El ruido fotónico está asociado a la propia naturaleza cuántica de la luz. No depende de la tecnología del sensor ni de la temperatura de trabajo. Aunque tuviéramos una cámara con un sensor ideal, el ruido fotónico seguiría estando presente en la imagen.
- Fotones
- Variabilidad en el proceso de ‘atrapar’ fotones
- Información (señal) y ruido
- Ruido fotónico y SNR
- Ruido fotónico y superficie de captación
- Ruido fotónico y eficiencia cuántica
- El ruido fotónico no es constante en una imagen
- ¿Cuándo es relevante el ruido fotónico?
- ¿Cómo se puede evitar el ruido fotónico?
Fotones
La luz es radiación electromagnética (ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, espectro visible, radiación ultravioleta, radiación gamma…)
Los fotones son los paquetes mínimos (quantum, cuanto) de energía que transporta la radiación electromagnética.
Los podemos imaginar como pequeñas partículas.
La energía que transporta cada fotón depende exclusivamente de su longitud de onda.
Los sensores digitales de imagen se basan en el efecto fotoeléctrico: los fotones que inciden sobre un material interactúan con algunos electrones cediéndoles su energía. Si la energía es suficientemente grande, el electrón puede escapar del átomo y convertirse en electrón libre, que puede ser por ejemplo almacenado en una especie de depósito (condensador).
Un sensor de imagen típico está formado por millones de celdas, que actúan como pequeños paneles fotoeléctricos.
Cada uno de ellos recoge la luz de un determinado punto (zona) de la escena.
‘Contando‘ los electrones generados podemos transformar esa información en un valor numérico, que nos dice cómo de brillante (claro / oscuro) es ese punto de la escena.
Por ejemplo, si calibramos nuestro medidor de 0 a 100, el cero correspondería a un punto totalmente negro de la escena y el 100 a un punto totalmente blanco.
Los sensores sólo detectan esas variaciones tonales (claridad / oscuridad). El color se recoge y se extrae mediante métodos indirectos. Así que de momento dejamos aparcado el tema del color. Lo que vamos a explicar se aplica igualmente a sensores monocromáticos y a sensores de color.
Variabilidad en el proceso de ‘atrapar’ fotones
La radiación electromagnética, como onda, la podemos imaginar como algo contínuo, una especie de fluido que llega a la superficie del sensor.
Imagina que el sensor es iluminado por con una intensidad de luz constante y uniforme.
Todas y cada una de las celdas deberían recibir la misma cantidad de luz, la misma cantidad exacta de fotones.
Pero no es así.
La secuencia de fotones que llega por unidad de área al material fotosensible (a lo largo de un determinado período de tiempo) sigue una distribución estadística de Poisson.
También lo podemos entender como el número de fotones que recibe cada celda para un determinado tiempo de exposición.
Además, no todos los fotones interactúan de forma efectiva con los electrones del material fotosensible. Sólo un porcentaje consigue ‘liberar’ electrones.
A ese porcentaje se le llama eficiencia cuántica (QE, quantum efficiency)
Por lo tanto, suponiendo una iluminación uniforme en toda la superficie del sensor, cada celda recibirá un número variable (aleatorio, pero siguiendo una distribución estádística) de fotones, que generarán un número variable de electrones.
Información (señal) y ruido
La información en este caso sería una imagen (proyección, perspectiva) exacta de la escena.
La podemos imaginar como una imagen perfecta, como si estuviera generada por ordenador, en lugar de ‘fabricada’ por una cámara a partir de la luz.
La información de la escena es transportada por la luz y llega al sensor.
Si la luz no tuviera esa naturaleza cuántica (interacción a través de paquetes discretos de energía, los fotones) un sensor ideal, con una óptica ideal, generaría una imagen perfecta.
Pero la variabilidad asociada a la luz hace que la información que recibe el sensor no sea perfecta.
El valor tonal recogido por cada celda tendrá un pequeño error, con respecto al valor tonal medio (ideal) de ese punto de la escena.
A esa variabilidad, a esa desviación con respecto al valor esperado, es a lo que llamamos ruido fotónico.
