Quattro pixel che ne fanno uno: perché di notte dodici megapixel battono cinquanta

Nell’app della fotocamera c’è un interruttore che promette il quadruplo. Di serie il telefono consegna dodici megapixel, toccando «50 MP» ne consegna cinquanta, e i file diventano quattro volte più pesanti. Di giorno la scelta cambia poco. Di notte cambia la fotografia, e quasi sempre in peggio, perché il sensore non ha guadagnato pixel: ha smesso di sommarli. Quella somma era il regalo migliore che vi faceva.

Sotto un filtro colorato ce ne stanno quattro

Il mosaico di Bayer, quello dei manuali, assegna un filtro colorato a ogni fotosito e li alterna secondo uno schema fisso. I sensori ad altissima risoluzione montati sui telefoni hanno cambiato le carte: i filtri sono raggruppati in quadrati di due per due, quattro fotositi sotto lo stesso colore. Samsung chiama Tetrapixel la propria versione della faccenda, e la scheda pubblica dell’ISOCELL JN1 dice le cose in modo abbastanza chiaro da poterle citare. Cinquanta megapixel da 0,64 micrometri dentro un formato da 1/2,76 di pollice. Quattro pixel adiacenti che lavorano come un solo pixel da 1,28 micrometri e restituiscono un’immagine da 12,5 megapixel con meno rumore. La piena risoluzione, aggiunge la stessa scheda, arriva da un algoritmo di re-mosaic che riordina i pixel, e lo fa quando la luce è abbondante.

Quel dettaglio andrebbe letto due volte. La modalità nativa di questi sensori è quella sommata: la piena risoluzione è una ricostruzione software di uno schema di Bayer che sotto i filtri non c’è. La ricostruzione lavora bene su una scena diurna piena di segnale. Su un cielo notturno lavora su dati poveri, e quello che inventa non è dettaglio, è un’ipotesi.

Il conto del rumore, fatto onestamente

Quattro fotositi che diventano uno raccolgono quattro volte i fotoni. Il rumore di conteggio cresce con la radice quadrata, quindi il rapporto segnale rumore raddoppia: due stop pieni, gratis, senza toccare né il tempo né il guadagno. È la stessa aritmetica che regge lo stacking, applicata dentro il chip invece che dentro il software.

A questo punto l’obiezione è legittima: scatto a cinquanta megapixel e riduco a dodici e mezzo a casa mia, con calma. Se la scena è dominata dal rumore fotonico, l’obiezione è corretta e i due percorsi si equivalgono. Il conto cambia quando entra in scena il rumore di lettura, quello che l’elettronica aggiunge nel momento in cui misura la carica. Se i quattro fotositi vengono sommati come carica prima di essere letti, quel rumore lo pagate una volta sola su un segnale quadruplicato. Se li leggete separatamente e li mediate dopo, lo pagate quattro volte e poi lo dividete per due. Nel primo caso il vantaggio sul rumore di lettura è doppio rispetto al secondo, e il cielo notturno è esattamente il posto dove il rumore di lettura conta, perché il segnale per pixel è miserabile.

Qui però bisogna essere precisi su cosa si sa. Se un dato telefono sommi in carica dentro il pixel oppure medi i valori già digitalizzati dentro il processore d’immagine, i costruttori raramente lo dichiarano. La differenza c’è, è misurabile, ed è una delle poche cose che potete verificare da soli con due serie di scatti. Nel dubbio, la modalità sommata resta quella che il sensore è stato progettato per usare al buio.

L’obiettivo non ha quel dettaglio da dare

Anche ammesso di volerlo pagare, il dettaglio in più deve arrivare da qualche parte, e l’obiettivo del telefono ha un limite fisico che nessun sensore aggira. Un’ottica da f/1.8, valore tipico della fotocamera principale, produce un disco di Airy largo circa 2,4 micrometri a 550 nanometri, che è la lunghezza d’onda a cui l’occhio lavora meglio e una scelta ragionevole per fare i conti. Su una griglia da 0,64 micrometri quel disco si spalma su quasi quattro pixel di diametro. Sulla griglia sommata da 1,28 ne occupa meno di due, che è più o meno il campionamento giusto per non buttare via informazione e non descrivere il vuoto con quattro cifre decimali.

