¿Qué es un sensor invariante al ISO? ¿Qué ventajas tienen este tipo de sensores? ¿Qué es un sensor ISO-less?
Resumen rápido: un sensor invariante al ISO ideal es un sensor en el que subir ISO no aporta una ganancia apreciable en la relación señal a ruido (SNR) de la imagen.
Dicho de una forma más práctica, con ese tipo de sensores podemos mantener un valor de ISO bajo en el momento de la toma, subexponer y recuperar la exposición a posteriori en edición. El resultado, en cuanto a SNR será muy similar al que obtendríamos configurando el valor de ISO adecuado en cámara.
De todas formas lo vamos a ver con un poco más de detalle, aunque no quiero que sea un artículo largo.
Si ves que hay cosas que no entiendes bien, te recomiendo que leas antes el artículo ‘Subir ISO no aumenta el ruido de la imagen‘ y si no tienes ni idea de sensores de imagen, entonces es mejor comenzar con Cómo funciona el sensor de imagen de una cámara.
- El ruido de lectura
- Características del ruido de lectura
- El ruido de lectura, la ganancia y el ISO
- ISO, SNR y zona de invarianza
- Sensor ISO invariante
- Ventajas de un sensor ISO invariante
- ¿Da igual el ISO, entonces?
- ¿Y para sensores no invariantes? ¿Y para JPEG y vídeo?
El ruido de lectura
El ruido de lectura está asociado a la electrónica analógica que se encarga de recoger y procesar la medida de la celda (el voltaje que corresponde a la cantidad de electrones recogidos en el depósito de la celda)
En un sensor CMOS típico, la electrónica incluye, como mínimo, un amplificador.
El amplificador es necesario para subir el nivel de la señal hasta un determinado rango de valores óptimos para alimentar al ADC.
El ADC se encarga de convertir el valor analógico (p.e. 1.42765 voltios) en un número, en un valor digital, en un valor RAW (p.e. 2346)
El ruido de lectura se genera sobre todo en la etapa de salida del amplificador y en el tramo que va hasta la entrada del ADC (este tramo se conoce como downstream, aguas abajo). Pero también hay una parte que se genera en la circuitería del propio amplificador y en la entrada del mismo (tramo upstream).
En el modelo anterior, el ruido de lectura upstream está marcado como Nr1, mientras que el ruido de lectura downstream está marcado como Nr2.
El ruido de lectura suele ser una mezcla de ruido térmico (presente en cualquier material conductor) y otros tipos de ruido (flicker, etc.) que tienen que ver bastante con el diseño del amplificador.
Aquí tienes más información sobre el ruido de lectura en sensores de imagen
ISO y ganancia
En una cámara de fotos comercial, el valor de la ganancia (del amplificador analógico) tiene que estar calibrado para conseguir unos determinados niveles de exposición aparente.
A esa calibración es a lo que llamamos ISO.
Cada valor de ISO nativo de una cámara se corresponde con un determinado valor de ganancia del amplificador.
En muchas cámaras no se trabaja con valores ISO. Por ejemplo en las cámaras especializadas que se utilizan en astrofotografía no es necesario calibrar el sensor para cumplir el estándar ISO que aplica a cámaras comerciales. En esas cámaras se utiliza directamente la ganancia del amplificador (gain).
Características del ruido de lectura
Resumen:
El ruido de lectura es más o menos fijo para cada modelo de sensor. Es decir, cada modelo de sensor tiene un nivel de ruido de lectura característico.
No es acumulativo. Da igual el tiempo de exposición, el nivel de ruido de lectura estará presente igualmente en exposiciones cortas y en exposiciones largas.
No depende del tamaño de celda o del tamaño del sensor, sólo depende del diseño de la electrónica en el interior del sensor.
Los sensores modernos suelen tener niveles de ruido de lectura muy bajos.
El la inmensa mayoría de las situaciones típicas en fotografía el ruido de lectura se puede considerar despreciable.
Afecta en fotografía con muy poca luz (astrofotografía por ejemplo) y en las zonas de sombras muy profundas de una imagen (zonas que han recibido muy pocos fotones).
El ruido de lectura, la ganancia y el ISO
Para un sensor concreto, el nivel de ruido de lectura es básicamente el mismo siempre. Eso no se puede cambiar.
La parte de ruido de lectura upstream se añade a la señal directamente. Esa parte del ruido de lectura no se ve afectado por el valor de la ganancia de amplificación analógica.
La SNR previa al amplificador dependerá básicamente de la cantidad de fotones que haya recogido la celda.
Nosotros nos vamos a centrar en el ruido de lectura downstream, que es el que se ve afectado por la ganancia, por el valor de ISO. Es el que conocemos como ‘ruido de lectura’ propiamente dicho.
El ruido de lectura se agrega a la señal una vez amplificada.
Cuanta mayor sea la ganancia de ese amplificador, menor efecto tendrá el nivel de ruido de lectura.
Es decir, aumentando la ganancia del amplificador conseguimos aumentar la SNR con respecto al ruido de lectura.