Ruido fotónico y SNR
Como hemos comentado, el ruido fotónico (variabilidad) sigue una distribución de Poisson, con una desviación típica que es la raíz cuadrada del número medio de fotones recibidos.
Más luz (más fotones) implica más variabilidad, una desviación típica mayor.
Por ejemplo, si suponemos que cada celda debería recibir en media 50 fotones y tenemos un sensor con 1000 celdas, su distribución podría ser:
Si ahora aumentamos la exposición para recibir en media 1000 fotones por celda, la distribución tendría esta otra forma:
Las líneas verticales indican la desviación típica, y vemos que es bastante mayor en valores absolutos cuando aumenta el número de fotones.
Pero como el ruido crece como la raíz cuadrada del número de fotones, también implica que la relación de la señal con respecto al ruido (SNR) es mayor cuando se reciben más fotones.
De hecho, si sólo tenemos en cuenta el ruido fotónico, la SNR crece exponencialmente a medida que llegan más fotones.
Una celda que recoja muchos fotones tendrá siempre una mejor relación señal ruido que una celda que recoja pocos fotones.
Cuando el ruido alcanza niveles similares al nivel de señal se percibe en la imagen como una especie de granulado y de puntos con colores que no corresponden exactamente con los de la escena.
Lo verdaderamente importante es la relación entre el nivel de la señal (información de la escena que llega a través de la luz) con respecto al nivel del ruido (SNR – Signal to Noise Ratio).
La relación señal a ruido es un indicador de calidad de imagen.
Una imagen formada a partir de datos con buen a SNR será una imagen más limpia, con menos granulado y menos artefactos de color, en la que se aprecian mejor los detalles finos de la escena.
Dada una determinada iluminación del sensor (iluminación de la escena y apertura del objetivo), doblar el tiempo de exposición supone mejorar la SNR en un factor 1.4142 (raíz de 2)
Dicho de otra forma, en escala logarítmica, aumentar 1 paso de luz (tiempo de exposición o apertura o iluminación de la escena) implica aumentar medio paso la SNR (0.5 EV).
Lógicamente, eso sólo se cumple si no hay saturación en la celda. Si la celda llega a saturación (blanco puro, imagen quemada) se produce pérdida de información y disminución de la SNR.
Un ejemplo muy exagerado sería una imagen totalmente quemada, sin ningún detalle de la escena. Aunque el SNR por celda sea muy bueno, el SNR global de la imagen es básicamente cero, porque no conserva ninguna información útil.
Ruido fotónico y superficie de captación
La SNR debida al ruido fotónico depende del número medio de fotones que llegan al material fotosensible.
La exposición nos habla de la cantidad de luz (fotones) que llegan al material fotosensible por unidad de área.
Como hemos visto, aumentar la exposición real en un paso supone aumentar la SNR en medio paso.
Dada una determinada exposición, doblar la superficie de captación implica recibir (en media) el doble de fotones.
Y por lo tanto, una celda con el doble de área (con respecto a la celda de otro sensor por ejemplo) tendrá una SNR aumentada en un factor 1.41 (que equivale a sumar 0.5 EV, medio paso).
Lo mismo ocurre a nivel de sensor, considerando la imagen como un elemento global.
Suponiendo idénticos los demás parámetros, un sensor con el doble de área captará el doble de fotones.
Un sensor con el doble de área generará imágenes con una SNR mayor (ganancia de 1.41 / +0.5 EV con respecto al ruido fotónico)
Esto lo veremos con más detalle en otro artículo.
Ruido fotónico y eficiencia cuántica
La eficiencia cuántica (QE) nos habla del porcentaje de fotones que realmente consiguen liberar electrones del material fotosensible.
Es decir, de todos los fotones que llegan a la superficie del sensor, sólo algunos son ‘captados’ por el material y convertidos en electrones libres (par electrón-hueco).
La eficiencia no es un parámetro fijo, depende de la longitud de onda de la luz que recibe el sensor.
Cada sensor tiene su propia curva de eficiencia de conversión en función de la longitud de onda.
