¿Qué es el ruido de lectura? ¿Por qué es una fuente de ruido importante? ¿En qué situaciones afecta y cómo podemos reducir sus efectos?
El ruido de lectura
El ruido de lectura es un tipo de ruido térmico (aunque tiene contribuciones de diferentes fenómenos que tienen lugar en la circuitería analógica asociada a cada celda)
Está presente en la electrónica que va desde la entrada del amplificador de señal hasta la entrada del ADC. Aunque para simplificar la explicación lo vamos a suponer presente en el tramo que va desde la salida del amplificador hasta la entrada del ADC:
El ADC se encarga de convertir la señal analógica, un voltaje, por ejemplo 1.798432 voltios, en un valor RAW numérico (digital), por ejemplo: 2437
El ruido de lectura lo podemos entender como una variabilidad con respecto al valor de lectura real que ha proporcionado el depósito de electrones de la celda.
Para entenderlo, imagina por ejemplo que el depósito de electrones (es un condensador) genera un voltaje de 0.18 voltios para una determinada exposición.
En ese valor ya están incluidas otras fuentes de ruido: el ruido fotónico y el ruido térmico (dark current) por ejemplo. De momento las vamos a ignorar.
La circuitería electrónica de la celda se encarga de aumentar esa señal (amplificación / ganancia) y de llevarla hasta la entrada del ADC. El ADC necesita un determinado nivel de señal para operar correctamente.
Ese proceso de amplificación y transporte se ve afectado por el ruido térmico y otros efectos secundarios de la circuitería integrada en la celda.
Vamos a suponer que la ganancia del amplificador es 10.
A la entrada del ADC deberíamos tener 0.18 * 10 = 1.8 V
Pero la electrónica añade cierta variabilidad. A veces tendremos 1.85, otras veces 1.81, otras veces 1.75 ….
A la variabilidad generada en ese tramo de la circuitería del sensor la llamamos ruido de lectura.
Es decir, la lectura debería ser de 1.8 V exactos, siempre. Pero debido al ruido (variaciones aleatorias) tendremos un cierto error de lectura, y cada vez una lectura ligeramente diferente.
Es un proceso estadístico.
Dada una misma exposición para todas las celdas del sensor (o de una zona) y suponiendo por un momento que no hay ruido fotónico ni ruido térmico. Sólo teniendo en cuenta el ruido de lectura:
- Si hiciéramos la medida de una celda 1000 veces, cada una de esas medidas sería ligeramente diferente.
- Lo mismo ocurre si pensamos en 1000 celdas diferentes captando la misma exposición. Para cada una de esas celdas tendremos una medida ligeramente diferente.
El ruido de lectura se suele caracterizar con un valor cuadrático medio del número de electrones (debidos al ruido).
Por ejemplo, un valor típico podría ser 7 e-rms (normalmente referenciados a la entrada del amplificador)
Ganancia (ISO)
Como he comentado, la amplificación de la señal es necesaria para poder alimentar correctamente al ADC con un rango de voltajes adecuado.
En los sensores CMOS cada celda tiene su propia etapa de amplificación.
A la entrada del amplificador tendremos la señal (que corresponde a los fotones convertidos en electrones) junto con el ruido acumulado hasta ese momento: ruido fotónico y dark current.
El ruido térmico que conocemos como ruido de lectura afectará a partir de ese punto: un poco a la entrada del amplificador, el propio amplificador añadirá cierta variabilidad cierto ruido y el tramo a la salida del amplificador hasta llegar al ADC añadirá cierto ruido térmico.
Es importante entender cómo afecta la ganancia del amplificador.
Vamos a suponer que el ruido de lectura se genera sobre todo a la salida del amplificador (el tramo que va hasta el ADC).
Y recuerda que lo importante no es el nivel de ruido, sino la relación señal a ruido (SNR)
Imagina el siguiente escenario:
- Nivel de señal a la entrada del amplificador: 10
- Ganancia del amplificador: 1
- Nivel de ruido de lectura a la salida del amplificador: 5
A la salida del amplificador tendremos una señal (So, de out):
So = S · G = 10 · 1 = 10
SNR1 = 10 / 5 = 2
Vamos a suponer otro escenario, con una ganancia mayor:
- Nivel de señal a la entrada del amplificador: 10
- Ganancia del amplificador: 10
- Nivel de ruido de lectura a la salida del amplificador: 5
So = S · G = 10 · 10 = 100
SNR2 = 100 / 5 = 20
Como vemos, la mejora en SNR es brutal. Para un mismo nivel de señal y un mismo nivel de ruido de lectura.
