Torniamo allora ad affrontare l'argomento delle telecamere del Pentagono, perchè una delle caratteristiche che non sono state secondo me abbastanza investigate prima di procedere all'analisi del filmato rilasciato dal DoD e riproducente l'impatto di AA77 contro il Pentagono, è che le telecamere di sorveglianza del Pentagono erano a colori.
Potrebbe sembrare una affermazione strana, ma in realtà, dopo la lettura di questo articolo, spero che i motivi della mia perplessità possano essere più chiari.
Per poter procedere, bisogna capire come funzioni un CCD.
Esteriormente un CCD si presenta come un normale chip di memoria, cui però è stato lasciata aperta all'esposizione della luce la parte superiore.
Colpito dalla luce, cioè da un fascio di fotoni, ciascun elemento (pixel) del CCD produce una carica elettrica per effetto fotoelettrico.
Il meccanismo di funzionamento di un normale CCD è quello di creare in ogni pixel una carica elettrica proporzionale alla quantità di fotoni che colpiscono il pixel, indipendentemente dalla lunghezza d'onda dei fotoni stessi.
Il CCD, in pratica, non è sensibile alle lunghezze d'onda dei fotoni, cioè ai colori della luce.
Quindi l'immagine generata da un CCD è sempre in bianco e nero, dove ad ogni singolo pixel del CCD corrisponderà nell'immagine un punto con un valore di grigio proporzionale in intensità alla carica elettrica presente nel pixel.
In questa immagine è rappresentato il meccanismo di funzionamento di una telecamera dotata di CCD in bianco e nero:
Nelle realizzazioni commerciali, il singolo CCD è costituito da un insieme di pixel disposti per righe e per colonne; il meccanismo di funzionamento prevede che la carica di ciascun pixel debba essere prima memorizzata per poi poter essere convertita in segnale elettrico, cioè si pone il problema di avere pixel che generano la carica ed elementi che, per ogni singolo pixel, ne consentano la lettura.
Il metodo migliore, ma più costoso, sarebbe di avere tutti i pixel attivi per generare cariche e un numero pari di elementi non attivi in cui trasferire l'intera immagine, per semplice scorrimento riga dopo riga (frame transfer CCD).
Questo tipo di funzionamento sarebbe ideale e fornirebbe una immagine progressiva, ma sarebbe molto costoso, duplicando di fatto le dimensioni e l'architettura del CCD, motivo per cui l'utilizzo è riservato ad applicazioni particolari in cui sono richieste doti superiori di qualità dell'immagine; se non si vuole duplicare tutti i pixel con la creazione di una zona di trasferimento di pari dimensioni, si può utilizzare un CCD del tipo a fotogramma intero, privo di sistema di otturazione elettronico e di trasferimento, che necessita di un sistema meccanico esterno per stabilire il tempo di esposizione, cioè un otturatore meccanico che regoli la velocità di otturazione.
E' chiaro che un tale tipo di funzionamento impone che il CCD non sia utilizzabile durante il processo di trasferimento e memorizzazione dell'immagine (full frame CCD), e non può essere utilizzato in applicazioni video.
Commercialmente, si è invece diffuso un CCD in cui le singole colonne di pixel (elementi attivi generatori dell'immagine), si alternano a colonne che non hanno lo scopo di generare l'immagine, ma che servono per far scorrere lateralmente e quindi verso il basso le cariche generate da ogni singolo pixel, secondo un procedimento sequenziale che avviene in parallelo per tutte le colonne di trasferimento (interline CCD).
Le colonne di trasferimento confluiscono in un'unica riga orizzontale alla base del CCD, in cui le cariche vengono quindi fatte scorrere verso il sistema di memorizzazione.
Per essere brutali, immaginate un sistema simile a quello idraulico dei tetti per lo scarico dell'acqua piovana: se l'acqua rappresenta le cariche elettriche, le colonne di trasferimento verticali sono le canali di scolo e la riga orizzontale è una specie di grondaia in cui scaricano le canali.
Questo meccanismo risulta essere economico e veloce, consentendo l'implementazione di velocità di otturazione elettroniche anche elevatissime, perchè il tempo in cui attivare lo scarico delle cariche elettriche è fissato dall'elettronica del CCD e non ha parti meccaniche in movimento, oltre al fatto che già dopo il trasferimento sullo spazio di un solo pixel laterale (ogni colonna attiva ha al suo fianco una colonna per il trasferimento, cioè si dice che il CCD ha fill factor prossimo al 50%), il CCD è pronto a catturare una nuova immagine.