Se puede tomar como referencia la eficiencia del sensor en la zona central de espectro visible, por ejemplo alrededor de los 600nm
La eficiencia cuántica tiene que ver con la tecnología del sensor: por ejemplo si el sensor tiene microlentes, la superficie efectiva de las celdas, tecnología BSI, tipo de filtros que incluye el sensor (ultravioleta, infrarrojo, el filtro RGGB en sensores de color), etc.
Los valores típicos en sensores modernos de cámaras comerciales están en el rango de 60 al 80% de eficiencia cuántica.
Una eficiencia cuántica mayor es equivalente a efectos prácticos a tener un área de captación mayor.
Por lo tanto, el efecto será básicamente el mismo que con el área de captación por celda y el área total del sensor.
El ruido fotónico no es constante en una imagen
Vamos a pensar en términos de SNR a nivel de celda.
En una imagen típica tendremos zonas más claras y zonas más oscuras.
Las celdas del sensor que corresponden a zonas oscuras de la imagen se han generado con menos fotones, y por tanto su SNR será peor.
Las celdas de zonas más claras se han generado a partir de más fotones y su SNR es mayor.
La SNR de una imagen sigue una distribución espacial (2D) que depende del número de fotones que ha recibido cada celda.
Corrección gamma
Además, cuando se hace el revelado RAW (usar los valores RAW del sensor para generar una imagen final, por ejemplo en formato JPG) se suele aplicar una corrección gamma.
La corrección gamma es una curva que expande el nivel de las zonas más oscuras de la imagen y comprime el nivel de las zonas más brillantes de la imagen.
Esa corrección hace que la imagen se perciba más natural, más parecida como veríamos la escena con nuestros propios ojos.
Pero también potencia la percepción del ruido en las zonas más oscuras de la imagen.
En las zonas más brillantes, donde ya de por sí es mayor la SNR, se comprimen los niveles y se hace menos perceptible el ruido.
¿Cuándo es relevante el ruido fotónico?
El ruido fotónico forma parte de la naturaleza de la luz, por lo tanto siempre que haya luz estará presente.
Las fuentes de ruido independiente suman en cuadratura.
Esto quiere decir que si una de ellas tiene un nivel comparativamente más alto, tendrá un efecto predominante, y en muchos casos las demás fuentes se pueden ignorar.
Aparecen así diferentes escenarios o regímenes de funcionamiento del sensor:
- Con cámaras más o menos actuales, el ruido fotónico es el ruido predominante en la inmensa mayoría de las situaciones que nos encontramos en fotografía y vídeo. Con los tiempos de exposición habituales (normalmente cortos) y con niveles de luz que encontramos la mayor parte de las escenas típicas.
- El ruido de lectura (read noise) es predominante sólo en situaciones en las que el sensor recibe muy muy poca luz. Por ejemplo disparando a ISOs muy altos con tiempos de exposición muy cortos. O por ejemplo en fotografía astronómica dependiendo del equipo y de los tiempos de exposición.
- El ruido térmico (thermal noise / dark current) es significativo sólo en larga exposición con poca luz, por ejemplo en fotografía astronómica con cámaras no refrigeradas
¿Cómo se puede evitar el ruido fotónico?
No se puede evitar porque forma parte de la naturaleza de la luz y de su interacción con la materia.
Para minimizar su efecto intentaremos conseguir la mayor SNR posible en los datos RAW que capta el sensor.
Y eso sólo se puede conseguir captando la mayor cantidad de luz (cantidad de fotones) que permita la escena y las circunstancias de la toma.
Como veremos en todos estos artículos sobre sensores de imagen, la percepción visual humana es incapaz de percibir el ruido en una imagen a partir de una cierta relación señal a ruido.
Se suele tomar como referencia una SNR de 30-35dB como umbral para considerar una imagen con calidad excelente, en la que es muy difícil percibir el ruido en condiciones de visualización estándar.
Prácticamente cualquier cámara actual, incluyendo sensores pequeños, puede conseguir estos valores de SNR con buenas condiciones de iluminación en la escena y una exposición correcta (apertura del objetivo y tiempo de exposición).
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