Subir la ganancia (gain) tiene como efecto aumentar la SNR con respecto al ruido de lectura.
En los sensores de cámaras de propósito general (fotografía, vídeo) la ganancia está calibrada para ciertos valores de exposición y es lo que conocemos como ISO.
En cualquier caso, la ganancia hace que el ruido que se agrega a la salida del amplificador tenga un efecto mucho menor.
Subir ISO implica aumentar la SNR
Sí, subir ISO tiene como efecto mejorar la SNR con respecto al ruido de lectura.
Por desgracia, el ruido de lectura no es la única fuente de ruido.
A la entrada del amplificador ya tenemos la contribución del ruido fotónico (siempre estará presente) y la contribución del ruido térmico / dark current (que sólo afecta cuando hacemos muy larga exposición)
Y además sólo hemos tenido en cuenta la contribución del ruido de lectura que aparece en el tramo de salida del amplificador (downstream), no hemos tenido en cuenta la contribución a la entrada (upstream). Esa contribución sí tendrá influencia directa sobre la SNR, independientemente de la ganancia.
Para simplificar el razonamiento y no morir con modelos matemáticos muy complejos, vamos a suponer que el ruido de lectura upstream es despreciable.
Podemos expresar la SNR a partir de la contribución de las tres fuentes de ruido principales: fotónico, dark current y de lectura.
Como son fuentes de ruido independientes, sus contribuciones suman en cuadratura, y nos quedaría algo como esto:
La señal está expresada como el flujo de fotones (F) que llega a la celda, por el tiempo de exposición y por la ganancia del amplificador, G.
Y el ruido, sumado en cuadratura, incluye el ruido fotónico y el térmico, que se acumulan durante el tiempo de exposición, y que van afectados por la ganancia G. Y por otro lado el ruido de lectura, que no depende del tiempo de exposición y que tampoco es afectado por la ganancia.
Teniendo todo eso en cuenta, subir la ganancia sigue afectando positivamente a la SNR, pero la mejora ya no es tan radical como veíamos en el ejemplo simplificado.
Lo podemos ver en la gráfica de color azul:
Dada una determinada exposición (fotones recibidos por la celda), subir ISO aumenta la SNR hasta que alcanza un cierto valor.
A partir de ese punto, el efecto de subir ISO es mínimo.
Cuando se alzanza ese umbral, se dice que entramos en la zona de invarianza ISO o en la zona de ISO invariante.
Y por otro lado, aunque subir ISO (ganancia) aumenta la SNR con respecto al ruido de lectura, el hecho de aumentar la exposición real (número de fotones recibidos) la aumenta mucho más.
Es más rentable capturar más fotones: aumentando el tiempo de exposición, con una apertura mayor del objetivo o aportando más luz a la escena (flash, focos, etc.)
Pero eso no es siempre posible en la práctica.
En esos casos, en los que no podemos aumentar la exposición real, subir ISO / ganancia al menos aumenta la SNR con respecto al ruido de lectura.
No es acumulativo, no depende del tiempo de exposición
El ruido de lectura no depende del tiempo, no es acumulativo, da igual si hacemos exposiciones cortas o si hacemos muy larga exposición.
En astrofotografía por ejemplo el ruido de lectura puede limitar el tiempo mínimo de exposición, ya que hacer exposiciones cortas no tendría ninguna ventaja (en lo que respecta al ruido de lectura)
No depende del tamaño de sensor o de celda
El ruido de lectura depende del diseño de la electrónica del sensor (la parte analógica)
En principio no depende del tamaño de la celda, ni del tamaño del sensor, aunque el tamaño de la celda puede afectar a las decisiones de diseño de la electrónica. Piensa que en un CMOS típico cada celda tiene un montón de electrónica asociada, que está implementada en el trocito de material semiconductor que corresponde a la celda.
Pero por resumirlo de una forma sencilla, el ruido de lectura es propio de cada modelo de sensor. Cada modelo tiene su ruido de lectura característico.
Depende de la temperatura (pero poco)
El ruido de lectura es en parte un ruido térmico, por lo tanto depende de la temperatura del material.
