Tema 14. Exposición, Sensor e Histograma (II)

Hoy hablamos sobre los sensores y su comportamiento, con la idea de llegar a algunas conclusiones interesantes que nos permitan sacar más partido a nuestra cámara.

¡Ah! y espero que no os aburráis mucho con la teoría y los detalles técnicos… Bueno, no vamos a profundizar demasiado. Ya me diréis. 😉

Empezamos viendo qué significa eso de la “linealidad”.

El sensor capta la luz de forma “lineal”

La percepción humana de la cantidad de luz no es “lineal”. Quiere esto decir que el doble de luz no se ve como el doble de intenso, sino como un “punto” más. Ya comentamos esto cuando hablábamos de la exposición (tema 3, control de la exposición I). Duplicar la exposición (doble energía luminosa) simplemente es subir un punto (+1 EV). Subir 5 puntos (+5 EV) equivale a duplicar 5 veces la luz (2x2x2x2x2=32 veces más energía luminosa).

Sin embargo los sensores sí son lineales: transforman la cantidad de luz (en cada pixel y para cada uno de los colores) en un valor proporcional que se traduce en un número al convertir a digital. Si hay doble/triple/etc. de luz, el número será doble/triple/etc. Así de sencillo.

Lo vemos en un esquema:

Respuesta lineal del sensor respecto a percepción visual

Respuesta lineal del sensor respecto a percepción visual

Dependiendo del tipo de escala en el eje horizontal, vamos a tener dos tipos de histograma:

  • Escala perceptual o logarítmica, donde cada paso o EV ocupa lo mismo.
  • Escala lineal: cada paso ocupa el doble que el anterior.

Realmente el que vamos a ver casi siempre es el perceptual, correspondiente a la imagen JPEG final.

Gris medio

En la imagen vemos gráficamente la explicación de por qué una tarjeta “gris medio” refleja el 18% de la luz, no el 50% (para un rango típico de 5EV, aproximadamente el 18% corresponde a bajar 2,5EV respecto al 100%. Aplicamos la fórmula: 100/2^2,5 = 17.7).

Distribución de niveles por pasos (EVs)

Se denomina rango dinámico a la relación entre la máxima luminosidad que puede captar un sensor respecto a la mínima, y se mide normalmente en pasos o EVs. Actualmente hay sensores con 14 EVs e incluso lo superan. Podéis ampliar información en la página de Guillermo Luijk.

Sin entrar en mucho detalle, un sensor (sensor + conversor analógico a digital, en realidad) que proporcione una salida de n bits, puede representar un rango de hasta n EVs: 2 elevado a n solo se puede dividir por 2 n veces con resultado entero.

Si tenemos un sensor de 12 bits, puede captar en total 2^12=4096 niveles de luz (desde el 0 que será el negro al 4095 que será el blanco). El paso o EV más luminoso tendrá 2048 niveles (¡la mitad!), el segundo EV más luminoso 1024 (cuarta parte), el tercero 512 (octava parte)… hasta 1 solo nivel para el 12º y último EV.

A primera vista parece muy “descompensada” la cantidad de niveles de luminosidad que se utilizan según estemos hablando de un EV luminoso a uno más oscuro. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el ojo humano detecta menos matices de colores a medida que disminuye la luminosidad. Por eso se representan los colores como un cono, que se va estrechando a medida que baja el brillo o luminosidad (tal como vimos en el punto “parámetros básicos del color (tema 13)”).

Esquema matiz-saturación-brillo

Esquema matiz-saturación-brillo

Por tanto no es tan grave que los tonos muy oscuros se representen con pocos niveles. Aun así, parece un “desperdicio” que el EV más alto, que representa prácticamente los blancos, utilice ni más ni menos que ¡la mitad de los niveles de color que da el sensor! Si no usamos este último EV (que parecería sobrexeponer la fotografía), estamos tirando a la basura esa mitad. Ya veremos en la próxima entrega cómo podemos aprovechar esto, mediante la técnica del “derecheo del histograma” (que, como siempre tiene sus defensores y sus detractores).

