En este artículo vamos a intentar explicar de una forma sencilla qué es el Rango Dinámico y qué impacto tiene en la calidad de imagen y en tu día a día como fotógrafo.
Foto: Millennium by Hannes Flo (CC BY 2.0)
Índice rápido de contenidos
- Explicación intuitiva del rango dinámico en fotografía / vídeo
- Mundo real vs Visión humana vs Cámara vs Copias
Rango dinámico del mundo real
Rango dinámico de la visión humana
Ojos vs Visión
Rango dinámico de las cámaras
Rango dinámico de los soportes o medios (copias) - Mapeo tonal (tone mapping)
- ¿Es importante el rango dinámico de una cámara?
- Cómo comparar cámaras en función de su rango dinámico
- Explicación más detallada del rango dinámico de una cámara
Explicación intuitiva de rango dinámico en fotografía
El rango dinámico es la relación entre la cantidad de luz de la parte más iluminada de la escena y la cantidad de luz mínima detectable de la parte más oscura (con detalle) de dicha escena.
El rango dinámico se puede expresar como una relación lineal, por ejemplo un rango de 1000:1 indicaría que la parte más luminosa es 1.000 veces más brillante que la más oscura en la que todavía se distingue detalle.
Pero muchas veces la relación es tan grande que no es cómodo ni intuitivo trabajar con esos números. Lo habitual es expresarlo en escala logarítmica, y en fotografía ya tenemos una escala logarítmica perfecta para este tipo de rangos: el paso de luz o EV.
En el ejemplo, el rango de 1000:1 correspondería con:
Es decir, entre la parte más iluminada de la escena y la más oscura habría unos 10 pasos de luz, 10 EV.
Si quieres verlo de una forma más intuitiva, calcular el logaritmo en base 2 sería como contar los pasos que van desde la cifra más grande a la más pequeña, dividiendo por 2 en cada salto.
Rango dinámico. Ejemplo práctico
Vamos a verlo con un ejemplo práctico. Una escena con un rango dinámico alto: zonas con mucho brillo junto a zonas en sombra. Supongamos que el sensor de la cámara no tiene un rango dinámico suficiente para cubrir toda la relación de contraste de la escena.
En esas situaciones hay que decidir qué parte del rango dinámico de la escena vamos a cubrir (ya que no podemos cubrir todo el rango). Podríamos exponer para las luces (para no quemar las partes más brillantes) en cuyo caso tendría detalle en las luces pero empastaría las sombras (no habría posibilidad de recuperar detalle en esas zonas más oscuras).
O podríamos exponer para las sombras, en cuyo caso se quemarían las zonas más brillantes, sin posibilidad de recuperar detalles.
Sin embargo, cuando yo miro la escena real con la misma iluminación, punto de vista, etc. veo algo como esto:
Es decir, consigo ver bastante detalle en las luces y bastante detalle en las sombras.
Luego analizaremos cómo funciona la visión humana, la diferencia con respecto al funcionamiento de las cámaras y también cómo vemos las imágenes en los soportes finales: copias en papel, monitor, pantalla de TV…
En general, cuando hablamos del rango dinámico de una cámara nos referimos a las limitaciones de ese equipo a la hora de captar una escena con mucho contraste (hablamos en este caso de contraste en luminosidad/brillo, no de contraste espacial)
Desde el punto de vista de fotografía y vídeo, una buena definición práctica de rango dinámico de una cámara sería:
Mundo real vs Ojo humano vs Cámara vs Copia
Rango dinámico en el mundo real
El rango dinámico de una escena en el mundo real puede ser enorme.
En fotografía se suele trabajar sobre todo con el concepto de luminancia, que tiene en cuenta la luz que llega al ojo tanto de fuentes emisoras de luz como la reflejada por objetos. La luminancia se mide en candelas por metro cuadrado (cd/m2), también conocidas como nits.
Para hacernos una idea de escalas:
- El cielo nocturno sin luna, tendría una luminancia de entre 0 y 10 nits
- Una escena a plena luz del día puede tener zonas de entre 1 millón y 1000 millones de nits.
Es decir, si tuviéramos una escena a plena luz del día, en la que también aparece una zona totalmente oscura, la relación de contraste podría ser de 1.000.000.000:1
En pasos de luz serían unos 30 EV de rango dinámico.
Hay que tener en cuenta que en fotografía y vídeo lo que nos interesa es el rango dinámico dentro del encuadre de una determinada escena, no el rango dinámico que hay fuera de ese encuadre, ya que no va a afectar a la cámara.
