Ruido, ISO y características del sensor de una cámara

¿Qué relación tiene el tamaño del sensor con la calidad de imagen? ¿En qué afecta la resolución al comportamiento en ruido? ¿Por qué aparece ruido al subir ISO?

 

Este artículo forma parte de la serie sobre ¿Cómo funciona el sensor de una cámara?

 

• Introducción: calidad de imagen
• Tamaño de celda (densidad de pixel) y ruido
• Tamaño de sensor y ruido
• Qué efecto tiene el desarrollo tecnológico de los sensores
• ISO y ruido
• Exposición y ruido
• Procesado de la imagen

 

 

Introducción: calidad de imagen

Cuando hablamos de calidad de imagen nos referimos normalmente al grado de fidelidad de esa imagen con respecto a la escena real que está captando.

Parámetros objetivos relacionados con la calidad de imagen:

• Resolución (nitidez)
  Nivel de detalle que podemos apreciar en la imagen
• Color
  Fidelidad del color con respecto a lo que vemos con nuestros ojos en la escena real
• Ausencia de artefactos
  Los artefactos son elementos que aparecen en la imagen pero que no forman parte de la escena real: puede ser por ejemplo ruido digital, efectos de aliasing (Moiré), viñeteo, destellos (flares), aberraciones ópticas…

 

Vamos a suponer que la parte óptica (objetivos) es ideal, perfecta.

Si no hubiera ruido digital de ningún tipo y suponiendo características ideales del sensor y la parte óptica: la calidad de imagen estaría relacionada con la resolución del sensor.

Más resolución implica más detalle en la imagen y más fidelidad con respecto a la escena real.

 

En el mundo real la propia naturaleza de la luz lleva asociada fluctuaciones estadísticas que se traducen en ruido: ruido fotónico (shot noise).

Además la electrónica del sensor introduce ruido adicional: ruido térmico, de lectura, etc.

El ruido electrónico lo podemos ver como una especie de ruido base, que crece con la temperatura.

El ruido fotónico crece con la cantidad de fotones recibidos, pero de una forma más lenta.

En concreto la cantidad de ruido está relacionada con la raíz cuadrada del total de fotones. Es decir, si cada celda recibe en media 100 fotones, el nivel de ruido será de unos 10 fotones en cada una. Si recibe 10000 fotones, el ruido medio sería de unos  100 fotones, etc.

Como el ruido siempre está presente, lo que importa realmente es la relación entre la cantidad de información (señal) y la cantidad de ruido. La relación señal a ruido se conoce como SNR (Signal to Noise Ratio).

 

 

Una relación señal a ruido muy alta quiere decir que hay mucha señal comparada con la cantidad de ruido, en esos casos el ruido será prácticamente imperceptible y la calidad de imagen será muy buena.

A medida que baja la relación señal a ruido la calidad de la imagen irá empeorando ya que el ruido comenzará a ser percibido en la imagen: granulado y puntos de color.

Una baja relación señal a ruido equivale a imágenes de baja calidad, en el sentido de que la imagen no es fiel a la escena real.

Teniendo en cuenta la relación entre el ruido fotónico y la cantidad total de luz, y el hecho de que el ruido electrónico es más o menos constante, la regla básica de la fotografía digital es la siguiente:

Cuanta más luz (número total de fotones) recoja el sensor más alta será la relación señal a ruido global y mejor será la calidad de la imagen.

 

 

Tamaño de celda (densidad de pixel) y ruido

Vamos a centrarnos ahora en una única celda del sensor.

Dada una determinada intensidad de luz que llega a la celda (fotones por segundo): cuanta más superficie tenga la celda más fotones captará por unidad de tiempo.

No todos los fotones son convertidos en electrones. En sensores modernos la eficiencia cuántica (QE – Quantum Efficiency) estaría en el orden del 40-50%. Además la eficiencia cuántica depende de la longitud de onda de la luz: la luz azul tiene una eficiencia superior a la luz verde y la luz verde mayor que la luz roja.

En los sensores CMOS, los electrones generados a partir de fotones se almacenan en el depósito de la celda (condesador). A esas escalas tan pequeñas el tamaño de la celda y toda su circuitería puede limitar también la capacidad máxima del depósito.

Por ejemplo, para tener una referencia con sensores de cámaras reales:

modelo / capacidad por celda / Mpx / tamaño sensor
Sony a7S II :  160.000 electrones (12Mpx) Full Frame
Sony a7 III :  95.000 electrones (24Mpx) Full Frame
Nikon D850:  60.000 electrones (45Mpx) Full Frame
Nikon D3400: 35.000 electrones (24Mpx) APS-C
Olympus OM-D E-M1 Mark II: 34.000 electrones (20Mpx) Micro 4/3

Fuente: http://www.photonstophotos.net

 

A nivel de celda, cuanto más grande sea la superficie de captación y el depósito de electrones, más se podrá maximizar la relación señal a ruido.