De todas maneras, tampoco hay que ponerse tan dramático, porque la imagen final va a ser normalmente un fichero JPEG de 8 bits por canal (con únicamente 2^8=256 niveles) y, teniendo en cuenta que los formatos RAW habituales trabajan con 14 bits por canal (2^14=16.384 niveles), podemos relajarnos un poquito ya que tenemos bastante margen de maniobra: de 16.384 niveles ¡nos vamos a quedar al final con 256! Eso sí, cuanto mejor hagamos la exposición de la toma, menos “sufriremos” en el procesado de la imagen.

Por otro lado, todo esto que estoy hablando afecta al formato RAW, que es lineal, y no tanto al JPEG que tiene una distribución de niveles adaptada a la percepción del ojo.

Sensor y ruido

En el diagrama también se incluye el efecto del ruido. En realidad existe ruido a todos los niveles de luminosidad, lo que se representa es la relación “señal a ruido”. A niveles altos de luminosidad la “señal” eléctrica (imagen) que produce el sensor es alta, con lo que el ruido es despreciable. Pero a niveles bajos de luminosidad es cuando se empieza a apreciar el ruido, de valor comparable a la señal.

Por tanto el ruido empezará a ser apreciable en las sombras y negros, dependiendo de la calidad del sensor, claro está.

Lo que quiero decir con esto es que el ruido siempre se asocia a sensibilidades (ISO) altas, pero nos lo podemos encontrar en las zonas de sombra incluso usando sensibilidad baja.

Subexposición y procesado

Vamos a empezar a ver el aspecto práctico de todas estas ideas anteriores. ¿Qué pasa si he subexpuesto una imagen y quiero aclararla en el procesado? (Lo mismo pasa si quiero “subir” las sombras únicamente). Lo vemos.

Imaginemos que hemos subexpuesto por error 2 pasos (-2 EV) y los aumento en el procesado:

Esquema aclarado de imagen subexpuesta

Esquema aclarado de imagen subexpuesta

Aclarar la imagen, va a tener varias consecuencias que, lógicamente, se notarán más cuanto mayor sea el efecto (en este caso es muy alto: +2 EV):

“Peinado” del histograma: estamos rellenado los EV’s altos con los de 2 puntos más bajo. Y cada paso inferior tiene la mitad de niveles, por lo que 2 puntos implica 4 veces menos de niveles de color. Por ejemplo, estoy rellenando un paso que tiene 128 niveles de color con otro que tiene solo 32 (de cada 4 niveles en el EV destino, se llena 1 y 3 quedan a cero):

Esquema de peinado de histograma (aclarar)

Esquema de peinado de histograma (aclarar)

Que falten niveles en el histograma quiere decir que una gradación tonal no va a ser tan suave y progresiva, sino que podrían llegar a apreciar “saltos” de color (posterización). De todos modos, si el efecto no es muy fuerte, con toda seguridad no lo notaremos en la imagen. En el ejemplo siguiente, lo he exagerado mucho para que sea perceptible:

Efecto (exagerado) de peinado de histograma

Efecto (exagerado) de peinado de histograma

Bueno, realmente esto que estoy contando es para la escala lineal. En el caso de JPEG (escala “perceptual”) se va a notar menos, pero también ocurre.

Aumento del ruido: al aclarar una zona de sombra donde apenas se percibe el ruido, lo estamos amplificando al igual que el resto de la imagen (siguiendo con el ejemplo, lo estamos multiplicando por 4).

Efecto de aclarar excesivamente sombras (ISO baja)

Efecto de aclarar excesivamente sombras (ISO baja)

Esta imagen es un ejemplo muy exagerado para que se note el efecto: imagen tomada con una Canon EOS 40D (sensor ya “veterano”), ISO 160, luz muy contrastada (sol mediodía) y sombras muy aclaradas.

Pérdida de calidad de color: otro efecto que podemos notar al aumentar mucho la luminosidad, es que el matiz del color no sea del todo correcto. Intervienen dos factores: por un lado, el efecto de que hemos perdido niveles de reprentación en los 3 canales y por otro que el sensor puede ser menos preciso a niveles bajos de luz.