Alla diffrazione si aggiunge tutto il resto: le aberrazioni ai bordi del campo, che su un grandangolo da telefono sono generose, e il movimento. Su un treppiede fisso le stelle si allungano dopo pochi secondi, e la loro immagine è già più larga del disco teorico prima ancora che il sensore la campioni. La lunghezza di quella traccia dipende dalla declinazione e dalla focale, e i conti stanno in un altro pezzo. Il punto è che la piena risoluzione promette di risolvere strutture più fini di quelle che l’ottica e la meccanica vi consegnano.

Quello che l’API dichiara, e quello che l’app vi passa

Da Android 12 la piattaforma tratta questi sensori come una categoria a sé: c’è una modalità detta di massima risoluzione affiancata a quella predefinita, e la documentazione della fotocamera prevede un flag, SENSOR_RAW_BINNING_FACTOR_USED, che dice se il buffer RAW che avete ricevuto è stato sommato oppure no. Esiste perché serve: senza, l’applicazione non ha modo di sapere che cosa ha in mano.

La ricaduta pratica è concreta. Un RAW a piena risoluzione può essere il file letto dal sensore in modalità massima, oppure il risultato del re-mosaic, e i due oggetti si comportano in modo diverso quando li impilate. La stessa cosa vale al contrario: certi telefoni salvano un DNG «da 50 MP» che a un esame dei dettagli fini ha la nitidezza di un file da 12,5 interpolato. Se la vostra app di ripresa espone il flag, guardatelo. Se non lo espone, vale il metodo di sempre, quello di chi controlla che cosa c’è davvero dentro un file invece di fidarsi dell’etichetta.

Il prezzo si paga a valle, e si paga tutto

Quattro volte i pixel significano quattro volte i dati da scrivere sulla memoria, da leggere, da allineare e da sommare. Su una sessione da trecento pose la differenza non è teorica: è lo spazio libero del telefono, sono i minuti in cui il processore scalda mentre voi vorreste continuare a scattare, ed è la temperatura del sensore che sale proprio mentre state cercando di tenere basso il rumore termico. L’allineamento paga un supplemento a parte, perché lavora sul riconoscimento delle stelle, e le stelle deboli su un frame a piena risoluzione sono molto più vicine al fondo.

Quando la piena risoluzione se la merita

Due casi, ed è onesto elencarli. La Luna, che di fotoni ne manda in abbondanza, sta in un regime dove il rumore non decide niente e la risoluzione decide tutto: se il vostro telefono legge davvero il sensore in modalità massima, un cratere in più può uscire, e vale la prova. Il Sole con un filtro certificato sta nella stessa categoria per gli stessi motivi. Su tutto il resto, cielo profondo, congiunzioni, campi larghi, paesaggi notturni, il calcolo si ribalta e i megapixel diventano un costo.

Il modo di chiudere la discussione è una serata sola, spesa bene. Stesso bersaglio, stesso treppiede, due serie da cinquanta scatti a poca distanza di tempo, una in modalità normale e una a piena risoluzione. Poi si riduce la seconda serie alla dimensione della prima e si guardano tre cose: la grana del fondo cielo alla stessa scala di visualizzazione, la larghezza a metà altezza di una stella isolata, il numero di stelle deboli che sopravvivono allo stretching. Il verdetto vale per il vostro telefono e per nessun altro, il che è esattamente il tipo di verità che serve sul campo.

Il numero grosso sulla scheda tecnica è stato scritto per il negozio. Il sensore, di notte, sa già cosa fare da solo.