INTRODUCCIƒ‚N

Antes de nada quisiera apuntar que la mayor?a de usuarios que han malinterpretado este art?culo, lo han hecho porque se han ido directamente a las imágenes sin leer el contenido. Te recomiendo que no hagas esto, y antes de empezar a mirar las fotos sigas leyendo.

Es bien sabido que emplear un valor de ISO alto para lograr una determinada exposici?n, da un peor resultado en términos de ruido y rango dinámico que emplear el menor ISO posible y aumentar la exposici?n mediante los parámetros de apertura y tiempo de exposici?n. Sin embargo en ocasiones estos nos vienen impuestos por las circunstancias.

El presente art?culo pretende ser una prueba demostrativa de c?mo se ha de actuar en situaciones en que, con el diafragma más abierto que podemos permitirnos (ya sea por limitaci?n de la ?ptica o por un requisito de m?nima profundidad de campo) y el tiempo de exposici?n más largo que puede emplearse (ya sea para congelar el movimiento de la escena o simplemente para garantizar que evitamos la trepidaci?n), la exposici?n obtenida es todav?a insuficiente.

Este problema se dar? muy habitualmente en condiciones de pobre iluminaci?n tales como escenas de interiores con poca luz, fotograf?as nocturnas para las que no se cuenta con un tr?pode, conciertos,...

La duda se debate entre dos alternativas:

• Nos conformamos con la toma subexpuesta actual con la idea de corregir su exposici?n en el revelado RAW
• Subimos el valor de ISO para tener una mayor exposici?n en el propio archivo RAW

Tras la demostraci?n práctica se presentar? un modelo matemático del ruido en el sensor digital que trate de explicar el comportamiento del mismo al alterar el valor de ISO en las pruebas.

QUƒm ES EL ISO EN UNA Cƒ`MARA DIGITAL

Es habitual oir que en imagen digital el ajuste ISO controla la sensibilidad del sensor. Con esta definici?n se mantiene en el mundo digital la terminolog?a propia de la fotograf?a tradicional ("sensibilidad de la pel?cula"), pero conceptualmente no es del todo correcto.

En fotograf?a anal?gica s? que existen diferentes sensibilidades que van a provocar que ante una misma radiaci?n luminosa incidente la pel?cula alcance niveles diferentes de exposici?n debido a su diferente composici?n qu?mica, as? como diferentes formas de ruido (grano).

En cambio el sensor digital, entendiendo por sensor exclusivamente el elemento captor de la luz, tiene una ?nica sensibilidad que viene dada por su eficiencia cuántica (capacidad de convertir fotones incidentes en electrones, y estos en una corriente eléctrica). Para tener otras verdaderas sensibilidades necesitar?amos cámaras con fotocaptores intercambiables.

La exposici?n alcanzada por el sensor y en consecuencia el nivel de se?al (voltaje) y de ruido generados por el mismo solo dependen de la cantidad de luz (fotones) recibida, y esto lo controlamos mediante la apertura de diafragma y el tiempo de exposici?n, no con el ISO. Y el grano del ruido es el mismo, no cambia con el ISO (habéis visto alguna cámara con un grano de ruido grueso?), porque el ruido se produce individualmente en cada p?xel.

Entonces qu? es el ISO? pues es básicamente una amplificaci?n de la se?al entregada por el sensor previamente a su digitalizaci?n. Se trata del mismo procedimiento que realiza nuestro equipo de m?sica solo que en lugar de amplificar el voltaje correspondiente a un sonido la cámara lo hace con el proveniente de una se?al luminosa.

Esta amplificaci?n no representa sino una correcci?n de la exposici?n lograda en el sensor que como veremos tendr? ciertas ventajas. La se?al amplificada por el ISO ser? la que se digitalice dando lugar a la exposici?n final del archivo RAW.

Podremos hablar as? de 3 exposiciones diferentes:

• Exposici?n en el sensor: solo dependiente de los parámetros de apertura y tiempo ajustados, as? como de las caracter?sticas electr?nicas del sensor
• Exposici?n en el arhivo RAW: es a la que nos referimos cuando hablamos de la exposici?n en la cámara, y s? refleja el efecto del ISO ajustado
• Exposici?n en el postprocesado: ser? la que finalmente obtengamos al hacer uso del control de exposici?n en el revelador RAW

El grado de amplificaci?n o ISO escogido ser? equivalente a un control de sensibilidad, pero del sistema completo formado por sensor + ajuste ISO + conversor A/D, no del sensor propiamente como elemento más o menos sensible a la luz.

