L'ISO non accende niente: quanto guadagno serve davvero di notte

Il cursore dell’ISO è il comando più facile da toccare in un’app manuale, e al buio diventa anche il più tentatore. Trenta secondi di posa non tirano fuori la Via Lattea dallo schermo, allora si alza il guadagno, l’anteprima si schiarisce, la faccenda sembra chiusa. Poi si torna a casa e lo stack ha stelle bianche gonfie e un fondo cielo che sembra sabbia. Quel cursore non ha mai fatto entrare un fotone in più dentro l’obiettivo. Capire che cosa sposta davvero è la differenza fra una serata sfruttata e una serata amplificata.

Il fotosito conta, il guadagno moltiplica

Un fotosito lavora in ordine. Raccoglie fotoni per tutta la durata della posa, li converte in elettroni, accumula quella carica dentro un pozzo. Il numero di elettroni che finisce nel pozzo dipende da tre cose soltanto: quanta luce arriva da quella porzione di cielo, quanto è aperto l’obiettivo, per quanto tempo resta aperto l’otturatore. Il guadagno entra in scena a raccolta finita, quando la carica va letta: amplifica una tensione prima che il convertitore analogico-digitale la trasformi in un numero.

La parola «sensibilità», applicata al digitale, è quindi un residuo della pellicola. Lo standard che regola la materia, ISO 12232:2019, non definisce una sensibilità e via: ne definisce quattro (indice di esposizione, ISO speed, standard output sensitivity, recommended exposure index), e già questo dice parecchio. In una fotocamera digitale il legame fra la luce ricevuta e il numero che compare nel file è una convenzione decisa dal costruttore, ottenuta con guadagno variabile ed elaborazione a valle dello scatto. Sul rullino l’ISO era una proprietà chimica dell’emulsione. Nel telefono è una tabella di conversione.

Il rumore che nessun guadagno può abbassare

C’è un limite che sta prima del sensore, prima dell’obiettivo, prima di tutto. I fotoni arrivano a caso nel tempo, e il loro conteggio segue una distribuzione di Poisson: il rumore su un conteggio di N elettroni vale la radice quadrata di N. È lo stesso conto che l’Instrument Handbook della WFPC2 dello Space Telescope Science Institute mette alla base del calcolo dei tempi di posa per Hubble, e vale identico per il vostro telefono su un treppiede da quaranta euro.

Le conseguenze si toccano con mano. Un pixel che ha raccolto 100 elettroni porta con sé un rumore intrinseco di 10 elettroni: rapporto segnale rumore pari a 10, e nessuna elettronica al mondo lo migliora. Se lo amplificate per otto, avete 800 elettroni equivalenti di segnale e 80 di rumore. Il rapporto è ancora 10. L’immagine sullo schermo è più chiara, l’informazione dentro è la stessa di prima. Alzare l’ISO fa vedere prima quello che c’è, e non aggiunge niente a quello che c’è.

Dove smette l’analogico e comincia la finzione

Qui arriva la parte utile sul campo. Il guadagno analogico vero, quello applicato alla tensione prima della conversione, esiste solo fino a un certo punto della scala. La documentazione dell’API Camera2 di Android lo dichiara in modo esplicito con la caratteristica SENSOR_MAX_ANALOG_SENSITIVITY: sotto quel valore il dispositivo garantisce di usare solo amplificazione analogica, sopra quel valore il resto arriva dal processore d’immagine, cioè da una moltiplicazione fatta sui numeri già digitalizzati.

Quella moltiplicazione la potreste fare voi, dopo, con un cursore qualsiasi. Farla in camera costa un prezzo: gonfia i valori alti fino a saturarli e li scrive così nel file, e sui telefoni che applicano tone mapping prima di salvare, il danno diventa permanente. Se la vostra app di ripresa espone quel dato, guardatelo una volta e ricordatevelo, perché è il tetto oltre il quale state pagando in dinamica qualcosa che non ricevete in segnale. Se non lo espone, c’è un modo empirico: si sale a gradini, e si trova il punto in cui il fondo cielo diventa più chiaro ma le stelle deboli non guadagnano contrasto.

L’unico rumore che il guadagno tocca davvero

Un’eccezione onesta esiste, altrimenti tutte le fotocamere lavorerebbero a guadagno fisso. Il rumore di lettura, quello introdotto dall’elettronica nel momento in cui misura la carica, si comporta in modo diverso dal rumore di Poisson: alzando la conversione di guadagno il segnale utile viene amplificato prima dello stadio rumoroso, e il rumore di lettura riportato all’ingresso scende. È il motivo per cui i sensori moderni hanno una doppia conversione di guadagno, con una modalità ad alto guadagno pensata per le scene buie.

Il prezzo è scritto nella stessa riga: alzare la conversione riduce la capacità del pozzo. Un pixel documentato in letteratura, il DCG da 0,8 micron di un sensore da 64 megapixel presentato all’IEDM nel 2019, dichiara 12000 elettroni di capacità a pozzo pieno. A quel livello il rumore di Poisson vale circa 110 elettroni, quindi un rapporto segnale rumore intorno a 110: il massimo teorico che quel pixel può dare in uno scatto singolo. In modalità ad alto guadagno il pozzo si accorcia e quel massimo scende. Guadagnate sulle ombre, perdete sulle luci. Le stelle luminose stanno nelle luci.

Il criterio pratico, in tre mosse

Il tempo di posa si decide per primo, e a deciderlo è la rotazione terrestre attraverso il limite oltre il quale le stelle si allungano. Quello è un vincolo geometrico, il resto viene dopo.

Fissato il tempo, il guadagno serve a una cosa sola: staccare il fondo cielo dal fondo scala. Se il segnale del cielo resta appoggiato allo zero, i pochi elettroni raccolti finiscono schiacciati nei primi livelli del convertitore e la quantizzazione se ne mangia una parte. Il riferimento è l’istogramma, non l’anteprima: il picco del fondo cielo deve staccarsi dal bordo sinistro e sistemarsi intorno a un decimo della scala. Da lì in avanti ogni scatto di ISO in più è dinamica regalata via.

Terza mossa, quella che si dimentica sempre. L’ISO va tenuto identico per tutta la sessione, e identico anche nei frame di calibrazione: il rumore di lettura e il segnale di offset cambiano con il guadagno, e un dark ripreso a ISO diverso sottrae una cosa che nelle vostre luci non c’è. Vale anche per l’ordine inverso: se a metà nottata alzate il guadagno perché la Luna è tramontata, avete due serie, e vanno trattate come due serie.

Duecento scatti battono un cursore

Il conto che chiude la faccenda è sempre lo stesso. Sommando N scatti allineati il segnale cresce con N mentre il rumore casuale cresce con la radice di N: cento pose integrate valgono dieci volte il rapporto segnale rumore di una sola. Nessuna posizione del cursore ISO fa una cosa simile, per il semplice motivo che il guadagno moltiplica anche il rumore che sta cercando di coprire. Il tempo totale sul bersaglio è l’unica valuta che il cielo accetta.

Da qui viene una regola che sembra pigra ed è la più efficace: scegliete il guadagno più basso che vi tiene il fondo cielo staccato dallo zero, poi smettete di toccarlo e mettete le mani sul numero di scatti. Uno stack di trecento pose a guadagno moderato ha stelle con un colore leggibile, un fondo che si può stirare e frame di calibrazione ancora validi. Uno stack di trenta pose al massimo dell’ISO ha già dato tutto quello che aveva quando l’avete visto sullo schermo.

Il cielo, quanto a fotoni, è avaro in modo democratico. Li distribuisce a chi resta fuori più a lungo.