lumia 1020 questo up-scaling non avviene, proprio grazie alla sua quantità di pixel, ciò comporta che anche con zoom digitale, la qualità d’immagine rimane ottima.

Altra differenza dello zoom digitale è che questo avviene senza chiusura del diaframma. Come sappiamo, lo zoom ottico in una fotocamera porta alla chiusura del diaframma (p.e. se siamo in grandangolo con F 2.8 con zoom potremmo arrivare a F 8.0) e ciò porta ad un aumento del tempo di esposizione (per catturare più luce) con conseguente sfocatura dovuta al movimento dell’oggetto o al tremolio della mano. Anche la distanza di macro cambia con zoom ottico. Nel Nokia Lumia 1020 invece il diaframma rimane lo stesso per tutta la gamma di zoom ed anche la distanza di macro di circa 15 centimetri rimane sempre la stessa.

Inoltre un altro problema dello zoom ottico è che può creare distorsione delle immagini. Con il Nokia Lumia 1020 invece si utilizza la parte centrale della lente dove le distorsioni, diffrazioni e ombreggiature dell’obiettivo sono più piccole, dando livelli estremamente alti di dettagli per tutto il campo focale.

Getting rid of hand-shake

Spesso la progettazione dell’ottica e la risoluzione del sensore sono gli unici fattori presi in considerazione quando si parla di nitidezza della fotocamera, ma un fattore altrettanto importante e totalmente trascurato è il tremolio della mano.

Nei sistemi tradizionali OIS delle reflex solo una lente viene fatta muovere per contrastare il tremolio della mano, invece nell’ OIS del Nokia Lumia 1020 l’intero gruppo ottico viene spostato per annullare i movimenti indesiderati. Ciò significa che si possono annullare anche i più grandi movimenti rispetto ai sistemi tradizionali OIS, consentendo immagini estremamente nitide.

Come si sa però, le ottiche introdotte nel Nokia Lumia 1020 sono molto più grandi di quelle dei comuni smartphone, quindi risultava molto difficile implementare la stessa tecnologia immessa nella serie 92x allora Nokia ha creato la seconda tecnologia OIS dove l’intero sistema di lenti è stato poggiato su dei cuscinetti a sfere che vengono attivamente mossi con motori molto piccoli per contrastare i movimenti indesiderati della fotocamera, il tutto grazie al rilevamento tramite il giroscopio.

Photos in the dark

Il fattore standard utilizzato per determinare buone prestazioni in caso di scarsa luminosità è la quantità di rumore visibile nell’immagine catturata. Ma c’è molto di più che solo la quantità di rumore.

Back Side Illuminated sensor

Nokia spiega come aumentare la sensibilità alla luce dei pixel grazie ad un nuovo sensore BSI.

È estremamente difficile fare un sensore ad alta risoluzione con solo una piccola quantità di rumore visibile poiché i pixel devono essere di piccole dimensioni per mantenere le dimensioni del sensore ragionevoli. La dimensione dei pixel più piccoli è particolarmente problematica con la tradizionale illuminazione frontale (FSI), perché ogni pixel ha bisogno di molti fili per alimentare il fotodiodo e trasferire i fotoni fuori dal pixel. Infatti con i pixel tradizionali tutti questi fili sono posti al di sopra del pixel e la luce quindi deve bypassare i fili per raggiungere la superficie fotosensibile. Nokia allora ha usato una moderna generazione di sensore BSI dove tutti questi fili si trovano sotto il pixel. Grazie a questo una quantità significativamente maggiore di luce può raggiungere la superficie fotosensibile del pixel. Ciò significa nuovamente che si può amplificare il segnale creato da livelli molto bassi di luce, riducendo significativamente la quantità di rumore visibile.

Exposure time

Come si sa il tempo di esposizione è un altro fattore molto importante quando ci troviamo in condizioni di scarsa luminosità e qui Nokia fa un esempio carino per far capire cosa significhi.