Sobre-exposición y procesado

Por otro lado, si queremos oscurecer la imagen (solo una parte o solo las altas luces), lo que ocurre es lo contrario. Si, por ejemplo, oscurecemos 2 pasos (-2EV), en el histograma lineal, por cada 4 niveles nos quedamos con 1 (descartamos 3):

Esquema: efecto oscurecer sobre histograma

Esquema: efecto oscurecer sobre histograma

En este caso no falta información sino que la descartamos: la información de la imagen original es mayor a la que se requiere para generar la imagen final.

Y otro efecto importante es que, en caso de que exista, el ruido quedaría reducido por 4 (siguiendo con el ejemplo de -2EV).

En cuanto a la representación de color, se disminuye el número de niveles, pero al oscurecer el ojo capta menos matices de color. En teoría deben compensarse ambos efectos, aunque seguramente encontraréis quien opine que los colores se pueden desvirtuar ligeramente.

En definitiva: al oscurecer no perdemos calidad porque el RAW original de la captura tiene más información de la que se requiere, mientras que al aclarar, si el efecto es excesivo, podemos llegar a una imagen final que le falte información (“peinado”).

Es por esto que se dice que en digital se expone para las altas luces y se procesa para las sombras.

Aumentar la sensibilidad (ISO)

Aunque ya hemos tratado este punto en el tema 6, sensibilidad (ISO) y ruido, lo vemos desde el punto de vista del sensor:

Esquema de aumento de sensibilidad (ISO)

Esquema de aumento de sensibilidad (ISO)

Los efectos de subir la sensibilidad (ISO) son:

  • Aumento del ruido, especialmente en las zonas de baja luminosidad.
  • Disminución del rango dinámico: al amplificar la señal del sensor que corresponde a luminosidades muy bajas, estos niveles bajos pueden no ser aprovechables por exceso de ruido. Por tanto, prácticamente se pierde 1 paso (EV) de rango dinámico por cada paso que se aumenta la sensibilidad. Por ejemplo, si la sensibilidad nominal del sensor es de ISO 100, si paso a ISO 800 (+3EV), el rango dinámico a esta sensibilidad prácticamente será de 3 pasos menos.
  • Ligera pérdida de definición de color (el sensor no es tan preciso a niveles bajos).

Fijaros que lo que ocurre al elevar la sensibilidad en la cámara es muy similar a lo que pasa al aclarar en el procesado. Hay una diferencia y es que al aumentar el ISO no se produce peinado del histograma. ¿Por qué? Simplemente porque la amplificación ISO es analógica (se multiplica el voltaje de salida del sensor) y posteriormente se pasa a digital (ver esquema del tema 6). Por tanto en digital tenemos todos los niveles. Mientras que acabamos de ver lo que ocurre al aclarar en procesado.

Y ni que decir tiene, insisto, que dependerá de la calidad de sensor de la cámara que estéis utilizando. A mejor calidad, estos efectos se empezarán a hacer más apreciables a ISOs más altas.

Resumen

Un breve resumen para acabar.

Hemos visto que la cantidad de información que capta el sensor es mucho mayor en los pasos (EVs) más altos del histograma, siendo mucho menor para luces bajas. Esto nos va a obligar a tener más cuidado cuando se procesan las sombras respecto a las altas luces.

En caso de que la imagen esté subexpuesta (totalmente, alguna zona, solo sombras) al aclarar fuertemente durante el procesado se pueden producir los efectos:

  • Aumento del ruido.
  • Peinado del histograma, por falta de información suficiente en los niveles inferiores.
  • Posible distorsión de matices de color.

En caso de aumentar la sensibilidad (ISO), los efectos son similares excepto que no se produce peinado del histograma.

Sin embargo, oscurecer una toma no da problema, con dos excepciones:

  • la posible variación de color, que también dependerá de la aplicación de procesado que se utilice.
  • que no se hayan “quemado” los blancos, en cuyo caso no se podrá recuperar la información.

En la próxima y última entrega de este tema, hablaremos de aprovechar todo esto con la técnica de exposición de ajuste del histograma a la derecha (altas luces), también conocido como “derecheo” del histograma (el nombrecito se las trae).

¡Hasta la próxima!

Siguiente: Tema 14. Exposición, Sensor e Histograma (III)
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