Il nostro occhio, un sistema di campionamento perfetto?

Sono sempre stato molto affascinato dal fatto che tutti i sistemi che noi umani proviamo a creare emulano in qualche modo quello che già accade in natura, nonché dal fatto che la nostra capacità di riprodurre, in digitale oppure anche in analogico, i fenomeni che ci circondano è in qualche modo connessa alla nostra abilità come tecnici ma soprattutto alla comprensione che gli studiosi hanno maturato di ciò che accade intorno a noi. Da qui, tra le tante, una domanda: quanto velocemente riusciamo a vedere? I monitor e le TV che usiamo sono effettivamente adatti ai nostri occhi? Esistono dei limiti? Scopriamolo insieme.

Introduzione

Pensando all'utilizzo che facciamo del nostro apparato visivo, mi sono chiesto quanto effettivamente l'elaborazione dei segnali video, la proposizione di film e messaggi multimediali, nonché l'ottimizzazione di queste che ormai sono tecniche diffusissime, sia basata su ciò che effettivamente serve. In effetti, ad esempio, quanto accade nel campo musicale rispetto alla frequenza di campionamento pari a 44.1 kHz non è indispensabile per produrre un suono che sia qualitativamente simile a quello che effettivamente possiamo percepire. Questo perchè lavoriamo ad una frequenza superiore rispetto a quella che l'orecchio umano è in grado di sentire, come semplice applicazione del teorema di Shannon. La sensibilità di 20 kHz, infatti, è il limite superiore dell'orecchio "quadratico medio" e non viene mai superata. Esistono, tuttavia, dei casi particolari di ipersensibilità così come tecniche in campo musicale che lavorano a frequenze più elevate o sovra-campionando il segnale in maniera importante.

Esplorando il settore scientifico dell'analisi e dell'elaborazione video ho fatto due conti ed ho deciso di approfondire il tema. Tanto per iniziare, esiste un fraintendimento di fondo nel modo in cui concepiamo i nostri occhi per cui siamo in grado di elaborare soltanto 30 frame al secondo. Questo è, in effetti, un errore concettuale che però si rifà ad una tradizione relativa alla filmografia ed in particolare al primo lungometraggio, girato a 24 frame al secondo, diventato uno standard de facto per quasi un secolo (figura 1).

Un proiettore al lavoro

Figura 1: Un proiettore al lavoro

Un film che viene eseguito proiettando 24 frame al secondo ha, in effetti, una spiegazione dal momento che il proiettore, usato per lungo tempo nella sua versione analogica più datata, è progettato per lavorare in maniera tale da, per l'appunto, proiettare l'immagine su uno schermo molto grande e ciascun frame viene proposto una volta. Dal momento che l'occhio umano è capace di gestire nativamente un effetto come il "motion blur”, e dal momento che ciascun frame viene proiettato una sola volta, quello che serve è una sorta di effetto di smussamento nella transizione da un'immagine alla successiva.

Tecniche di proposizione del video

Prima di passare oltre, e approfondire il concetto di "motion blur" e della transizione, è utile capire come sono cambiate le tecniche di proposizione del video ovvero quali strumenti sono stati utilizzati, quali erano i loro limiti ed in che modo sono stati superati dall'avanzamento tecnologico.

CRT

Cathode Ray Tube (CRT) è un acronimo molto conosciuto che ci ha accompagnato per tanto tempo. La struttura di base è abbastanza semplice e costituita da un tubo a vuoto che contiene un cannone ad elettroni, uno schermo fosforescente sensibile alla radiazione ed un sistema di deflezione del fascio. La visualizzazione dell'immagine risultante avviene come effetto dell'indirizzamento del fascio elettronico sullo schermo e dell'eccitazione dei fosfori in posizioni precise e specificate tramite il sistema di deflessione garantisce la formazione dell'immagine stessa.
Le applicazioni viste fino a questo momento sono state tantissime non soltanto nel campo della ricerca scientifica e della strumentazione da laboratorio, come la rappresentazione di forme d'onda nei più vecchi oscilloscopi, ma anche in campo consumer, con la creazione di televisioni e monitor per computer.
Per lungo tempo in ambito militare e aeronautico, i monitor a tubo catodico sono stati il sistema di visualizzazione principale del tracciamento radar e in tanti altri campi questa tecnologia è stata significativa per diverso tempo.

Soprattutto nei paesi che lavorano con tensione di rete pari a 60 Hz, il cosiddetto refresh rate, ovvero l'aggiornamento dello schermo, incide proprio in maniera del tutto coerente a questo valore; infatti, 60/2 equivale a 30 frame al secondo.
Un televisore funziona facendo comparire una serie di immagini ciascuna delle quali è divisa in linee orizzontali parallele con un certo passo. Dal momento che il frame rate è la metà del refresh rate (e questo spiega la divisione effettuata poco prima), la transizione tra ciascun frame diventa graduale. Uno dei problemi principali del tubo catodico è la velocità di rappresentazione delle immagini, nonché la loro precisione e profondità, dal momento che era proprio la tecnologia dei fosfori a limitare il dettaglio visivo.
Molti problemi, nel corso del tempo, sono stati anche sollevati circa la pericolosità degli apparecchi, dal momento che sbalzi di tensione o altre problematiche di natura elettrica hanno portato questi apparecchi in più casi ad episodi di implosione causando anche incendi. Da queste esperienze, e dall'avanzamento tecnologico, ha preso vita la successiva generazione di display e monitor.