“Una fotocamera può essere paragonata ad una diga in cui l’otturatore gioca il ruolo del cancello. Più tempo il cancello rimane aperto, più acqua può fluire attraverso questo. A sua volta in una macchina fotografica, più a lungo l’otturatore è aperto più luce può essere raccolta dal sensore”

Ovviamente però, se l’otturatore è aperto troppo a lungo, l’immagine catturata può risultare mossa a causa del tremolio della mano. Però grazie al suo sistema OIS, il Lumia Nokia 1020 fotocamera in realtà può tollerare fino a 3-5 volte tempi di esposizione più lunghi rispetto alle fotocamere tradizionali mobili! Utilizzando poi il Lumia 1020 insieme ad un treppiede, gli utenti possono impostare manualmente il tempo di esposizione fino a 4s, che permette di scattare immagini straordinarie in quasi completa oscurità (con soggetti fermi naturalmente ;) ).

Flash

Molti fotografi professionisti preferiscono spesso fare foto senza l’ausilio del flash per rilevare quelle che sono le “ombre originali”, però ci sono dei momenti in cui il flash è obbligatorio, ovvero quando c’è un oggetto in movimento e voglio immortalarlo nel suo istante.

Nel flash conta tanto l’intensità ma anche la velocità d’impulso per avere un tempo di esposizione molto breve e avere quindi immagini molto nitide anche se in movimento.

Il Lumia 1020 usa un flash allo xeno senza compromessi con un’emissione luminosa molto elevata ed una durata d’impulso estremamente breve. Questo fornisce un’ottima illuminazione fino a bersagli a tre metri di distanza, e il breve impulso del flash allo xeno assicura che l’immagine finale sia estremamente tagliente, preservando l’illuminazione ambientale del fondo.

Real life sharpness measurement

La nitidezza delle immagini viene di solito misurata utilizzando un treppiede (un accessorio che la persona media porta raramente) in buone condizioni di illuminazione. Nokia ha replicato le situazioni che si pongono nella vita reale, utilizzando un simulatore di tremolio della mano con una frequenza di 4 Hz, con il Nokia Lumia 1020 sfidando un dispositivo leader nel mercato con fotocamera di 13mp in condizioni di luce diverse. Il Lumia 1020 è stato testato utilizzando le immagini a 5MP più “condivisibili”. I risultati sono illustrati nella Figura sovrastante. Il grafico mostra come il Nokia Lumia 1020 sia molto vicino alla massima risoluzione teorica di 5 megapixel in buone condizioni di luce, ma ciò che è ancor più notevole è che, a causa della combinazione del sistema OIS e del flash allo xeno sia in grado di fornire praticamente la stessa risoluzione anche in condizioni estremamente scure (ricordando che il terminale era sottoposto alla sollecitazione data dal simulatore). Anche senza l’aiuto del flash allo xeno come si vede sempre dal grafico la risoluzione non scende mai sotto il 50 per cento del valore massimo teorico.
In condizioni di scarsa luminosità il dispositivo concorrente è stato solo in grado di fornire circa il 10 per cento della sua risoluzione massima teorica, e anche in condizioni di luce molto brillante è stato utilizzato solo il 40 per cento della sua capacità.

Quindi, la domanda è, perché usare 13 megapixel, se può essere utilizzato solo il 10 per cento della risoluzione teorica?

Nokia ha spiegato come la qualità delle immagini, la nitidezza e la buona capacità di imaging in condizioni di scarsa luminosità siano il risultato di molteplici funzionalità e dell’intera catena di imaging che deve lavorare insieme senza problemi.
La qualità d’immagine quindi non è data solo dai megapixel, ma anche dalla attenta ottimizzazione dell’intero sistema di imaging per permettere alle persone di catturare momenti che contano sempre di più.

Edit.

Come segnalato dal nostro utente MappAo tramite commenti, il whitepaper pubblicato da Nokia è disponibile anche in lingua italiana a questo link.