Funcionamiento del sensor y valores ISO

Me gustaría tratar en este artículo dos conceptos muy relacionados entre si: el principio de funcionamiento del sensor de una cámara y la variación de la sensibilidad ISO. Vais a ver que algo como cambiar el valor ISO antes de tomar una fotografía no es más que actuar sobre la señal digital generada por el propio sensor, así que lo mejor es que comencemos a ver cómo se transforma la luz en señales eléctricas para repasar luego cómo trata la electrónica de la cámara dichas señales.

¿En qué se basa el sensor de una cámara digital?

sensord2x

El sensor de una cámara digital está formado por una matriz de fotocaptores, que son unos componentes electrónicos que reaccionan ante la luz dando a su salida una señal eléctrica proporcional a la intensidad lumínica que incide sobre ellos. Cada uno de estos fotocaptores reacciona ante un color primario (rojo, verde o azul), por lo que cada píxel de una fotografía es “pintado” por tres de estos componentes (aunque en realidad son cuatro porque el verde se repite debido a la estructura del patron Bayer).

La imagen que tenéis a continuación sería una pequeña porción de la superficie de un sensor vista al microscopio; siendo cada una de esas “burbujas” un píxel.

photodiode

Claro, en el diagrama vemos que cada píxel sólo reacciona ante uno de los tres colores anteriormente mencionados, así que… ¿cómo se determina la mezcla de colores que define el tono final de cada punto de la imagen?

Aquí es donde entra en acción el famoso patron Bayer, que no es más que una interpolación de los valores de los píxels con sus adyacentes para, mediente complejas fórmulas matemáticas, hacer un promedio con el que averiguar el color de cada píxel que forma la imagen.

Con el siguiente corte lateral os podréis hacer una idea de cómo capta la imagen el sensor de la cámara: la luz atraviesa unas minúsculas lentes para concentrarla sobre la superficie de cada uno de los fotocaptores de cada píxel (se diferencian mediante los filtros cromáticos que hay en ellos) y al llegar a lo que es el fotodiodo como tal (la parte de electrónica interna de cada fotocaptor) se convierte en un impulso eléctrico que interpretará el circuito electrónico de la cámara.

Microlenses

Pues bien, lo que llamamos sensibilidad ISO no es más que una medida de la capacidad del sensor de la cámara para captar la luz (hace años indicaba la sensibilidad de los carretes, así que el concepto sigue siendo el mismo). Los sensores digitales tienen una sensibilidad base única (ISO 200 en la mayoría de las réflex Nikon) y partir de ella se ponen a disposición del fotógrafo múltiplos y divisores para ayudarle a adaptarse de la mejor manera posible a la iluminación existente ya que, a diferencia del carrete, podemos cambiar ese valor en cada fotografía que vayamos a disparar.

A grandes rasgos, cuanto más alto es el valor ISO más sensibilidad va a mostrar la cámara. Si, por ejemplo, pasamos de ISO 200 a ISO 400 la cámara va a ser el doble de sensible ante la luz, por lo que podremos disparar la fotografía con una velocidad el doble de rápida que la original para congelar el movimiento o bien cerrar un paso el diafragma (un paso significa una diferencia del doble o la mitad en la cantidad de luz) empleando la misma velocidad que en la fotografía a ISO 200, permitiéndonos obtener una mayor profundidad de campo. Hay multitud de combinaciones en función del efecto que queramos obtener en la fotografía; pero todo se basa en jugar con los cuatro principios básicos de la fotografía digital.

ISO por encima del valor base

La playa de noche

Al seleccionar un valor ISO por encima del base estamos amplificando la señal que sale de cada fotocaptor; y más cuanto más alto sea el ISO seleccionado. Suponiendo un ISO base de 200, al seleccionar 400 estamos amplificando la señal por dos, con ISO 1600 la amplificamos cuatro veces… y así sucesivamente.

Obviamente de la nada, nada se saca (como decía un profesor de mi colegio al referirse a los alumnos más vagos) por lo que esa amplificación de la señal conllevará una cierta pérdida de calidad debida a que el paso de analógico (mundo real) a digital (sensor) lleva aparejado un cierto error que, aunque sea muy pequeño, también es amplificado junto con el resto de la señal, por lo que a ganancias elevadas éste empieza a ser visible. Vamos a ver esto mismo con un ejemplo un poco más tangible:

Imaginad que tenemos una grabación de voz en la que hay un siseo de fondo que representa solamente un 1% de lo que se escucha por los altavoces. El ruido será tan bajo que va a ser indistinguible incluso cuando estemos callados; pero si amplificamos la grabación ocho veces, la relación entre la señal y el ruido no va a cambiar (seguirá siendo un 1% de lo que se escucha) pero cuando estemos callados el siseo va a escucharse ocho veces más alto que en la grabación original, por lo que en este caso será claramente distinguible.

Más o menos así es como se justifica lo que os explicaba el otro día sobre que el ruido de una fotografía se aprecia sobre todo en las zonas oscuras de la misma (serían como los silencios en nuestra grabación) por lo que tratando que la imagen quede expuesta de una forma uniforme y luminosa, el ruido no debería ser un gran problema aunque estemos empleando valores ISO elevados.

ISO por debajo del valor base

Parábolas

Por su parte, también pueden existir valores ISO inferiores al de base (para permitirnos tiempos de exposición más o menos largos en condiciones de mucha luz o la posibilidad de abrir mucho el diafragma); algo que se lograría atenuando la señal procedente de los fotocaptores. Si a partir de un ISO base 200, atenuamos la señal a la mitad tendremos un ISO 100; y si la atenuamos a una cuarta parte obtendremos un ISO 50.