Es decir, imagina que estamos en una situación a medio día a pleno sol. Si tenemos en cuenta la zona más iluminada (el propio disco solar) y la zona más oscura (una sombra muy profunda) seguramente tendremos esas relaciones del orden de 30 pasos de rango dinámico. Pero si nos centramos en un determinado encuadre, por ejemplo si dejamos fuera del encuadre al sol, el rango dinámico dentro de ese espacio de trabajo será mucho menor.
Rango dinámico de la visión humana
La visión humana es bastante compleja: por un lado tenemos el funcionamiento del ojo y por otro lado tenemos el funcionamiento de la visión (cerebro).
El ojo tiene una serie de fotorreceptores, células que permiten convertir la luz que les llega en señales eléctricas que envían al cerebro. Hay dos tipos de células:
- Los conos están situados por toda la retina, pero sobre todo se concentran en el centro, una pequeña zona llamada fóvea, situada aproximadamente en el eje óptico del cristalino. Es la zona que permite ver con más detalle: resolución, contraste y color, pero sólo cuando recibe una cantidad suficiente de luz. Los conos son sensibles al color. Hay conos sensibles a la luz roja, otros a la verde y otros a la azul (de forma muy similar a como funciona el filtro de Bayer en un sensor digital). Cada ojo tiene unos 7 millones de conos.
- Los bastones están repartidos por toda la retina. Son muy sensibles a la luz, mucho más que los conos. No distinguen los colores, sólo los niveles de luminosidad. Además están conectados en grupos (no envían la información de forma individual al cerebro como los conos) por lo que no son capaces de detectar un nivel de detalle espacial tan grande como los conos. Cada ojo tiene unos 150 millones de bastones.
Visión fotópica
Cuando hay buenas condiciones de iluminación, la mayor parte de la información que recibe el cerebro proviene de los conos. Este funcionamiento recibe el nombre de visión fotópica, y es la que ofrece la mejor resolución espacial, de luz y de color. El rango dinámico del ojo en estas condiciones estaría en torno a 1000:1 o unos 10 EV
Visión mesópica
En condiciones de luz intermedias, por ejemplo situaciones de luz artificial, a primeras horas de la mañana o últimas horas de la tarde, zonas en sombra, noche con iluminación, etc. tiene lugar la visión mesópica, en la que el cerebro recibe información tanto de conos como de bastones. En función de la cantidad de luz intervendrán más los conos o más los bastones. La percepción del color y de detalle espacial no es tan buena como en la visión fotópica, pero el rango dinámico es mayor, de unos 14 EV
Visión escotópica
En condiciones de oscuridad, con niveles muy bajos de iluminación, sólo funcionan los bastones. Este tipo de visión se llama escotópica, y el ojo sólo transmite información de niveles de luz, no de color, es una visión monocromática. Además el nivel de detalle espacial es relativamente bajo. El rango dinámico del ojo en estas condiciones estaría en unos 20 EV.
Rango dinámico del ojo vs visión humana
El ojo en realidad sólo es la punta del iceberg, vendría a ser como el objetivo y el sensor de una cámara. El proceso de visión tiene lugar en el cerebro, que interpreta y construye la imagen a partir de la información que le transmiten los ojos.
Lo que vemos es una interpretación de la realidad, no es un proceso totalmente objetivo, muchas veces el cerebro introduce sus propios patrones de reconocimiento, de color, etc.
En lo que respecta al rango dinámico, cuando vemos una escena con un alto contraste de luces y sombras, la visión humana no funciona como una cámara que toma una imagen estática. El funcionamiento sería similar a éste:
- El cerebro dirige a los ojos para que recorran las diferentes zonas de la escena, prestando más atención a los puntos que le despiertan mayor interés.
- En este proceso los ojos van ajustando el iris en función de la luminosidad de la zona.
- El rango dinámico que puede captar el ojo se adapta al brillo de cada zona. Es decir, si estamos barriendo una zona de sombras, el rango dinámico (10-14 EV) se centra en las sombras. Cuando estamos barriendo una zona muy brillante el rango dinámico se desplaza hacia las luces.
- El cerebro recopila toda esta información y genera una imagen mental (una fotografía procesada y editada si quieres verlo así) que incluye detalles de las zonas muy iluminadas y detalles de las zonas más oscuras.
La visión humana es capaz de distinguir más detalles o da más importancia a los detalles de las zonas más oscuras que a los de las zonas más brillantes. Por decirlo de alguna forma presta más atención a los pequeños contrastes de luminosidad de las zonas oscuras que a los pequeños contrastes de las zonas más brillantes.