La velocità di otturazione allora non è altro che il tempo dopo cui viene fatto eseguire il trasferimento della carica dei pixel e può tranquillamente variare su un range da 1/20esimo di secondo a 1/100.000esimo di secondo.
Nel caso di produzioni video, la velocità più bassa è dettata dagli standard di trasmissione adottati, per cui è di 1/50esimo di secondo per il PAL e di 1/60esimo di secondo per lo standard NTSC (tale velocità è determinata dal numero di field ripresi al secondo, che sono 50 per il PAL e 60 per il NTSC).
Questo tipo di CCD consente la visualizzazione in diretta di ciò che il CCD sta riprendendo, quindi le macchine fotografiche o le telecamere che lo impiegano possono mostrare su uno schermo ciò che viene inquadrato e ripreso, mentre con CCD del tipo progressivo a scorrimento di immagine non risulta possibile effettuare preview durante la ripresa (questo è il motivo per cui le reflex digitali, dotate di CCD progressivi di alta qualità, non consentono di utilizzare lo schermo per impostare la fotografia).
La telecamera del Pentagono utilizzava un normale CCD con colonne di trasferimento (interline CCD).
Da quanto detto, risulta ovvio che non tutta la superficie del CCD è quindi utile per generare l'immagine, ma saranno solamente le colonne di pixel a fornire cariche elettriche utili, perchè le colonne di trasferimento non generano cariche.
L'immagine fornita dal CCD ha quindi una creazione un po' particolare: nasce da una colonna attiva, intervallata da una non attiva.
Ciò non significa che l'immagine sia a strisce verticali, ma che l'immagine, rispetto alla realtà, è un campionamento della luce che proviene dai soggetti inquadrati.
Una conseguenza dell'architettura Interline è che la luce che colpisce il CCD è sempre la stessa, ma una parte non viene raccolta, perchè colpisce le colonne non attive.
Per sopperire a questo problema, cioè alla minore luminosità del CCD, si sono studiate delle soluzioni tecniche micro-ottiche.
Un esempio è questa microfotografia della superficie di un CCD di produzione Sony, dove ogni singolo pixel è stato coperto da una microlente che raccoglie e concentra anche la luce che non cadrebbe direttamente sulla colonna attiva.
Come si può vedere, fra ciascun pixel ed il successivo restano ancora degli spazi non coperti da lenti; l'evoluzione tecnica ha consentito di diminuire l'ampiezza di questi spazi passivi, andando ad aumentare la densità delle lenti, come si può vedere in questa seconda microfotografia sempre di fonte Sony (fill factor prossimo a 90%):
Nonostante i miglioramenti evidenti, il CCD resta comunque un sistema che "campiona" la luce proveniente dall'oggetto e ne restituisce una rappresentazione discreta in termini di quantità di cariche.
L'immagine che viene prodotta, quindi, risulta avere una minore ricchezza informativa rispetto alla realtà, perchè parte delle informazioni viene comunque persa e STIMATA solamente con tecniche di interpolazione statistica fra i pixel adiacenti.
In merito alla luminosità di un CCD, è bene precisare che un CCD è tanto meno luminoso quanto maggiore è il numero di pixel presenti.
Il motivo è molto semplice: la quantità di luce che entra è sempre la stessa, ma viene raccolta da un maggior numero di ricevitori di dimensioni inferiori ed equamente distribuiti, quindi ciascuno di essi ne raccoglie una quantità minore.
Nel passaggio dal bianco e nero al colore, la situazione si complica ulteriormente.
Da questo grafico, che rappresenta la sensibillità ai colori dell'occhio umano,
risulta chiaro che tutta la gamma dei colori percepibili è ottenibile come sintesi additiva, con pesi diversi, dei tre colori fondamentali Rosso, Blu e Verde.
Per consentire la ripresa a colori da parte di un CCD, quindi, si è utilizzato questo fenomeno ottico, basato sulla sintesi dei tre colori fondamentali, trasportandolo nel mondo dei CCD.
