El difícil equilibrio entre resolución y sensibilidad en los sensores digitales

Cuando hace unos días me explayaba sobre el tema de la sucesión de la D90 os comenté que en lugar de elevar la resolución del sensor que equipará la nueva cámara preferiría que los ingenieros de Nikon se centraran en potenciar la calidad de imagen y la contención del ruido a sensibilidades elevadas.

Tal vez alguno de vosotros sé esté preguntando por qué no podemos tener las dos cosas, de modo que he pensado en escribir este artículo para tratar de explicaros de una forma sencilla el motivo por el cual a la hora de diseñar el sensor de una cámara digital hay que buscar un compromiso entre resolución y sensibilidad al no ser posible (al menos con los medios actuales) tener ambas cosas a la vez.

Recordando cómo capta la luz el sensor de la cámara

La tienda de Alcalá

En su momento ya hablamos sobre el modo en el que están dispuestos los fotocaptores que conforman la superficie del sensor y que son los encargados de transformar la luz incidente en impulsos eléctricos; así que hoy vamos a hablar a un nivel más general para ver de qué depende la generación de ruido en la imagen final.

Aunque luego se aplicarán algoritmos de reducción de ruido ya sea en la propia cámara o en nuestro programa de edición de imágenes habitual para generar la imagen, vamos a hablar sobre los datos “en bruto” para comprender qué es lo que capta exactamente el sensor y por qué aparece ruido en esos datos.

El ruido en la imagen

La generación del ruido en una u otra cámara empleando la misma sensibilidad ISO depende fundamentalmente del tamaño de los fotocaptores que conforman la superficie del sensor. Parámetro que podemos estudiar mediante la densidad de pixels (vamos a adoptar el criterio de que un fotocaptor es un píxel) por centímetro cuadrado o directamente por el tamaño del mismo expresado en micrómetros (μm); y puesto que creo que es más descriptivo imaginar un cuadrado de un centímetro de lado emplearé la primera forma para hacer las comparaciones necesarias.

Una ducha

Vamos a ver la densidad de fotocaptores en diversos tipos de sensores para luego tratar de explicar de dónde proviene el ruido generado:

  • Sensor Full Frame (36 x 24 mm) de 12 Mpixels: 1.4 MP / cm²
  • Sensor Nikon DX (24 x 16 mm) de 6 Mpixels: 1.6 MP / cm²
  • Sensor Full Frame de 24 Mpixels: 2.8 MP / cm²
  • Sensor Canon APS-C (22 x 15 mm) de 10 Mpixels: 3.1 MP / cm²
  • Sensor Nikon DX de 12 Mpixels: 3.3 MP / cm²
  • Sensor 4/3 (17 x 13 mm) de 12 Mpixels: 5.1 MP / cm²
  • Sensor Canon APS-C de 18 Mpixels: 5.4 MP / cm²
  • Sensor de 1/2.33″ (6.1 x 4.6 mm; habitual en compactas) de 14 Mpixels: 50 MP / cm²

Como veis, la diferencia en el número de pixels embutidos en un centímetro cuadrado puede llegar a ser notable entre unos sensores y otros; y puesto que cuanto más baja sea la densidad de fotocaptores mejores resultados vamos a obtener, no parece una buena idea de cara a la calidad final de la imagen fabricar sensores de pequeño tamaño con una resolución desmesurada (es lo que está ocurriendo con algunas cámaras compactas de reciente aparición). No va a ser lo mismo tener 1.4 millones de fotocaptores en un área del tamaño de la uña del dedo meñique a meter cincuenta millones de ellos en la misma superficie.

Una comparación clarificadora

Podéis imaginar que cada fotocaptor es un pozo en el que se meten los fotones cuando se abre el obturador de la cámara y así la electrónica interna puede saber cuánta luz alcanza la superficie del sensor sin más que contar el número de fotones que han caído en el pozo. Evidentemente, cuanto mayor sea el diámetro de este pozo más fotones se van a introducir en él y más precisa será la medida de la luz así como la fidelidad de la fotografía con respecto a lo que ven nuestros ojos.

Patio trilingüe (VII)

Cuando en la imagen obtenemos un tono negro puro es porque no se ha introducido ni un sólo fotón en el pozo correspondiente, mientras que cuando tenemos una zona de la foto quemada (completamente blanca) es porque los pozos correspondientes han superado su capacidad máxima de guardar fotones y se han “desbordado”. Cualquier tono intermedio entre el blanco y el negro viene dado por la cantidad de fotones que han entrado en el pozo durante la exposición de la fotografía.

Por cierto, me gustaría aprovechar para comentaros que este tema fue tratado más en profundidad en el artículo que habla sobre el derecheo del histograma, ya que dicha técnica se basa precisamente en el modo de funcionamiento de los conversores A/D que son, precisamente, los circuitos electrónicos encargados de contar los fotones como os comentaba en el párrafo anterior.