Y por lo tanto, conseguimos aumentar la SNR total en cada celda.
Ruido de lectura referenciado a la entrada
Podemos hacer un truco matemático: podemos imaginar que el ruido de lectura (downstream) está a la entrada del amplificador. A ese ruido ‘virtual’ se le llama input-referred read noise.
Esto puede parecer un poco rebuscado, pero es muy práctico para comparar niveles de ruido de diferentes fuentes. Para ver qué influencia tendrá cada tipo de ruido.
Subir la ganancia del amplificador implica reducir ese ruido de lectura (ficticio, matemático) a la entrada del mismo.
Subir ISO aumenta la SNR
En todos los sensores que tengan un ruido de lectura significativo se cumple que subir ISO, subir la ganancia, aumenta la SNR de la imagen.
Lo que ocurre es que esa mejora en SNR no es tan efectiva como la mejora en SNR que conseguimos aumentando el número de fotones: aumentando el tiempo de exposición, abriendo más el diafragma del objetivo, aumentando la iluminación de la escena.
Desde el punto de vista de la SNR: cuantos más fotones mejor SNR.
Pero cuando aumentar la exposición real no es posible, entonces aumentar el valor de ISO es un recurso que mejora la SNR (a costa de reducir el rango dinámico que puede captar el sensor).
ISO, SNR y zona de invarianza
Siempre intervienen otras fuentes de ruido: el ruido fotónico siempre está presente y el ruido térmico (dark current) puede ser significativo en largas exposiciones.
La ganancia no afecta en nada al ruido que ya estaba en la celda.
Por lo tanto, la mejora en SNR que conseguimos al subir la ganancia tiene un límite, está acotada.
Por cada paso de ISO que subimos, la mejora en SNR se reduce con respecto al paso anterior, hasta alcanzar un techo.
Cuando la mejora de SNR es muy pequeña (al pasar de un valor de ISO al siguiente) se dice que entramos en la zona de invarianza ISO o en la zona ISO invariante.
Cuando se alcanza esa zona invariante, la SNR no cambiará con el ISO: da igual subir el ISO en cámara o subir la exposición a posteriori en un programa de revelado / edición, tendremos exactamente los mismos resultados.
En la zona de ISO invariante el ruido de lectura ha quedado ‘anulado‘, y las demás fuentes de ruido (fotónico, térmico, etc.) no dependen del valor de ISO.
La mayoría de los sensores más o menos actuales llegan a esta zona de invarianza ISO.
En sensores más antiguos, que tenían niveles de ruido de lectura mayores y menos pasos de ISO nativo podía darse el caso de que no se llegase nunca a esa zona de invarianza.
Sensor ISO invariante
Se dice que un sensor es invariante al ISO o ISO invariante cuando su ruido de lectura (input-referred read noise) es tan bajo que se puede considerar despreciable.
La zona de invarianza ISO de ese sensor se alcanza en valores de ISO muy bajos y/o el nivel de ruido de lectura es tan bajo en cualquier caso que la ganancia no tiene apenas influencia en la SNR.
Esta definición basada en el ruido de lectura se basa a su vez en que hemos llamado ruido de lectura al que se genera en el tramo downstream, hacia la salida del amplificador.
Si el ‘ruido de lectura’ dominante está en la parte upstream podríamos tener un sensor ISO invariante con un ruido de lectura relativamente ‘alto’.
En sensores modernos, el ruido de lectura suele ser bastante bajo en cualquier caso.
Un sensor ISO invariante no hace magia
Hay que tener en cuenta que un sensor ISO invariante no es nada mágico.
El ruido fotónico estará presente como en cualquier otro sensor y será la fuente de ruido dominante en la inmensa mayoría de las situaciones. Lo mismo ocurre con el ruido térmico (dark current) cuando hacemos largas exposiciones.
Lógicamente, el hecho de tener un nivel de ruido de lectura muy bajo es una ventaja, pero esa ventaja sólo es efectiva en situaciones muy muy concretas.
La SNR vendrá determinada siempre por la exposición real (tiempo de exposición, apertura, iluminación de la escena)
Sólo en situaciones de muy muy poca luz y/o en las sombras muy profundas de una imagen será relevante el ruido de lectura.
Y en esas situaciones concretas es donde puede tener ventaja un sensor ISO invariante.
ISO-less
Es un término bastante desafortunado para referirse a un sensor ISO invariante. ISO-less se traduciría como ‘sin ISO‘.
Estos sensores están calibrados igualmente para cumplir con los estándares ISO correspondientes. Por lo tanto sí ‘tienen’ ISO.
Y salvo situaciones específicas el uso de los valores ISO es como en cualquier otro sensor que trabaje con valores ISO.
Muchas cámaras (astrofotografía, webcams, etc.) no están calibradas y no usan ISO, usan directamente el valor de ganancia (gain). Tendría más sentido llamarlas ‘ISO-less’.
Pero bueno, es una cuestión de nomenclatura, no tiene mayor importancia.
Ventajas de un sensor ISO invariante
Ya las hemos comentado.