Desde este punto de vista interesa tener celdas con la mayor superficie de captación posible.

Esto entra en conflicto con la resolución del sensor, ya que a mayor resolución habrá más densidad de celdas por unidad de superficie y por lo tanto menor superficie por celda.

Es decir, dado un tamaño de sensor, por ejemplo formato APS-C, cuanto mayor sea la resolución (megapixels) menor será en general el rendimiento a nivel de celda: cada pixel de la imagen tendrá en promedio más ruido con respecto a sensores con menor resolución.

Vamos a ver un ejemplo sencillo suponiendo dos sensores. Cada celda del sensor A es 4 veces más grande (área) que cada celda del sensor B.

Imagina que necesitamos tomar una foto de una escena con poca luz y con un tiempo de exposición muy limitado (situación típica en la que tenemos que subir ISO para conseguir una ‘exposición’ adecuada).

Supongamos que la celda de A recoge 4000 electrones. Como la celda B tiene un área que es el 25% de la A, recoge 1000 electrones en ese intervalo.

El ruido fotónico de A será de unos 60 fotones. El de B será de unos 3o fotones. Y vamos a suponer que el ruido térmico es despreciable. La relación señal a ruido en cada celda será aproximadamente:

SNR A = 4000 / 60 = 67
SNR B = 1000 / 30 = 33

Si tenemos en cuenta el ruido térmico, etc. la diferencia sería incluso mayor.

Con ISO base esa foto saldría muy oscura (hay pocos electrones con respecto a la capacidad máxima de la celda), así que subiríamos el ISO para obtener el nivel de exposición deseado. Subir el ISO equivale a escalar el valor de cada celda (amplificar su valor) y tendríamos dos imágenes de la misma escena.

La imagen tomada con el sensor A tendría pixels con mejor relación señal a ruido, más fieles con respecto a la escena. La imagen tomada con el sensor B tendría más resolución (en ese sentido sería más fiel con respecto a los detalles de la escena) pero cada uno de sus pixels tendrían más ruido.

 

 

Tamaño de sensor y ruido

El tamaño de la celda (densidad de pixel si comparamos sensores del mismo tamaño) es un factor muy importante en lo que respecta al rendimiento de un sensor, pero no es el único factor.

Hemos hablado de la ‘calidad de imagen’ a nivel de celda, es decir, la relación señal a ruido nos dice que las celdas grandes representan más fielmente el nivel de brillo de la escena real en ese punto.

Pero si lo pensamos bien, lo que realmente importa es la calidad de la imagen en conjunto, como un todo, incluyendo una reproducción fiel de los tonos y también de los detalles (resolución)

Es más, lo importante es la calidad de la imagen en su soporte final: fotografía impresa, cartelería, monitor, pantalla de teléfono o tablet, etc.

Vamos a imaginar varios casos para comparar y sacar conclusiones. En todos ellos vamos a suponer que la tecnología del sensor es similar:

• Tenemos un sensor A y un sensor B como los del ejemplo anterior. Los dos son del mismo tamaño pero diferente resolución, cada celda de A es 4 veces más grande (en superficie) que la del B
• Tenemos dos sensores, C y D. C es el doble de grande que D (por ejemplo un sensor Full Frame con respecto a un sensor Micro 4/3). Pero D tiene mucha menos resolución y por lo tanto celdas más grandes que C.
• Tenemos dos sensores, E y F, con la misma resolución pero tamaños diferentes. Por ejemplo imagina un sensor Full Frame de 20Mpx y un sensor Micro 4/3 de 20Mpx

 

Sensores de igual tamaño pero diferente resolución

Primer caso: si tenemos dos sensores con el mismo tamaño pero diferente resolución (A y B), ¿cuál de ellos ofrecerá mejor calidad de imagen?

Pues en general los dos van a dar un resultado similar.

Ten en cuenta que las imágenes tomadas con el sensor A y B de la misma escena se van a ver diferentes si ampliamos al 100%. En una vamos a tener puntos más gordos pero más homogéneos en cuanto a variaciones tonales debidas al ruido. En la otra vamos a tener más detalle pero más variabilidad tonal (más granulado a ese nivel de detalle)

Pero comparar las imágenes ampliadas al 100% no nos sirve de nada. Tenemos que comparar las imágenes en su soporte final. Por ejemplo podemos imprimir las dos imágenes al mismo tamaño físico o podemos comparar las dos reescaladas al tamaño de una pantalla de monitor.

Vamos a suponer simplemente que reescalamos la imagen del sensor B para que tenga la misma resolución que el sensor A. De esta forma podremos comparar en igualdad de condiciones.