Il problema da risolvere era come rendere capace il CCD di discriminare i fotoni appartenenti ai tre colori fondamentali.
Sono state realizzate due modalità costruttive, basate su due diversi metodi di lavoro, di cui il primo è il più preciso e costoso e trova impiego solo in apparecchiature ad alte prestazioni.
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- Il 3CCD -
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Si tratta di una soluzione elettro-ottica che sfrutta le regole della rifrazione e della riflessione dei fasci di luce in mezzi di differente densità.
L'apparato si compone di un prisma dicroico che scompone la luce bianca in ingresso nelle sue tre componenti di colore fondamentale, indirizzando ciascun fascio di luce colorata ad uno specifico CCD dedicato.
Dovendo avere informazioni sulla quantità di fotoni appartenenti, pixel per pixel, all'oggetto ripreso, la soluzione tecnica più raffinata è stata quella di dedicare un singolo CCD a ciascuna componente di colore fondamentale, triplicando così il numero dei CCD.
Lo schema di funzionamento è il seguente:
Quindi, dello stesso oggetto ripreso, si hanno tre immagini nei tre colori fondamentali, che vengono "miscelati" pixel per pixel in posizione analoga, per andare a generare l'immagine finale a colori.
Ad ogni pixel rosso, corrispondono un equivalente pixel blu e verde nei rispettivi CCD dedicati, nella stessa posizione di riga e di colonna.
In questo modo, l'immagine monocromatica diviene a colori senza alcuna perdita di dettaglio, ma... c'è un ma!
Il problema è sempre quello del costo, per cui questa soluzione è riservata solamente alle telecamere di fascia alta, certamente non a quelle dei sistemi di sorveglianza degli accessi.
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- Il filtro Bayer -
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L'uso del filtro Bayer, dal nome del suo inventore, è il metodo più economico e diffuso per ottenere immagini a colori da un solo CCD.
Il meccanismo su cui si basa é molto semplice: anteporre un filtro colorato ad ogni singolo pixel del CCD, in maniera da consentire il passaggio solamente ad una determinata lunghezza d'onda di radiazione, cioè solamente ad un colore.
La presenza del filtro Bayer riduce notevolmente la luminosità del CCD (con valori di riduzione anche del 75%).
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Dato che l'occhio umano è più sensibile al verde, la griglia del filtro ha un numero di pixel dedicati a raccogliere la luce verde pari al doppio del numero di pixel destinati alla luce rossa e blu.
Questo è il principio di funzionamento dei un CCD con filtro di Bayer:
Ricordando quanto accennato in merito al funzionamento del interline CCD, questo è quanto si verifica quando una immagine a colori viene trasferita per essere memorizzata:
In pratica, quindi, ogni singolo pixel della matrice del CCD riceve luce filtrata di un solo colore, quindi sul CCD si creano contemporaneamente tre immagini DIVERSE, ciascuna composta da luce di un solo colore fondamentale, con l'immagine del verde dotata di un numero di pixel doppio rispetto a quella in blu e in rosso, ma ciascun punto colorato di un'immagine rappresenta un unicum a livello spaziale, cioè non ci sono informazioni sulle 3 componenti di colore fondamentale per quel singolo punto, perchè le componenti di luce sono state filtrate (cioè eliminate) dal filtro Bayer.
E' importante sottolineare che, mentre nel sistema 3CCD ogni singolo pixel aveva un suo equivalente per posizione (riga e colonna) in ciascuna immagine di colore fondamentale, cioè di ogni punto si conosce esattamente la quantità di ciascun colore fondamentale che la caratterizza, nel caso dell'uso del filtro di Bayer non è più così.
In altre parole, con un sistema 3CCD le tre immagini nei tre colori sono uguali per definizione e possono variare solo per intensità, mentre nel sistema a filtro di Bayer le tre immagini sono tutte completamente diverse e senza nemmeno un singolo pixel in comune.
Il problema che sorge, allora, è capire come sia possibile riottenere in uscita da un CCD con filtro di Bayer un'immagine dove ciascun pixel abbia un colore definito da una miscela dei tre colori fondamentali, che NON esistono sul CCD per ogni pixel.