En general se estima que la visión humana podría tener un rango dinámico del orden de 20-24 EV.
Es decir, la imagen mental o el recuerdo de una escena puede tener ese rango dinámico tan amplio, aunque físicamente el ojo no tenga capacidad para recoger una relación de contraste tan alta de toda la escena.
Podríamos decir que el cerebro utiliza técnicas HDR (high dynamic range – alto rango dinámico) para procesar la información que le llega de los ojos.
Rango dinámico de las cámaras
Una cámara tiene un funcionamiento bastante parecido al del ojo humano.
La película fotográfica o el sensor digital tienen una serie de fotorreceptores sensibles a la luz. En el caso de la película son componentes químicos, en el caso del sensor son celdas de efecto fotoeléctrico.
En el caso de los sensores digitales, el rango dinámico depende de muchos factores como veremos con más detalle un poco más abajo.
En la actualidad muchas cámaras pueden captar rangos dinámicos del orden de 10-14 EV, que sería muy similar, o incluso superior, a la capacidad del ojo humano.
Ya hemos comentado la diferencia entre la información que proporcionan los ojos y la imagen que procesa el cerebro.
Los que hacemos fotografía conocemos perfectamente esa sensación de llegar a casa después de una sesión en un entorno natural precioso, abrir las fotos en el ordenador y pensar automáticamente: estas fotos no coinciden con el recuerdo o la experiencia que he vivido en ese lugar.
Si hacemos las fotos en formato JPEG, la cámara se encarga de hacer un procesamiento (contraste, saturación, etc.) que en cierta forma intenta emular al cerebro. Dependiendo del perfil del fabricante (Neutral, Vivid, Standard…) se conseguirán unos resultados u otros.
Si hacemos las fotos en RAW, nosotros mismos podremos hacer el revelado para intentar conseguir que la imagen encaje con el recuerdo que tenemos de la escena.
Si utilizamos técnicas HDR, por ejemplo haciendo bracketing de exposición: hacemos por ejemplo 3 fotos de la misma escena (con trípode), una de ellas subexpuesta, otra con la exposición normal y otra sobreexpuesta. En edición las combinamos con algún programa HDR, de tal forma que para cada zona de la escena se utiliza la información de la foto con mejor nivel de detalle / exposición.
El resultado es una imagen que se puede acercar más al recuerdo o a la imagen mental que tendríamos al estar físicamente mirando esa escena.
Si se abusa del HDR, del revelado RAW o se usan perfiles muy agresivos en modo JPEG, el resultado serán imágenes poco naturales, irreales.
Copias: rango dinámico de los soportes o medios
El objetivo final de la fotografía y el vídeo es tener una copia de una escena en un medio o soporte: papel fotográfico, cartelería, libros y revistas, pantalla de monitor, móvil, tablet, TV…
¿Qué rango dinámico pueden ofrecer esos soportes?
Rango dinámico de las copias en papel
Las fotos de toda la vida o las impresiones fotográficas.
El rango dinámico de este soporte es relativamente bajo debido a las limitaciones físicas. El blanco más puro es el del propio papel y el negro más oscuro depende de la capacidad de absorción del pigmento utilizado, tipo de papel, etc.
La relación de contraste más alta que he encontrado para copia en papel es de unos 500:1 (unos 9 EV), pero los valores más habituales estarían en el orden de 250:1 hacia abajo, es decir, por debajo de 8 EV
Una impresión con impresora no profesional, con papel fotográfico estándar, estaría en el orden de 5-6 EV de rango dinámico como mucho.
Rango dinámico de un monitor o pantalla de TV
Los monitores de ordenador, pantallas de móvil, las pantallas de las cámaras, los televisores… Estos dispositivos suelen ser SDR (standard dynamic range)
Todos estos monitores y pantallas de TV que no sean HDR, es decir, el 99.9% de los dispositivos en la actualidad, siguen el estándar ITU-R BT.709
Este estándar define un espacio de color y un rango dinámico.
El rango dinámico de todos estos dispositivos estaría en unos 6-7 EV
Rango dinámico de un monitor o TV HDR
Los dispositivos HDR (high dynamic range) corresponderían con el estándar ITU-R BT.2020, que aumenta el espacio de color y también aumenta el rango dinámico hasta unos 10 EV.
Este estándar afecta tanto a los soportes (monitores, pantallas) como a las cámaras, y está sobre todo orientado a vídeo 4K / 8K.
En la actualidad hay pocos dispositivos HDR y son muy caros con respecto a sus versiones equivalentes del estándar BT.709
Mapeo tonal (tone mapping)
Entonces, a ver, a ver… aquí falla algo.