¿Qué ocurre al reescalar una imagen?. Si reescalamos promediando: es decir, cogemos grupos de puntos de la imagen, promediamos su valor y los convertimos en un único punto más grande con ese valor (brillo) promedio. Lo que conseguimos es aumentar la relación señal a ruido de ese nuevo punto.

 

 

Esto ocurre porque la información de la escena tiene normalmente una fuerte correlación espacial. Mientras que el ruido no tiene ninguna correlación espacial (a menos que sea algún tipo de patrón de ruido por defecto de diseño, etc.). El promediado refuerza la información y disminuye el ruido.

 

Sensor más pequeño pero con celdas más grandes

Segundo caso: Un sensor más pequeño pero con celdas más grandes, ¿ofrecerá mejor calidad de imagen que un sensor mayor con celdas más pequeñas?

En general, no. El sensor más grande tiene más superficie de captación total.

Para una determinada exposición, que se determina por unidad de área. Es decir, dada una intensidad de luz (fotones por segundo) y un determinado tiempo de exposición (segundos) el sensor grande captará más fotones, más luz.

Aunque a nivel de pixel podamos ver que el sensor pequeño recoge más fielmente los tonos de la escena, la imagen como conjunto tendrá una relación señal a ruido mejor en el sensor grande.

Y de nuevo, a la hora de reescalar para comparar o comparando la imagen en su soporte final (impresión, pantalla de monitor, etc.) la imagen del sensor grande tendrá en la mayoría de los casos una mejor calidad en lo que respecta al ruido que se percibe.

 

Igual resolución pero diferente tamaño

Tercer caso. A igualdad de resolución pero diferentes tamaños, ¿qué sensor ofrecerá una mejor calidad de imagen?

El sensor más grande ofrece más calidad. Porque tiene más superficie de captación total y porque además cada una de sus celdas es más grande.

Además, a la hora de imprimir por ejemplo: cada punto del sensor pequeño hay que escalarlo más para cubrir la misma superficie en el papel con respecto a un punto del sensor grande.

 

 

Qué efecto tiene el desarrollo tecnológico de los sensores

Es uno de los factores más importantes, al menos hasta la fecha.

Cada nueva generación de sensores ha ido aumentando su rendimiento.

• Por ejemplo las micro-lentes permiten concentrar los fotones sobre la superficie de captación de la celda, y mejoran el ángulo de incidencia de los rayos de luz.
• La tecnología BSI permite que haya más superficie de captación efectiva dentro del espacio de la propia celda.
• Cada vez se consigue más superficie de captación útil, minimizando la separación entre celdas adyacentes.
• La electrónica asociada a cada celda es más eficiente y produce menos ruido térmico.
• ….

Dos sensores de generaciones tecnológicas diferentes no son comparables en cuanto a rendimiento (hablamos de ruido)

¿Quiere esto decir que una cámara de hace 5 o 10 años no vale para nada?

En absoluto. Lo que quiere decir es que si una cámara de hace 5 años me permitía hacer fotos de una calidad aceptable hasta ISO 800, una cámara actual de la misma gama a lo mejor me permite hacer las mismas fotos a ISO 3600.

¿Necesito en mi día a día hacer fotos a ISO 3600? Si lo necesito, entonces sí me interesa cambiar mi cámara. Si no lo necesito para mi tipo de fotografía habitual, mi cámara de hace 5 o 10 años va a seguir sacando buenas fotos, simplemente tengo que conocer sus límites, como en cualquier otra cámara por muy avanzada que sea.

 

ISO y ruido

Ya que hablamos de ISO…

Aunque ya lo hemos comentado, hay que recalcar que subir ISO no aumenta el ruido de la imagen.

El ruido ya estaba allí en las celdas del sensor junto a la señal (información de la escena).

Subir el ISO hace que sea más evidente y más visible ese ruido en la imagen, ya que estamos escalando el valor de brillo de cada celda / pixel. Es decir, estamos amplificando las variaciones de cada punto (brillo) con respecto a su valor medio esperado según la escena.

Cuando comparamos cámaras por su comportamiento a ISOs altos, realmente estamos viendo qué cámara consigue minimizar más el ruido. El sistema que controla la sensibilidad (ISO) no hace ningún tipo de magia, sólo hace un escalado / amplificación de lo que hay en la celda.

Algunos sensores consiguen un nivel de ruido térmico / electrónico tan bajo que llega a ser despreciable con respecto al ruido fotónico. Se conocen como sensores invariantes al ISO.

Imagina que haces dos fotos de la misma escena con un sensor invariante al ISO (por supuesto en formato RAW). La primera foto exponiendo correctamente, digamos que a ISO 1600. La segunda foto a ISO base (ISO 100 supongamos).