Ciò avviene attraverso un sistema di INTERPOLAZIONE CROMATICA, cioè l'immagine a colori generata da un sistema di questo tipo non è definita dalla reale componente di colore dell'oggetto, ma da un processo di elaborazione numerica in cui il dato finale nasce dal confronto del singolo pixel col valore di quelli accanto di diverso colore fondamentale.
In pratica, il contenuto cromatico dell'immagine viene ricostruito da un processo matematico, in cui le scelte di colore sono dettate dal confronto con i pixel a fianco (interpolazione spaziale del colore).
Per essere ancora più chiari, si hanno sul CCD tre immagini di diverso colore, ciascuna sfalsata dall'altra di un pixel sia in altezza che in larghezza, che vengono elaborate facendo nascere l'immagine finale che NON coincide con quella reale registrata, invece, da un sistema 3CCD.
L'immagine così ottenuta è generata a tutti gli effetti da un modello matematico di elaborazione statistica che dipende dalla bontà degli algoritmi implementati nell'elettronica di controllo del CCD (interpolazione lineare, bilineare, ecc.), ciò perchè per ogni pixel dell'immagine finale, solo uno dei tre colori fondamentali è effettivamente misurato, gli altri due sono solamente STIMATI sulla scorta dei colori misurati dai pixel a fianco.
Questo processo di interpolazione produce inoltre un effetto di filtraggio passa-basso, con una notevole sfocatura dell'immagine finale, tanto più evidente quanto maggiore è il dettaglio dell'immagine e minori le dimensioni in pixel degli oggetti esaminati.
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- CONCLUSIONI -
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Tornando quindi alla telecamera del Pentagono, questa era analogica, a colori, ad un unico CCD (quindi utilizzava un sistema a filtro di Bayer) e con CCD di tipo interline e funzionava in modalità interlacciata.
Riassumendo, quindi, l'immagine generata dal CCD della telecamera che ha prodotto le immagini native (quelle fornite in input al registratore a cassette - non quindi il filmato distribuito dal DoD, che è invece un'ulteriore rielaborazione in senso peggiorativo della qualità del filmato originale) risente di tutta una serie di effetti che ne alterano i valori di precisione di riproduzione della scena reale: l'immagine stessa è, dal punto di vista cromatico, non reale in quanto frutto di puro calcolo statistico basato su campioni parziali di diverse radiazioni monocromatiche.
A tutto questo dobbiamo aggiungere, naturalmente, anche gli effetti di scansione interlacciata già discussi in questo articolo.
Tutto ciò premesso, alla luce di quanto sopra esposto, patrimonio tecnico acquisito non solo dello stato della tecnica, ma che dovrebbe essere parte integrante delle conoscenze comuni di qualunque tecnico di livello che operi nel mondo dei sistemi di ripresa audio-video, qualcuno si sentirebbe di nuovo di fare analisi a "livello pixel", con operazioni rigorose come le differenze booleane fra immagini?
Io, francamente, no e vorrei vedere bene in faccia quella Corte che attribuisse valore di prova ad una immagine MAI ESISTITA nella realtà, perchè generata da un sistema matematico di calcolo e frutto di stime statistiche.
Per inciso, ricordo che un singolo frame del filmato originale interlacciato si compone di due field separati nel tempo e nello spazio, ciascuno dei quali proviene da un processo, come quello descritto, di interpolazione spaziale dei colori indipendente.
Ricordo che si sta ancora parlando delle immagini prodotte dalla telecamera e non si sta ancora trattando del video rilasciato dal DoD.
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Ora bisogna analizzare il prossimo anello della catena di produzione delle immagini: il formato video, il numero di linee TV ed il sistema di registrazione a cassette, che sarà oggetto del prossimo articolo.
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DOSSIER "LE TELECAMERE DEL PENTAGONO"
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- - Perchè non si vede chiaramente un aeroplano nei filmati del Pentagono?
- - Le telecamere del Pentagono: verità a confronto
- - Le telecamere del Pentagono: differenza fra telecamere analogiche e digitali
- - Le telecamere del Pentagono: differenza fra CCD a colori ed in bianco e nero
- - Le telecamere del Pentagono: segnale video e sua memorizzazione
- - Le telecamere del Pentagono: i videotape dello schianto di AA77
- - Le telecamere del Pentagono: i filmati digitali rilasciati dal DoD
- - I video del WTC: aeroplano che "scompare"