Pero como no es acumulativo, a efectos prácticos la dependencia con la temperatura es muy pequeña.
¿Cuándo afecta el ruido de lectura?
Como ya hemos comentado en otros artículos: las fuentes de ruido independientes (no correladas) suman en cuadratura.
Cuando el nivel de una fuente de ruido es significativamente más grande que los de las demás, su efecto es muy predominante. Y el efecto de las demás se puede despreciar en esas condiciones.
Se dice que el sensor trabaja en diferentes regímenes de trabajo: régimen de ruido fotónico (el más habitual con diferencia), régimen de ruido de lectura, régimen de ruido térmico, etc.
El ruido de lectura es predominante en tomas con muy muy poca luz y con tiempos de exposición normales (por debajo de 10-15 segundos por dar una cifra orientativa).
También es predominante en las zonas de sombras profundas de la imagen.
La inmensa mayoría de las fotos que hacemos están en régimen de ruido fotónico.
En esas condiciones, el ruido de lectura afecta muy poco (se puede despreciar), excepto en esas zonas de sombras profundas. Esas celdas están recibiendo muy pocos fotones, el nivel de ruido fotónico es muy bajo y el nivel de ruido predominante en esos casos es el ruido de lectura.
¿Podemos reducir el ruido de lectura?
Dado un sensor, el ruido de lectura está presente en todas las situaciones. Depende del modelo de sensor y no podemos reducirlo o eliminarlo.
Pero sí hemos visto que podemos aumentar la SNR con respecto al ruido de lectura.
Lo que hacemos es aumentar el nivel de la señal (aplicándole una ganancia), de tal forma que el nivel de ruido de lectura queda muy por debajo del nivel de la señal.
Pero el nivel de ruido como tal es el que es, no lo hemos tocado.
Matemáticamente le podemos dar la vuelta al razonamiento.
Podemos imaginar que cogemos el ruido de lectura downstream y lo pasamos a la entrada del amplificador (dividiéndolo por la ganancia).
De esa forma hacemos una especie de normalización y podemos comparar de igual a igual los niveles de las tres fuentes principales: fotónico, dark, lectura.
Si buscas información sobre ruido de lectura de un determinado sensor (por ejemplo es un dato que aparece en las hojas de características de sensores para astrofotografía) seguramente aparecerá como ruido de lectura referenciado a la entrada (input-referred read noise)
Y vemos que el ruido de lectura (referenciado a la entrada) disminuye a medida que aumentamos la ganancia.
Por ejemplo, para la ganancia base de ese sensor tendríamos unos 3.1 e-rms (desviación típica, medida en electrones), mientras que para la máxima ganancia bajamos hasta unos 2.1 e-rms.
Pero recuerda que esto es un truco matemático que nos ayuda a comparar. La ganancia no reduce el nivel de ruido de lectura, aumenta la SNR con respecto a dicho ruido.
En una cámara que implemente valores ISO en lugar de ganancia, subir ISO tiene el mismo efecto.
En astrofotografía, donde tenemos muy poca luz en la escena, interesa subir la ganancia (o ISO) para reducir el efecto del ruido de lectura.
Interesa subirlo hasta la zona de ISO invariante (al codo de la curva en el caso de ganancia) ya que a partir de ahí el efecto con respecto al ruido de lectura será cada vez menor (nulo en la práctica) y el hecho de subir la ganancia / ISO implica reducir el rango dinámico que podemos capturar.
En situaciones críticas donde se necesiten niveles de ruido de lectura extremadamente bajos la única opción viable sería utilizar un sensor / cámara con niveles de ruido de lectura más bajos.
Ruido de lectura y evolución tecnológica
El ruido de lectura se ha reducido muchísimo desde las primeras generaciones de sensores de imagen.
En los sensores muy antiguos, sobre todo sensores pequeños, los niveles de ruido de lectura eran significativos incluso en situaciones ‘típicas’ del día a día.
En los sensores modernos los niveles de ruido de lectura son tan bajos que se pueden considerar despreciables en la inmensa mayoría de las situaciones que encontramos como fotógrafos.
Más información
- Serie sobre sensores de imagen
- ¿Cómo funciona un sensor de imagen? (recomendado como primera lectura para tener una visión global)
- Tamaño de sensor, cantidad de luz y exposición
- Fuentes de ruido en los sensores de imagen y valor ISO
- Sensores de imagen, ¿qué es el ruido fotónico?