TESTS DE RUIDO A DIFERENTE ISOS

Para tratar de responder a la cuesti?n planteada en la introducci?n he realizado una serie de fotograf?as de una escena de prueba con todos los posibles ISO que da mi cámara (Canon 350D), para los mismos parámetros de apertura de diafragma y de tiempo de exposici?n.

El resultado esperable es que aumentar el ISO suponga alg?n tipo de ventaja que mejore la calidad de los datos del RAW, o de lo contrario habr?a que concluir que disponer de varios valores de ISO solo tiene utilidad cuando se dispara en JPEG, donde la subexposici?n deteriora enormemente la calidad de la imagen final haciendo casi inviable su edici?n.

La escena retratada es el siguiente bodeg?n que dispone de zonas con diferentes niveles de luminosidad sobre las que hacer las pruebas:



Se ha repetido la toma en 5 ocasiones con valores de ISO: 100, 200, 400, 800 y 1600. Los restantes parámetros se dejaron fijos: T=1/4s, f/13, 50mm.

Las imágenes se revelaron de modo totalmente neutro con el revelador DCRAW, para garantizar no haber aplicado ning?n tipo de procesado reductor de ruido, enfoque,...

La exposici?n obtenida en los archivos RAW, al haber mantenido los parámetros ?pticos constantes, fueron obviamente diferentes debido al ISO y se corrigieron en el revelado RAW para adecuarse a la exposici?n de la toma realizada a ISO1600.

Los resultados para cada valor de ISO en distintas zonas de la escena se presentan a continuaci?n. En aquellos recortes que fueron reescalados por motivo de espacio, se emple? un algoritmo de selecci?n de p?xeles nearest neighbour para preservar ?ntegra la relaci?n se?al a ruido, y por lo tanto la percepci?n visual del ruido.

ZONAS Mƒ`S ILUMINADAS

ZONAS DE SOMBRA

COMPARATIVA ISO100 vs ISO1600

Lo primero que puede verse es la gran mejora que supone sobreexponer en estas condiciones mediante el valor de ISO para obtener una menor presencia de ruido final.

Cabe destacar que el salto cualitativo mayor con diferencia se produce en las sombras más profundas, y es mayor en el paso de ISO100 a ISO200 que entre cualquier otra pareja de valores ISO; si bien la mejora nunca deja de producirse hasta el ?ltimo valor posible de ISO.

Con toda l?gica además, el aumento de exposici?n mediante ISO por ser un proceso anal?gico previo a la codificaci?n de la imagen dar? lugar a una mayor riqueza tonal. Con un poco de esfuerzo, podremos observar bajo la capa de ruido que en las tomas realizadas a menor ISO las texturas están más empastadas, es decir disponen de menos niveles tonales que cuando aumentamos el ISO.

Para comprobarlo cuantitativamente calculamos los histogramas de 16 bits de las tomas realizadas a ISO100 e ISO1600. Una vez ambas han sido igualadas en exposici?n en el revelado, la imagen tomada a ISO1600 muestra una mayor riqueza y precisi?n tonal como era de esperar:

MODELO DE RUIDO DE UNA Cƒ`MARA DIGITAL

Para dar explicaci?n a los fen?menos vistos vamos a acudir a un modelo simplificado de ruido en el sensor. Si se desea tener una explicaci?n mucho más detallada recomiendo los art?culos al respecto de Roger N. Clark que desglosa y explica con mucho más detalle dando cifras reales aquellos conceptos que aqu? solo comentaremos.

Vamos a hacer uso del siguiente modelo simplificado de ruido en una cámara digital:



Los bloques denominados 'sensor' y conversor 'A/D' son ideales, es decir no introducen ruido de ning?n tipo. As? agregamos todas las fuentes de ruido del sensor en las dos siguientes:

Ruido de preamplificaci?n N_pre: incluye todas las posibles fuentes de ruido previas a la amplifiaci?n que por lo tanto se van a ver amplificadas junto con la se?al por la que denominar? Ganancia ISO (G_ISO). Este ruido incluir?a:

• Ruido fot?nico: producido por el conteo discreto de fotones. Se reduce drásticamente a medida que aumenta el nivel de se?al captada ya que es proporcional a la ra?z del n?mero de fotones captados por lo que solo existe en las sombras profundas.
• Ruido de lectura ("read noise"): se cuantifica en electrones y supone un umbral de se?al m?nima que debe exponer el sensor para poder ser distinguida. Es el ruido dominante en exposiciones de corta duraci?n.
• Ruido térmico: entra en juego en exposiciones largas y mantiene una relaci?n directa con el calentamiento del sensor.