I cristalli liquidi

Lo schermo a cristalli liquidi, in sigla LCD (Liquid Crystal Display) è una tipologia di display che introduce diverse migliorie rispetto alle generazioni a tubo catodico. Prima di tutto, lo schermo in questo caso è piatto, mentre nel caso del tubo catodico lo schermo era curvo. La deformazione risultante sull'immagine causava diversi problemi rispetto alla fruizione della stessa, soprattutto quando la direzione di osservazione non era precisamente frontale.
Con l'introduzione dei cristalli liquidi si è avuta anche una notevole evoluzione in termini di dimensioni, che hanno cominciato a variare da poche decine di millimetri fino alle centinaia di pollici. I campi di applicazione di questa tecnologia sono stati svariati, a partire dall'ambito video, principalmente nella realizzazione di computer portatili, fino alla creazione di maxischermi e sistemi di visualizzazione più complessi.

Rispetto ai principi fisici di funzionamento, la base dei cristalli liquidi è una proprietà ottica di queste particolari sostanze, liquidi intrappolati fra due superfici vetrose ricche di contatti elettrici ai quali sono applicati piccoli campi elettrici. La frammentazione dell'immagine, risultante dalla settorialità della stimolazione elettrica, ha portato all'identificazione di un'unità di misura equivalente, ovvero di pixel, (picture element). Tali elementi non sono fisicamente separati ma adiacenti e le loro numerosità, densità a parità di superficie di visualizzazione e luminosità rappresentano alcuni dei parametri che hanno permesso di rendere questi schermi estremamente utili per rappresentare delle immagini ricche di dettaglio senza perdere qualità.
Sulle facce esterne dei pannelli sono posti due filtri polarizzatori che, una volta applicato il campo elettrico, consentono alla luce di passare dopo che essa è stata a sua volta attraversata proprio dai cristalli liquidi i quali, all'applicazione della tensione di polarizzazione, hanno subito una rotazione di 90°. Nella tecnologia a cristalli liquidi è eliminato un fenomeno che si aveva con il tubo catodico ovvero la persistenza dell'immagine. Una volta cessata l'emissione del raggio per qualche secondo si poteva continuare a vedere l'immagine proposta per ultima. Essa sbiadiva fino a scomparire in poco tempo ma il fenomeno di eccitazione dimostrava una differenza rispetto a quanto avviene nei cristalli liquidi che non continuano la proposizione dell'immagine una volta che la polarizzazione è cessata. Quando il campo elettrico non è applicato, infatti, le molecole di liquido non sono allineate parallelamente al campo stesso e pertanto non vi è alcun fenomeno di polarizzazione. Il controllo della rotazione dei cristalli in ciascun pixel può avvenire soltanto quando questo elemento sia perfettamente funzionante. Nel caso in cui ci siano pixel danneggiati, essi restano sempre spenti e non propongono alcuna radiazione luminosa. In termini di qualità dell'immagine, come dicevamo prima, le dimensioni variano dai 12 ai 100 pollici con risoluzioni che vanno da 640 x 480 fino a 3840 x 2160 pixel, nelle applicazioni più comuni. È possibile trovare anche maggiori dimensioni, risoluzioni e densità, in casi particolari di applicazioni specifiche.

Il Plasma

Quando parliamo di schermi al plasma ci riferiamo a dispositivi la cui sigla è PDP, che sta per Plasma Display Panel, ovvero una particolare tipologia in cui la fisica è ancora una volta molto diversa.
Vi sono una serie di piccole celle posizionate tra due pannelli di vetro che contengono una mistura di gas nobili inerti. Nello specifico parliamo di Neon e Xeno. Le cellule che contengono la mistura di gas sono soggette a polarizzazione tramite la quale si induce lo stato di plasma, ovvero un particolare stato di ionizzazione del gas costituito da un insieme di particelle cariche, eccitate, ma che nel complesso possiedono carica nulla. In questo, che è considerato a tutti gli effetti il quarto stadio della materia, che si aggiunge a quelli solido, liquido e riforme, i moti complessivi delle particelle sono dovuti ad interazioni elettriche e a forze che esercitano la loro attività su un lungo raggio. Il bilancio complessivo di tali forze in azioni, però, rimane nullo e proprio per questo motivo il plasma risulta uno stato estremamente ben conduttivo dal punto di vista elettrico e che risponde a sollecitazioni di tipo elettromagnetico.

Questi principi fisici di funzionamento sono molto utili nella visualizzazione delle immagini perché gli elettrodi che controllano le singole celle all'interno di uno schermo creano la differenza di potenziale che causa la ionizzazione del gas e la formazione del punto. Quando gli ioni del gas si dirigono verso gli elettrodi, causano l'emissione di fotoni che quindi generano la radiazione luminosa. Tutto questo sembra molto facile da gestire (finchè è tutto bianco o nero)... ma come si crea il colore?
Quando lo schermo è monocromatico lo stato ionizzato può essere mantenuto utilizzando un basso voltaggio applicato a tutti gli elettrodi. Quando invece vogliamo che ci sia del colore e che quindi i pannelli non siano progettati per emettere luce solo di una lunghezza d'onda, la struttura viene modificata in maniera tale che il retro di ogni cella sia rivestita con un fosforo e che i fotoni emessi dal plasma possano effettivamente eccitare i fosfori per restituire l'informazione sul colore. Anche per questa tecnologia si parla di pixel e ciascuno di essi è composto a sua volta di tre celle separate ciascuna con colori diversi. È facile immaginare di quali colori stiamo parlando: le componenti sono R (Red), G (Green) e B (Blue). Quando vengono variati gli impulsi di corrente che scorrono attraverso le celle, il sistema può [...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 3819 parole ed è riservato agli abbonati MAKER. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici MAKER e potrai fare il download (PDF) dell'EOS-Book del mese. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.

Abbonati alle riviste di elettronica

Una risposta

  1. Marcello Colozzo Marcello Colozzo 10 settembre 2018

Scrivi un commento

EOS-Academy