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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Usando valores ISO altos sin miedo al ruido

Normalmente tendemos a disparar nuestras fotografías con la sensibilidad ISO más baja posible para obtener la máxima calidad de imagen. En el caso de mi Nikon D40 tengo disponibles los valores 200, 400, 800, 1600 y 3200; y aunque siempre que puedo intento disparar a ISO 200 porque preserva mejor la pureza de los colores, no es menos cierto que con un poco de cuidado a la hora de calcular la exposición no hay excesivo problema en emplear ISO 800 o incluso 1600 (cosa que viene muy bien en entornos con poca luz o en los que las cosas se mueven con rapidez).

Lo que hoy me gustaría explicaros con un par de ejemplos es el modo de poder usar valores ISO elevados sin obtener unas fotografías llenas de ruido y con unos colores poco fieles a la realidad; motivos por los que sistemáticamente muchos evitamos a toda costa pasar del valor ISO base o como mucho el siguiente.

Fijaos en las dos imágenes siguientes a ver si sois capaces de distinguir cuál es la disparada a ISO 400 y cuál fue realizada con el ISO 1600 seleccionado.

ISO xxxx

ISO xxxx

Como podéis comprobar, a tamaños no demasiado grandes ambas imágenes son casi indistinguibles; y de hecho podéis pinchar sobre cada una de ellas para acceder a diferentes versiones a más resolución mediante el icono de la lupa.

Es verdad que en la segunda se nota que hay algo más de ruido porque, efectivamente, esa es la correspondiente al ISO 1600; pero el hecho de que ambas sean prácticamente idénticas se debe al hecho de que la primera fue disparada con una leve subexposición y luego corregida en Adobe Lightroom mientras que la segunda fue realizada con una exposición tal que la foto quedó bastante luminosa. Vamos a fijarnos con atención en una misma zona de cada una de las imágenes para ver mejor las diferencias. Como antes, la primera corresponde al ISO 400 y la segunda al ISO 1600:

ISO xxxx (detalle)

ISO xxxx (detalle)

Como veis, si exponemos correctamente una fotografía empleando un ISO alto esta va a ser perfectamente utilizable, ya que sólo hay una diferencia apreciable de calidad en las zonas sombrías porque, precisamente, la mayor cantidad de ruido se presenta en las zonas más oscuras de la imagen (esto es debido a los métodos de cuantificación de los sensores digitales, pero no nos vamos a meter ahora en esos berenjenales). De ahí que el verdadero problema de emplear ISOs altos es que subexpongamos la imagen a la hora de capturarla, porque entonces se nos empastarán los colores de mala manera y la imagen tendrá más ruido que una emisora de radio mal sintonizada.

Así que ya sabéis, si a la hora de sacar la cámara las condiciones luminosas no son excesivamente buenas, no tengáis miedo de tirar de valores altos de ISO intentando que la fotografía sea lo más luminosa posible sin llegar a quemarla; porque siempre es mejor conseguir una fotografía con un poquito más de ruido pero que sea nítida a, por miedo, hacer una que sea poco más que un borrón.

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

La fotografía es algo más que técnica y nitidez

Hoy voy a mezclar dos conceptos que me gustan mucho: la fotografía y el paso del tiempo. Soy consciente de que esta entrada es más filosófica que técnica, pero es que gracias a algo que hice el pasado fin de semana me he dado cuenta de que hoy en día estamos demasiado obsesionados con la perfección de los diversos aspectos técnicos de la fotografía.

Veréis, el Sábado después de comer no tenía grandes planes, así que aprovechando que disponía de todo el salón para mí sólo saqué de un armario el viejo proyector de diapositivas y un montón de cajas llenas de ellas pertenecientes a mis padres. La cosa es que esas fotografías no las hemos vuelto a ver desde que era pequeño porque montar todo el tinglado necesario para visualizarlas (pantalla y proyector) así como andar colocándolas una a una en el carro de arrastre es un poco rollo y no compensa para la escasa media hora que podamos sacar en común de vez en cuando para ver fotos antiguas.

El caso es que se me ocurrió la idea de que podría “digitalizar” todas esas imágenes (más de 500) de una sola tacada con ayuda de mi cámara y el trípode, pues sólo tenía que ajustar la cámara con el enfoque fijado en la pantalla de proyección e ir pulsando pacientemente el disparador en cada una de las imágenes. Al final la tarea me llevó casi cinco horas, y aunque terminé cansado, también me sentía contento porque sabía que había rescatado del olvido un montón de imágenes muy importantes en la vida de mis padres.

No obstante, también saqué una importante lección de todo aquello que me gustaría compartir con vosotros: hoy en día estamos demasiado obsesionados con la perfección técnica en las fotografías que hacemos.

Digo esto porque me fascinó descubrir que hace treinta años mis padres estuvieron haciendo unas fotografías en las playas de Vigo que artísticamente le dan mil vueltas a cualquier cosa que pueda hacer yo actualmente con mi réflex digital, mis cuatro objetivos, mi filtro polarizador y el Adobe Lightroom. Y lo mejor de todo es que tuvieron que pasar unos segundos hasta que caí en la cuenta de que esas imágenes que os digo fueron tomadas con una Olympus Trip 35 de carrete y focal fija (40mm f/2.8) fabricada en 1968. La fotografía antes era un acto de fe, pues consistía en disparar y luego esperar a que el laboratorio nos entregara unas fotografías que hasta que no estaban en nuestras manos no sabíamos si eran brillantes o un completo desastre.

Olympus Trip 35 (II)

La Olympus Trip 35 de mis padres. ¡Fabricada hace cuarenta años y todavía funcionando!

Olympus Trip 35 (I)

La cámara contaba con un sensor de luminosidad rodeando al objetivo para ajustar automáticamente la exposición

Olympus Trip 35 (III)

Impresionante: el enfoque sólo tiene cuatro distancias posibles para elegir

Y es cierto que las imágenes de las que os hablo están algo desenfocadas, con la exposición calculada toscamente, un apreciable viñeteo y realizadas sin apenas conocimientos técnicos sobre composición; pero a mí me parecen unas fotografías absolutamente alucinantes. Me quedé literalmente boquiabierto cuando las descubrí y luego me di cuenta de que mientras las contemplaba no me había fijado en ninguno de los defectos que os mencionaba antes. Eran unas fotos sencillamente preciosas, y lo demás no importaba lo más mínimo. Si tuviera que quedarme únicamente con una de ellas creo que sería esta en la que mi padre caminaba despreocupado junto a la orilla del mar mientras mi madre captaba el momento hace ahora tres décadas.

Paseo por la playa de Samil al atardecer (1978)

Atardecer en Vigo (1978)

Lo que quiero decir con esto es que hoy en día hacemos una fotografía con nuestras flamantes cámaras digitales y aunque la foto esté perfectamente compuesta, en cuanto vemos que hay una motita de polvo en un lado del cielo, que el pájaro que pasaba por ahí ha salido movido apenas un píxel o que hay una ligerísima pérdida de contraste en las esquinas de la imagen ya la mandamos a la papelera directamente porque la consideramos un desastre.

Os aseguro que yo soy el primero que hace eso con mis imágenes; pero después de haber descubierto estas diapositivas que parecían llevar treinta años esperando a darme esta importante lección, voy a pasar menos tiempo limpiando mis objetivos y más tratando de buscar buenos encuadres. Si esa fotografía que os mostraba hace un momento la hubieran descartado por estar desenfocada o tener demasiado grano se hubiera perdido para siempre un instante del tiempo que, como todos, no volverá nunca más.