Continuando con la explicación, lo que sucede cuando se cierra el obturador es que se cuentan los fotones de cada pozo y esa cifra pasa a la electrónica de la cámara que mediante otra serie de parámetros (balance de blancos, nitidez, espacio de color…) conformará la imagen final. Si estamos empleando el ISO base de la cámara la cifra se mantiene intacta para calcular los valores de luminosidad en la imagen final, pero si estamos empleando una sensibilidad superior la cifra se multiplicará por el factor correspondiente de tal modo que estaremos amplificando digitalmente la señal digital de la cuenta de los fotones. Si la ISO base de la cámara es 200, usando una sensibilidad de 400 estaremos multiplicando por dos. Si empleamos ISO 3200 estaremos multiplicando por 16…

Puntos

La importancia del tamaño del fotocaptor

Pues bien, imaginad que tenemos una de esas cámaras en las que el tamaño de los fotocaptores es bastante amplio (el mejor caso posible de los que hemos visto antes es un sensor FF de 12 Mpixels). Para seguir con nuestra metáfora vamos a imaginar que en cada uno de esos pozos caben 100 fotones. Del mismo modo, vamos a imaginar que el minúsculo sensor de una compacta de 14 Mpixels se compone de pozos tan pequeños que en cada uno de ellos entra un máximo de 5 fotones. Es evidente que no es lo mismo cubrir una misma superficie de terreno con pocos pozos pero muy amplios (sería el caso de un sensor con una densidad de pixels baja, donde cada pozo sería como una piscina) o con muchos de ellos pero de un tamaño muy reducido (que es lo que sucede con los sensores de pequeño tamaño y mucha resolución, donde los pozos son en realidad cubos).

Como podréis suponer, la precisión a la hora de medir la luz en uno u otro sensor va a ser muy diferente, teniendo un comportamiento mucho más afinado el primero de ellos por su mayor precisión a la hora de medir la luz que ha incidido sobre cada fotocaptor. Pero sobre todo, esa mayor precisión se pone de manifiesto a la hora de subir la sensibilidad, ya que cuanto más precisa sea la medición de la luz incidente, más podremos multiplicar el resultado sin desviarnos de la medida real.

Paseantes de la calle Mayor

De hecho, el ruido no son más que medidas anómalas en algunos de los pozos. Si los fotocaptores tienen un buen tamaño, los errores de medida serán pequeños y por tanto apenas tendremos ruido. Sin embargo, en el caso de fotocaptores de escaso tamaño puede haber errores considerables que se incrementarán notablemente cuanto más amplifiquemos digitalmente la señal.

Una aplicación real de todo lo anterior

Un ejemplo práctico de todo esto que os he contado hoy lo tenéis en lo más alto del actual catálogo de Nikon: a mediados de 2007 la firma japonesa presentó su primera cámara con sensor Full Frame, la D3, que daba muy buen rendimiento a ISOs elevados a costa de contar “sólo” con 12 Mpixels de resolución. Unos meses después Nikon evolucionó la D3 en dos ramas diferentes: por un lado la D3x, que aumentaba la resolución del sensor hasta los 24 Mpixels orientando la cámara hacia el trabajo en estudio (donde la iluminación la controlamos nosotros) y por otra la D3s, que mantiene los 12 Mpixels de la D3 original pero es capaz de emplear unas sensibilidades ISO brutales debido a la optimización del sensor para labores de fotoperiodismo donde no siempre hay suficiente luz como para trabajar a gusto.

Carrusel nocturno

Resumiendo

Si tenemos un sensor con una densidad de pixels muy alta (pequeño tamaño y/o gran resolución) los fotocaptores van a ser de pequeño tamaño y no van a poder captar demasiada luz perdiendo precisión a la hora de digitalizarla. Precisamente debido a estos errores de muestreo es por lo que se va a generar un cierto nivel de ruido que será más visible cuanto más forcemos la sensibilidad del sensor seleccionando un valor ISO superior, ya que lo que estaremos haciendo es amplificar digitalmente esta señal junto con su error asociado.

Debido a que los sensores Full Frame disponen de una superficie que duplica a la de un sensor APS-C, a no ser que cuenten con una resolución brutal, van a tener una densidad de fotocaptores bastante baja que va a garantizar a las cámaras equipados con ellos un comportamiento ejemplar en condiciones de poca luz así como al emplear sensibilidades ISO elevadas.

Fuente de aguadores

Los algoritmos de reducción de ruido así como el avance de la electrónica en general ayudan a que al final del proceso de generación de la imagen el ruido disminuya en mayor o menor grado, pero jamás podremos pedir un buen rendimiento en condiciones de luz deficiente al minúsculo sensor de una compacta en el que se han embutido más de diez millones de fotocaptores sobre una superficie poco mayor que la de cualquiera de las letras que conforman este texto.

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

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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?  😉

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