Tema 6. Sensibilidad (ISO) y ruido

Vemos hoy el último de los tres controles que actúan sobre la exposición: la sensibilidad del sensor o película, que nos indica la cantidad de luz o energía luminosa que requiere la superficie del captor.

La sensibilidad se mide en valores ISO, que son los mismos que los antiguos ASA utilizados en las películas. Se trata de una escala lineal: quiere esto decir que una sensibilidad ISO de 400 es el doble de una de valor 200, lo que indica que es el doble de sensible o que requiere la mitad de luz (un paso menos o -1EV). Y al revés, ISO 100 requiere un paso más (+1EV) que ISO 200. Ver wikipedia.

Mientras que con película fotográfica, todas las fotos deben dispararse a la sensibilidad para la que está fabricado el carrete, las cámaras digitales tienen la gran ventaja de que permiten variar la sensibilidad foto a foto de forma independiente.

Si bien aumentar la sensibilidad de una toma permite trabajar con menos luz, tiene un precio y es, básicamente, el aumento del ruido o grano en la imagen.

Vamos a profundizar un poco en el tema.

Cómo funciona la selección de ISO en las cámaras digitales

Realmente el sensor de la cámara digital tiene una sensibilidad nominal fija, que suele ser estar entre ISO 100 y 200. Lo que se hace es introducir un amplificador de ganancia variable que aumenta la señal a la salida del sensor. Lógicamente, el valor de esta ganancia estará de acuerdo a la sensibilidad seleccionada.

Lo vemos en un esquema (puedes hacer clic para ampliarlo y flecha “Ir a página anterior” en el navegador para volver):

Esquema amplificación ISO variable

Esquema amplificación ISO variable

  1. El sensor, a través de cada uno de sus píxeles, capta la energía luminosa y la traduce en una señal eléctrica (podemos decir que convierte una cantidad de fotones en un valor proporcional de microvoltios).
  2. El amplificador multiplica la señal eléctrica (analógica) por un valor, o ganancia, dependiendo de la sensibilidad elegida. Por ejemplo, si la ISO nominal es de 100 y se selecciona una de 800, realmente se está utilizando una ganancia 8 veces mayor (8x) en el amplificador. Vamos, que se multiplica por 8 la señal (8=2x2x2, o sea 3 pasos más, +3EV).
  3. Mediante un conversor, la señal eléctrica analógica se traduce en digital (valores numéricos). Para que lo entendamos: por ejemplo 5 microvoltios se traducen al número 5 en binario (0101). Y a partir de esta fase ya se trabaja con datos, al igual que hacen los ordenadores. Podéis echar un vistazo a la wikipedia si queréis saber algo más sobre conversión de señales analógicas a digitales.
  4. Se procesa digitalmente la imagen produciendo, según se elija, un archivo JPEG (que es una imagen ya generada) y/o uno RAW (imagen “cruda”, sin procesar o mínimamente procesada, que contiene la señal digitalizada del sensor, a la que se le adjuntan, sin aplicar, los valores utilizados en la toma, como puede ser el balance de blancos, contraste, etc.). No os preocupéis que ya hablaremos de estos temas más adelante.

Ruido y aumento de la sensibilidad

Como ya he comentado, la contrapartida de aumentar la sensibilidad, y con ello poder trabajar con menos luz, es que se va a producir un deterioro en la calidad de la imagen, especialmente en lo que se refiere al aumento del ruido o grano.

Tomado de la wikipedia: ruido es la variación aleatoria (que no se corresponde con la realidad) del brillo o el color en las imágenes digitales (“grano”). Tenemos, por tanto ruido de dos tipos:

  • de brillo o luminancia: mismo color pero más o menos claro de lo que debiera
  • de color o crominancia: puntos de colores aleatorios

Por curiosidad, se le llama “ruido” porque las primeras señales eléctricas que se utilizaron en comunicaciones eran de sonido, y este efecto se acaba traduciendo en ruido en el altavoz.

Lo que ocurre es que el sensor, como cualquier componente electrónico, produce una pequeña variación electrónica aleatoria (ruido). Si el nivel de luz es alto, la señal generada será mucho mayor al ruido, con lo que éste apenas se notará. Pero, a medida que disminuye la luz, producirá una señal eléctrica más débil y el nivel de ruido será cada vez más apreciable. Y lo que hacemos al utilizar ISOs altas es amplificar mucho las señales procedentes de baja luz, con lo que no sólo se multiplica la señal sino también el ruido eléctrico aleatorio, que se traduce en grano.

Un símil: los que grabábamos música en casetes (¡uy, uy, uy, qué viejo soy!) conocemos este efecto: si se graba el sonido muy bajo (equivalente a poca luz), había que reproducirlo subiendo el volumen (aumentando la amplificación al subir el ISO), y el efecto era que el ruido sonoro aumentaba considerablemente.

Por otro lado, a igual cantidad de megapíxeles, cuanto mayor sea el tamaño del sensor, más grande podrá ser cada uno de los píxeles: con el mismo nivel de energía más cantidad de fotones podrá captar, mayor nivel de señal y por tanto mejor nivel frente al ruido. Por eso una compacta tendrá peor comportamiento a ISOs altas que una APS-C y esta peor que una Full Frame.

En realidad, esto es comparando sensores de igual características técnicas, pero la tecnología va mejorando mucho en este aspecto. Sensores actuales tienen mejor comportamiento que los que tienen unos añitos.

Así, dependiendo de la calidad de la cámara, se podrá trabajar a ISOs más altos sin apenas ruido. Mientras que hace unos años no se recomendaba pasar de ISO 800 si no se querían tener niveles de ruido excesivos, actualmente hay cámaras que trabajan a ISO 1600 o incluso superior, sin que apenas se note este efecto.