De cualquier modo, como en cualquier proceso realizado sobre una señal digital codificada, va a haber una cierta pérdida de calidad que, si bien no va a ser tan evidente como en el caso de la amplificación, viene a decirnos que si queremos obtener la mejor calidad de imagen (para un trabajo de estudio o para fotografías “tranquilas” y en condiciones luminosas adecuadas) lo ideal sería emplear el ISO base de la cámara.

Cuando mi amigo Joe pasó directamente de una cámara analógica a una réflex digital, lo que más le gustó (casi más que el hecho de poder ver los resultados inmediatamente en pantalla) fue la posibilidad de variar el valor ISO a voluntad y de manera instantánea; pues en las cámaras de carrete no te quedaba más remedio que aguantar con la misma sensibilidad durante todos los fotogramas del rollo aunque a una foto nocturna le siguiera al día siguiente otra a pleno sol.

Pato, pico, pluma

Bueno, ahora ya sabéis todo lo que estáis desencadenando en la electrónica de vuestra cámara cada vez que hacéis algo tan sencillo como cambiar el valor ISO antes de disparar una fotografía. ¿Os imaginabais que ocurrían tantas cosas ahí dentro?  😉

* Todos los artículos de este tipo en https://luipermom.wordpress.com/fotografia

14 pensamientos en “Funcionamiento del sensor y valores ISO

    • Por las visitas a este tipo de artículos en las últimas fechas veo que están conectando bastante bien con la gente, así que seguiré en esa línea. De cualquier modo, ya comenté el otro día que tengo preparados una decena de ellos, así que poco a poco iré sacándolos a la luz.

      ¡Muchas gracias por tu comentario! 🙂

  1. Hasta donde yo se, la mayoria de las camaras que dicen tener por ej 21 megapixels, tienen simplemente eso, 21 millones de photodiodos o fotocaptores (en realiadad simpre es un poco mas, se suele especificar el total de photodiodos por ejemplo 22 millones en este caso, y los photodiodos utiles, 21 millones).
    Incluso el sensor Foveon de Sigma, para lograr 6 megapixels usa el triple de photodiodos, 18, un por cada color, pero nunca he visto una cifra de el cuadruple como se afirma aqui.

    “Daos cuenta de que en un sensor de 6 megapixels va a haber un total de 24 millones de fotocaptores: 12 millones de color verde, 6 de azul y otros 6 de rojo. Y sí, en una Nikon D3x con sus 24,5 Mpixels, va a haber 98 millones de fotocaptores en una superficie de poco más de 8 centímetros cuadrados. Impresionante, ¿verdad?”

    • Efectivamente, me he estado mirando el tema con detenimiento y en ese punto he pegado una patinada considerable. Al leer la teoría de la interpolación Bayer pensé que se hacía con cuatro componentes que luego se mezclaban para dar un sólo píxel, pero gracias a tu comentario he comprendido que lo que se hace es tomar grupos de cuatro píxels y ejecutar un algoritmo de interpolación para colorear cada uno en función de los que hay a su alrededor.

      Por supuesto, en cuanto saque un rato corregiré ese apartado del artículo; pero te agradezco enormemente que me lo hayas comentado, ya que si no lo más seguro es que siguiera en mi error.

      ¡Un saludo!

      EDIT: Artículo corregido. ¡Gracias por la indicación!

  2. Pingback: Anónimo

  3. Impecable Luís como siempre; esto sería como el funcionamiento de un televisor pero a la inversa; en el TV la electricidad genera luz ya sea por los puntos de fosforo, de las celdas de cuarzo en el LCD o de los led en los LED TV, pero siempre formando un pixel con el componente RGB; en este caso la luz es la que genera los pulsos eléctricos.
    Con respecto al ISO estándar de 200 que mencionas, entiendo que es el mejor ISO para usar en todo terreno para así tener más margen de jugar con los demás parámetros de la cámara?…….. yo todavía sigo algo atado mentalmente a la réflex de carrete y estoy usando ISO 100 en la digital.

    Saludos

    • Hola Gustavo:

      El ISO que da menos ruido es aquel considera como el “base” de la cámara. En mi D40 es 200, pero por ejemplo en la D300 o la D90 es 100. Pero ojo, esto no quiere decir que el ISO base sea el más bajo de todos, ya que hay modelos que comienzan en ISO 200 pero tienen disponible un ISO 100 “por software”, pero en tal caso, aunque el ISO sea más bajo obtendremos una imagen más “limpia” empleando ISO 200.

      Normalmente los ISOS por debajo del base se nombran con una nomenclatura especial que comienza por LO (LO .3, LO 1…)

      ¡Un saludo y gracias por tus palabras!

  4. Entonces, si básicamente es una amplificación de señal/ruido para tener mas luz convertida a señal digital…¿no sería lo mismo amplificar un RAW por software en la computadora?¿o realmente el RAW no lleva toda la información?

      • Pensándolo bien y leyendo por ahí que los diferentes ISO’s se obtienen variando el nivel de amplificación analógica de la señal entregada por el sensor antes de digitalizarse, es evidente que no puede ser lo mismo ya que el RAW llevará incorporado el ruido aumentado por la amplificación analógica en su información.
        Gracias por responder, un saludo

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