Si todos vemos las copias de nuestras fotos o vídeos en soportes con un rango dinámico tan pobre en comparación con la visión humana o la capacidad de las cámaras: ¿para qué queremos cámaras con más rango dinámico?
Bueno, la explicación es que se puede comprimir el rango dinámico, de tal forma que la copia reproduzca detalles (texturas) tanto en las zonas de sombra como en las zonas de luces.
Esta compresión, o más bien el proceso que se usa para realizarla, recibe el nombre de mapeo tonal.
El mapeo tonal es un proceso que transforma ciertos tonos o colores de una imagen en otros tonos diferentes. En este caso hablaremos del mapeo tonal que se utiliza para comprimir el rango dinámico de una imagen.
Un mapeo tonal básico muy frecuente es el que se suele realizar al revelar una fotografía en formato RAW:
- Subimos las sombras
Es decir, el programa selecciona todos los pixels con una luminancia baja (oscuros) y a todos esos puntos les subimos su luminancia, los hacemos más brillantes, para mostrar el detalle. - Recuperamos las altas luces
El programa selecciona todos los pixels con luminancia alta, a partir de cierto umbral, y a todos esos puntos les bajamos la luminancia para resaltar los detalles en esas zonas tan iluminadas. - Aumentamos el contraste local
Se buscan puntos adyacentes o cercanos de la imagen que tengan una cierta diferencia de luminancia y se exagera esa diferencia, para dar más sensación de nitidez y detalle.
Comprimimos el rango dinámico de la cámara para adaptarlo al rango dinámico del monitor y lo ajustamos de forma subjetiva para destacar o resaltar ciertas zonas de la escena.
La visión humana reconoce muy bien esas imágenes, a pesar de la compresión de rango dinámico, porque en cierta forma es lo que el cerebro hace internamente cuanto tomamos una imagen mental de una escena con muy alto rango dinámico.
Estas técnicas de mapeo tonal pueden aplicarse a nivel global o pueden aplicarse en zonas concretas de la imagen.
La mayoría de programas de revelado y edición de imágenes cuentan con algún módulo de mapeo tonal automático. Estos módulos aplican diferentes algoritmos para realizar la compresión de rango dinámico. Normalmente la imagen resultante tendrá un contraste local más acentuado y un contraste global más reducido.
El mapeo tonal está limitado lógicamente por el rango dinámico de la imagen original. Que a su vez estará limitado por el rango dinámico real que la cámara captó en esa escena.
Por otra parte, el rango dinámico útil de una cámara está muy relacionado con su comportamiento en ruido: subir las sombras al revelar o editar una imagen es un proceso similar a subir ISO en cámara. Estamos amplificando el ruido intrínseco de los puntos más oscuros y lo estamos haciendo más visible.
Finalmente comentar que la información, en este caso la información a lo largo de todo el rango dinámico, tiene que estar en la imagen original. Una zona de la imagen original que esté quemada (blancos puros) o empastada (negros puros) no se puede recuperar, no podemos tener detalle o textura, ni con mapeo tonal ni de ninguna otra forma (hay técnicas para estimar o ‘inventar’ cierto detalle a partir del contexto, pero no se puede recuperar información de donde no hay)
Cámaras: ¿mejor cuanto más rango dinámico?
Lógicamente, cuanto mayor sea el rango dinámico de la cámara, más margen tendremos en situaciones de alto contraste.
Pero piensa que el rango dinámico completo de la cámara sólo lo vamos a usar en situaciones muy concretas y además es muy difícil aprovecharlo al máximo.
Si hacemos fotografía en estudio o podemos controlar de alguna forma la iluminación de la escena (flash de relleno, reflectores, etc.) estaremos trabajando con rangos dinámicos que puede manejar perfectamente cualquier cámara de gama media.
Sin embargo hay situaciones en las que hay mucha relación de contraste en la escena y no hay tiempo o no hay posibilidad de utilizar técnicas alternativas (iluminación de relleno, filtros degradados, horquillado / bracketing de exposición…)
En esas situaciones tendremos que decidir si queremos exponer en la parte de sombras (quemando las luces) para tener todo el detalle posible en las zonas menos iluminadas o si queremos exponer para las luces, dejando las sombras muy oscuras, con el riesgo de empastarlas (negro absoluto).
Si realizamos una exposición perfecta, por ejemplo si utilizamos el formato RAW podemos ajustar el histograma para que optimizar la cantidad de luz que recibe el sensor (técnicas de derecheo de histograma), sí se notarán diferencias apreciables entre diferentes sensores y modelos de cámaras.