Ruido de postamplificaci?n N_post: agrega las posibles fuentes de ruido una vez se ha realizado la amplificaci?n por el valor de ISO. Es por lo tanto un ruido cuyo valor ser? independiente de la ganacia:

• Ruido etapa A/D: ruido electr?nico producido en el previo de la etapa de conversi?n anal?gico a digital.
• Ruido de cuantificaci?n: es inherente a toda conversi?n de anal?gico a digital y se debe al redondeo que ha de sufrir la se?al para acomodarse en los niveles discretos disponibles. En casos extremos podr?a llegar a dar problemas de posterizaci?n en las zonas menos luminosas de la imagen captada. Disminuye cuantos más bits se dispongan para la codificaci?n de la se?al.

Antes de seguir quiero comentar que lo que he denominado ruido de lectura se referencia en general como un concepto más amplio que engloba no solo al ruido de lectura del sensor propiamente dicho sino también al ruido en las etapas posteriores (amplificador y conversor A/D). No es de extra?ar por lo tanto oir hablar del ruido de lectura como dependiente del ISO ya que en caso de generalizarse pasar?a a cuantificarse en la salida.

Aqu? hago referencia estrictamente a su componente atribuible al sensor. Para más informaci?n sobre este tema se puede acudir al art?culo de Roger N. Clark: Digital Camera Sensor Performance Summary, donde pueden encontrarse comparativas muy interesantes de parámetros entre distintas cámaras.

RELACIƒ‚N S/N Mƒ`XIMA

Para ver porqu? la mejora de relaci?n se?al a ruido al aumentar el valor ISO va reduciéndose para valores ISO altos, calcularemos la expresi?n de la relaci?n S/N que llega a la etapa conversora A/D, y analizaremos c?mo influye en la misma el valor de ISO escogido.

Atendiendo al modelo propuesto, la se?al ?til S captada por el sensor junto al ruido de preamplificaci?n son amplificados por la ganancia ISO de modo que a la salida del amplificador tendremos la siguiente se?al:


Donde obviamente ISO no es el valor ISO en términos absolutos, sino un factor proporcional a él. A este valor se le suma el ruido producido en la etapa de conversi?n A/D resultando una se?al final de la forma:


Distinguiendo en dicha expresi?n las componentes ?tiles de se?al y el ruido, tendremos que la relaci?n se?al a ruido vale:


Expresi?n que como es l?gico aumenta cuanto mayor fuera la se?al captada, pero que para un determinado nivel de se?al captada S también aumenta conforme mayor sea el valor de ISO escogido. En efecto, si aumentamos la ganancia ISO hasta valores considerables, el término Npre * G_ISO acabar? dominando sobre el ruido de postamplificaci?n Npost, que perder? influencia en el cálculo de la relaci?n se?al a ruido.

En el l?mite, considerando el ruido de postamplifiaci?n despreciable frente al ruido de preamplificaci?n amplificado: Npre * G_ISO>> Npost, obtenemos la expresi?n de mejora máxima de la relaci?n se?al a ruido por aumento del ISO:


Donde vemos que todo el ruido se debe a la etapa previa a la amplificaci?n de se?al.

Hay que tener claro que de las expresiones calculadas no se deduce que de forma general sea mejor usar valores altos de ISO de cara al ruido; esto en absoluto es as?. Puede verse en dichas expresiones como la mejor manera de aumentar nuestra relaci?n se?al a ruido es aumentando S, es decir, el nivel de se?al captado por el sensor.

Dicho nivel no viene afectado por el ISO y solo depende del grado de exposici?n a que hayamos sido capaces de someter al sensor con los parámetros de apertura de diafragma y tiempo de exposici?n.

No olvidemos que la finalidad de todo este art?culo es tan solo demostrar la forma de proceder para reducir el ruido visible cuando dichos parámetros nos vienen impuestos.

CURVAS DE RELACIƒ‚N S/N

La disminuci?n de la mejora en la relaci?n se?al a ruido al aumentar el ISO cuando ya estamos usando valores altos de ISO, puede observarse muy gráficamente sobre las curvas de relaci?n S/N.

Estas curvas, que podemos encontrar en el art?culo de Emil Martinec Noise, Dynamic Range and Bit Depth in Digital SLRs as? como en la web de análisis de sensores DxO Mark bajo el ep?grafe 'Full SNR', nos permiten calcular c?mo evolucionar? la relaci?n S/N en un caso real si manteniendo los parámetros de apertura y velocidad vamos paulatinamente subiendo el ISO.