Lógicamente la segunda foto saldrá muy subexpuesta, estaría 4 pasos de luz más oscura que la primera. Pero si en el programa de revelado se sube la exposición 4 pasos, el resultado sería prácticamente idéntico al de la primera foto: tonos, brillo y nivel de ruido.

Como el ruido térmico es despreciable, da igual amplificar la señal a nivel de celda dentro del sensor (subir ISO) que amplificarla después en el programa de revelado.

Bueno, siempre hay ruido térmico y otras pequeñas fuentes de ruido, y esa invariabilidad al ISO no es perfecta lógicamente, no se puede mantener a partir de un determinado rango de pasos de luz y siempre habrá un pelín más de ruido en la imagen subexpuesta.

Es simplemente para que te hagas una idea de que el ISO de un sensor no hace nada mágico ni añade ni quita ruido.

 

Exposición y ruido

A partir de todo lo que hemos visto sobre el ruido en sensores la conclusión sería: para maximizar la relación señal a ruido, sea cual sea el sensor o la cámara, lo más importantes es usar o recoger la mayor cantidad de luz posible.

Cuando las condiciones de luz de la escena son buenas todas las cámaras obtienen buenas fotos.

Incluso cámaras con sensores muy diferentes en tamaño y resolución. Estamos hablando de calidad con respecto al ruido, luego habría que ver por ejemplo la nitidez debida a la óptica utilizada por la cámara, etc.

Cuando las condiciones de luz no son tan buenas, por ejemplo situaciones con poca luz en las que necesitamos disparar con una velocidad de obturación alta, el tamaño del sensor y su tecnología marcan la diferencia. Lo mismo ocurre con escenas de alto rango dinámico, que combinan zonas muy oscuras con zonas muy iluminadas.

También en vídeo tenemos la limitación de la velocidad de obturación y en escenas con menos luz es inevitable subir ISO para conseguir la exposición adecuada.

En cualquier caso lo importante es intentar hacer una buena exposición, recoger la mayor cantidad de luz, a ISO base de la cámara si es posible.

Si disparamos en formato RAW podemos sobreexponer un poco, sin llegar a quemar las zonas más iluminadas porque perderíamos esa información.

Esta técnica se conoce como derecheo del histograma (Exposure to the Right – ETTR).

Al sobreexponer lo que hacemos es maximizar la cantidad de fotones en todas las celdas y minimizar el ruido (conseguiremos una relación señal a ruido mayor).

Luego en el programa de revelado bajamos la exposición hasta el nivel adecuado. Conseguiríamos una reducción de ruido, sobre todo sería apreciable en las zonas más oscuras (celdas que reciben menos fotones y en las que la relación señal a ruido es peor)

Con los sensores más modernos (invariantes al ISO) esta técnica no es tan efectiva y hay que tener en cuenta que luego las imágenes van a necesitar un proceso de edición (al menos en el programa de revelado).

Ten en cuenta también que al hacer el derecheo existe el riesgo de quemar las altas luces y perder información, ya que tanto los sistemas de medición de luz como los histogramas que visualizan las cámaras no son tan precisos como para ajustar al límite la exposición de altas luces. Dependerá de cada fotógrafo determinar si con su equipo y tipo de fotografía le compensa usar esta técnica o no.

En resumen, es muy importante exponer bien. Cuanta más luz obtengamos de la escena mejor.

 

 

Procesado de la imagen

¿Se puede eliminar el ruido de una imagen en edición o mediante el procesador interno de la cámara?

Bueno, es muy complicado porque la información y el ruido están mezclados una vez que salen del sensor.

Ya hemos comentado que el promediado a partir de grupos de pixels adyacentes disminuye el ruido (ruido aleatorio con poca correlación espacial). Es equivalente a un filtro de paso bajo que elimina la alta frecuencia: elimina toda la alta frecuencia espacial del ruido pero también elimina la alta frecuencia espacial de la información de la escena.

Es decir, el promediado tiene un efecto de suavizado de la imagen, de pérdida de nitidez, sobre todo en los detalles: bordes de la imagen, texturas, etc.

Hay técnicas de promediado ‘inteligente’ que tienen en cuenta por ejemplo si se trata de una zona homogénea de la escena: un trozo de cielo, una zona con poca textura, etc. Es precisamente en esas zonas donde más se nota visualmente el ruido y donde más efectivo sería aplicar un promediado.

También hay técnicas de apilado de imágenes: tomar varias imágenes de la misma escena (con trípode o con tiempos de exposición muy bajos) y apilarlas para promediar el valor en cada punto.

Los valores que corresponden con la escena se refuerzan, mientras que las variaciones debidas al ruido tienden a anularse, ya que tienen una distribución espacial aleatoria.

 

 

 

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