En el caso de las cámaras de gamas medias y altas actuales (es decir, prácticamente todos los modelos de réflex, EVIL y compactas avanzadas) el rango dinámico suele estar limitado por el ruido electrónico que genera el sensor.
¿Dónde vamos a notar esas diferencias en el día a día?
Ya hemos visto que el rango dinámico de la cámara sólo se puede aprovechar al máximo en situaciones muy concretas y no es fácil. La mayoría de nosotros usaremos sólo un porcentaje de ese rango dinámico, y en la mayoría de las situaciones es más que suficiente. Recuerda que luego nuestras fotos van a acabar visualizándose en medios que tienen un rango dinámico bastante menor.
Una cámara con más rango dinámico digamos que nos da sobre todo más margen a la hora de exponer. Podemos meter la pata sobreexponiendo o subexponiendo una foto y luego en revelado o en edición tendremos más margen para ajustar la exposición y dejarla a nuestro gusto.
En el caso de fotógrafos profesionales esto puede tener mucha importancia porque muchas veces tienen que trabajar en circunstancias difíciles. Ese margen puede marcar la diferencia entre conseguir una imagen aprovechable o una que va directamente a la basura.
También vamos a notar el rango dinámico al subir las sombras en el proceso de revelado o edición (al hacer un mapeo tonal en general).
Básicamente, a nivel práctico: cuántos pasos de luz podemos subir las sombras manteniendo una cantidad de ruido razonable (técnicamente: manteniendo una relación señal a ruido SNR suficientemente alta)
En el caso del vídeo nos encontramos con más limitaciones que en fotografía:
- Por un lado el proceso de grabación fija los tiempos de exposición de cada fotograma. No podemos hacer larga exposición. La única forma de conseguir una cierta exposición es jugando con el ISO, y subir ISO implica normalmente reducir el rango dinámico.
- Y por otra parte la señal de vídeo es procesada y comprimida (cada fotograma es como una imagen JPEG) con lo que hay mucho menos margen a la hora de jugar con la exposición (mapeo tonal) en la fase de edición.
Comparar cámaras en función de su rango dinámico
El rango dinámico es una característica importante pero mi recomendación es que no te obsesiones.
La mayoría de las cámaras actuales tienen un rango dinámico que cubre perfectamente las necesidades de cualquier fotógrafo aficionado avanzado.
Si trabajas como fotógrafo, bueno, tendrás que valorar ese margen extra que te puede dar un modelo de cámara con respecto a otro. Sobre todo si trabajas en exteriores sin iluminación de apoyo.
Para hacerte una idea del rango dinámico creo que la mejor fuente es DxOMark
Ahí puedes ver para cada modelo de cámara un análisis bastante completo del rendimiento del sensor, aunque estos análisis detallados pueden ser difíciles de interpretar. Sin embargo las puntuaciones globales te pueden dar idea del comportamiento:
Para el caso del rango dinámico (Landscape / Dynamic range):
Dynamic range corresponds to the ratio between the highest brightness a camera can capture (saturation) and the lowest brightness it can capture (which is typically when noise becomes more important than the signal — that is, a signal-to-noise ratio below 0 dB). A value of 12 EV is excellent, with differences below 0.5 EV usually not noticeable.
Es decir, según sus criterios de análisis, a partir de unos 12 EV de rango dinámico ya se considera un comportamiento excelente para una cámara. Y las diferencias por debajo de medio paso (0.5 EV) son indistinguibles.
Ten en cuenta que ese criterio es el que se conoce como rango dinámico técnico o de ingeniería. Para un fotógrafo no suele ser un criterio útil, ya que en el margen inferior (el mínimo de señal) está considerando una señal con un nivel similar al del ruido: 0 dB
Eso en una imagen se traduciría en un nivel de granulado que no sería aceptable desde el punto de vista estético.
El rango dinámico aceptable desde el punto de vista de un fotógrafo partiría de al menos 12dB o 20dB de relación señal a ruido, es decir, que la información de la escena sea al menos cuatro veces mayor que el nivel de ruido (10 veces mayor si tomamos 20dB).
- 12dB correspondería con una señal 4 veces mayor que el ruido (2 EV)
- 20dB correspondería con una señal 10 veces mayor que el ruido (unos 3 EV)
Por ejemplo, una cámara con 12 EV de rango dinámico según DxOMark (que se considera ya excelente) tendría unos 10 EV o 9 EV de rango dinámico real para un fotógrafo, según el criterio subjetivo de cada uno y su tolerancia al ruido o granulado.