Para ello basta saltar de una curva a la del ISO un paso superior, midiendo la relaci?n S/N para un valor de exposici?n RAW en el eje X un paso de diafragma por encima del anterior.

Tomamos la Nikon D3 por ser una cámara con una buena cantidad de valores ISO reales, en concreto hasta ISO6400, y dibujamos sobre la misma la evoluci?n de la relaci?n S/N al aumentar este ajuste.

El resultado es que a partir de ISO1600 el incremento de la relaci?n S/N es m?nimo o simplemente inexistente para cualquier nivel de exposici?n del sensor (ver tramo de las curvas trazadas en amarillo):



Esto coincide plenamente con la afirmaci?n del propio Emil, que sostiene que aumentar el valor de ISO más all? de ISO1600 cuando se dispara en RAW no tiene ninguna ventaja en cuanto al ruido, cuando s? puede en cambio hacernos perder informaci?n ?til de altas luces.

Observando las curvas de relaci?n S/N de distintos modelos de cámaras puede además uno darse cuenta de que no todas las marcas se benefician por igual del aumento de ISO.

La Nikon D3 como pod?a verse en la figura anterior, y todas las Nikon en general, no obtienen una mejora demasiado grande por aumentar el ISO. En las Canon en cambio es mucho más beneficioso de cara al ruido aumentar el ISO como se vio en las pruebas de mi 350D. De ah? que cámaras a estas alturas ya bastante "antiguas" como la 5D sigan siendo muy respetables en fotograf?a con poca luz.

El motivo de esta discrepancia como ha apuntado alguna vez Emil Martinec, seguramente sea el bajo ruido de la etapa conversora A/D de Nikon en relaci?n al introducido previamente a la amplificaci?n ISO. En cambio en Canon el reparto de las fuentes de ruido estar?a más igualado, lo que hace más interesante en esta marca inmunizarnos frente al ruido de la etapa A/D con una subida de ISO.

CONCLUSIONES

La primera conclusi?n de lo expuesto ser?a que si nos vemos en la obligaci?n de emplear unos parámetros de apertura de diafragma y tiempo de exposici?n con los cuales no logramos una exposici?n correcta de la escena, t?picamente en situaciones de baja iluminaci?n, minimizaremos el ruido visible final ajustando un valor de ISO tan elevado como nos sea posible antes de empezar a quemar la imagen.

Deben ser descartados no obstante todos aquellos ISO que no constituyen una amplificaci?n anal?gica sino una simple correcci?n final de niveles sobre el archivo RAW. Esto ocurre as? en muchas cámaras compactas y en valores ISO muy elevados, especialmente reducidos (ISO50) o intermedios de ciertas cámaras réflex. Estos ISO "de mentira" son equivalentes a modificar la exposici?n en el revelador RAW por lo que no tendr?an ninguna de las ventajas expuestas debiéndose evitar su uso.

Dada la relaci?n directa existente entre el ruido en las sombras y el rango dinámico que podemos captar, la técnica de reducci?n de ruido mediante el aumento del valor ISO nos brinda un aumento del rango dinámico de la imagen captada, por parad?jico que pueda parecer. La interdependencia entre ruido y rango dinámico se estudia en detalle en el art?culo Rango dinámico.

Con todo lo visto deber?amos desterrar el miedo a emplear valores de ISO altos cuando la exposici?n lograda a ISO100 no sea suficiente. Aumentando la exposici?n mediante el ISO no solo no estamos introduciendo ruido en nuestra imagen sino que lo estamos reduciendo de forma notable respecto al que obtendr?amos con una imagen subexpuesta y corregida en el revelado.

El derecheo del histograma puede considerarse por lo tanto la "exposici?n correcta" no solo en las circunstancias ideales en que podamos lograrlo con el ISO más bajo de la cámara sino en cualquier circunstancia, utilizando si es preciso el ajuste ISO como recurso para conseguirlo. Resumiendo, la regla general ser?a: derechear siempre, y hacerlo empleando el menor ISO posible.

Mediciones reales de relaci?n se?al a ruido en distintas cámaras hechas por Emil Martinec revelan que pasar de ISO1600 tiene ya poco o nulo efecto en la mejora del ruido en cualquier cámara digital, y s? puede en cambio provocar pérdida de informaci?n ?til de altas luces. La jugada l?gica es por tanto que el fot?grafo RAW se abstenga de emplear valores ISO por encima de 1600, incluso aunque su cámara disponga de ellos de modo nativo.

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