El ruido se puede reducir en el procesado

De todos modos hay que tener en cuenta que el ruido se puede reducir con los programas de procesado digital. Pero magia no hacen, claro. Se pierde algo de nitidez, de definición; si bien la tecnología también mejora mucho en este aspecto.

Permiten reducir el ruido tanto de luminancia, como de color (suelen tener controles para regularlos independientemente).

Vemos un recorte vista a tamaño pixel (1:1) de una imagen tomada a ISO 3200 con una Canon EOS 40D (máxima sensibilidad):

  1. Recorte de la imagen original
  2. Corrección de ruido de color (crominancia)
  3. Corrección moderada de luminancia, además de la corrección de color anterior
  4. Corrección de luminancia en exceso, además de la corrección de color
Efectos reducción de ruido

Efectos reducción de ruido

Como puede verse, si nos pasamos reduciendo el ruido, la imagen puede quedar poco natural, con un aspecto un poco “plasticoso”. Bueno, también puede tener un aspecto pictórico, si eso nos interesa; pero normalmente seremos moderados con la reducción de ruido (ya es una operación bastante destructiva en cuanto a nitidez se refiere).

Ruido térmico y largas exposiciones

Parte del origen del ruido es térmico: a mayor temperatura, los dispositivos electrónicos tienen mayor cantidad de electrones en movimiento, con lo que se produce una mayor componente aleatoria (ruido) en la señal generada.

En definitiva esto quiere decir que la cámara se comporta mejor si el sensor se encuentra a temperaturas más bajas.

Otra de las causas de ruido son las largas exposiciones (por ejemplo superiores a 30 minutos en fotografía nocturna).

Una solución es hacer fotos en épocas de temperaturas más bajas. Otra, apagar la cámara un buen rato antes de hacer la foto. Hay quien se utiliza sistemas de refrigeración, pero hay que tener cuidado con la humedad y la condensación con los cambios bruscos de temperatura

Sistema de reducción de ruido en la cámara

Las cámaras actuales disponen de sistemas de reducción de ruido, tanto para ISOs altas como para largas exposiciones, que podrán ser configuradas desde las opciones de menú. Suelen ser muy efectivas así que recomiendo utilizarlas.

¡Ojo! Hay que tener en cuenta que para la reducción de ruido a largas exposiciones, la cámara, una vez finalizada la toma, se pasa el mismo tiempo de exposición capturando la señal del sensor con el obturador cerrado. Esta imagen de ruido obtenida se la “resta” a la señal original. Este procesado se hace tanto para RAW como para JPEG.

Esto quiere decir, por ejemplo, que si hacemos una imagen en una exposición de una hora con la reducción de ruido activada, la siguiente hora no podremos utilizar la cámara porque está realizando el procesado que acabo de comentar. La cámara ya no tiene por qué estar en el trípode, nos la podemos llevar por ejemplo de vuelta a casa mientras va procesando. ¡Y la batería debe estar bien cargada para que aguante las dos horas!

Más cosas para terminar

Y ya para acabar vemos un par de cosillas, (si habéis sido valientes de aguantar hasta el final 😀 ):

  • Las máquinas profesionales suelen tener alguna ISO inferior a la nominal (por ejemplo ISO 50 cuando el sensor es de ISO 100). En este caso el “amplificador” atenúa la señal (divide por 2) en lugar de aumentarla.
  • El ruido no solo aparece a ISOs altas, en realidad está siempre pero no es perceptible en las zonas donde el nivel de luz es alto. Sin embargo, si queremos aclarar mucho las sombras de una imagen, podremos encontrar ruido incluso a ISO 100 (en realidad estamos “amplificando” en el procesado localizado de las zonas con luz muy baja, igual que hace la cámara al aumentar el ISO)

Por otro lado, el aumento del ruido no es el único efecto negativo que se produce al aumentar la ISO:

  • Pérdida de rango dinámico. El rango dinámico es el número de pasos (EVs) entre la máxima y la mínima luz que un sensor puede captar. Actualmente hay sensores con un rango dinámico de 14EV (cada paso es multiplicar por 2: 2x2x2x … x2 = 2^14=16.384 veces más de luz de la máxima respecto a la mínima). Cuando aumentamos la ISO estamos perdiendo rango al no utilizar los niveles más altos. Ya profundizaremos en esto cuando hablemos del sensor.
  • Otros efectos como el “banding”: a ISOs muy altas y con muy poca luz se producen unas bandas horizontales o verticales en el procesado de la cámara (corresponden a “saltos” en el nivel de luminancia de las imágenes).

Y esto ha sido todo por hoy.Acabamos el tema en una sola parte, y a partir de ahora veremos las ayudas que nos da la cámara para exponer correctamente

Un saludo y os espero por aquí.

Siguiente: Tema 7. Modos de medición de la luz
Ir al índice de temas.

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Un pensamiento en “Tema 6. Sensibilidad (ISO) y ruido

  1. Las siglas ISO, ASA y DIN provienen de los organismos de estandarización de normas:
    ISO (International Standard Office), ASA (American Standard Asociation) y DIN (Deutsche Industrie Normen).

    Mientras la escala ISO ó ASA es lineal (doble valor implica doble sensibilidad y viceversa), la escala DIN, que se utilizaba en las películas junto al valor ASA, es logarítmica (sumar 3 equivale a sensibilidad doble, se mide en tercios de paso).
    Ejemplos de valores y equivalencias ASA/DIN:
    100/21 – 125/22 – 160/23 – 200/24

    (multiplicar por 2 al pasar de ASA 100 a 200, equivale a sumar 3 en DIN 21 a 24)

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