Por el hecho de tener un ruido de lectura muy bajo, un sensor ISO invariante nos da cierta ventaja en situaciones con muy muy poca luz (niveles de ruido fotónico muy bajo) y/o en las zonas de sombras muy profundas de la imagen.
Por ejemplo, en una imagen ‘normal’ para la que queremos subir mucho las sombras. Esas sombras profundas tendrán una SNR mayor (ruido menos perceptible) si han sido generadas por un sensor con un ruido de lectura muy bajo.
Otra ventaja sería desde un punto de vista práctico (sólo aplicable a cuando trabajamos con RAW): si no podemos conseguir la exposición aparente que queremos para la imagen usando exposición real (fotones: tiempo de exposición + apertura) tenemos la libertad de subir ISO o dejar la imagen subexpuesta.
Es decir, en esas condiciones podemos generar una imagen (RAW) subexpuesta que podremos levantar luego en el proceso de revelado, manteniendo la misma SNR.
Con un sensor no invariante al ISO normalmente es preferible hacer la exposición correcta en cámara, subiendo el valor de ISO hasta el valor que consigue esa exposición aparente.
Si conocemos muy bien el comportamiento de ese sensor (no invariante), una vez llegados a su zona de invarianza ISO se comportará como un sensor ISO invariante… y podríamos aprovechar ese comportamiento.
¿Por qué querríamos subexponer?
Me refiero a subexponer en exposición aparente. La exposición real (fotones) ya la hemos decidido previamente con la apertura, el tiempo de exposición y la iluminación de la escena.
Subir ISO / ganancia tiene la ventaja de aumentar la SNR con respecto al ruido de lectura, pero por otro lado, subir ISO implica que reducimos el rango dinámico que podemos captar de la escena.
Lo interesante es encontrar un compromiso entre rango dinámico y ruido (de lectura)
Con un sensor ISO invariante tendríamos más margen para captar una escena con poca luz pero con un cierto rango dinámico, cuando no nos queda más remedio que captar la escena con una única toma.
Por ejemplo, imagina un paisaje nocturno en el que la mayor parte de la escena está en la zona de sombras, pero hay una parte que está iluminada (una ciudad a lo lejos, un faro…)
En esa situación podríamos exponer para las luces, con un valor de ISO relativamente bajo.
Nos va a quedar un RAW en el que todo está en la zona de sombras profundas (prácticamente negro) excepto la zona iluminada de la escena.
Luego en la fase de revelado RAW podríamos levantar las sombras profundas para conseguir el nivel de exposición adecuado.
Con un sensor ISO invariante, daríamos visibilidad al ruido fotónico, pero no tendríamos la contribución de ruido de lectura.
Con un sensor no invariante, ese mismo procedimiento haría perceptible todo el ruido de lectura y el ruido fotónico correspondiente. Si exponemos para el fondo (sombras) quemaríamos las altas luces. Y si subimos ISO para bajar el ruido de lectura perderíamos rango dinámico.
Recuerda que la exposición real (número de fotones) será siempre más efectiva en lo que respecta a la SNR.
Si esa fotografía del ejemplo la podemos hacer con dos o más tomas independientes (HDR), exponiendo para las sombras y exponiendo para las altas luces, podríamos conseguir seguramente mejores resultados. Como cada toma tiene la mejor SNR posible dadas las circunstancias, al combinar ambas tendríamos controladas las altas luces y tendríamos una mejor SNR (las zonas oscuras las hemos generado a partir de más señal, más fotones, con lo que la contribución de ruido de lectura sería probablemente despreciable)
Hay muchos casos en las que no podemos hacer varias tomas de la misma escena para después combinarlas o apilarlas.
En esas situaciones en las que no podemos utilizar otras técnicas, un sensor ISO invariante sí nos daría cierta ventaja.
¿Da igual el ISO, entonces?
Dada una determinada exposición real (fotones que llegan al sensor) en un sensor invariante al ISO ideal daría igual el valor de ISO que usemos, pero sólo en lo que respecta a la relación señal a ruido, y sólo si trabajamos en formato RAW.
Además, hay que tener en cuenta que:
- No hay sensores ideales, todos tienen un cierto nivel de ruido de lectura (downstream), aunque sea muy pequeño.
- Incluso en un sensor invariante al ISO puede haber diferencias de SNR significativas entre una imagen expuesta ‘correctamente’ en cámara y una imagen corregida a posteriori en el proceso de revelado si la diferencia de exposición es muy grande. Imagina que subexpones 5 pasos en cámara y recuperas esos 5 pasos en la fase de revelado. Dependiendo del ISO de partida es posible que se perciban diferencias en la imagen.
- Subir ISO en cámara implica que se reduce el rango dinámico que puede capturar el sensor.
- Subir ISO a costa de reducir la exposición real (bajar tiempo de exposición, cerrar diafragma) implica una SNR menor en la imagen.
En situaciones muy específicas y si sabemos bien qué estamos haciendo realmente (entendemos el comportamiento del sensor de nuestra cámara) y disparando en RAW, podemos sacar partido de las ventajas que ofrece un sensor ISO invariante:
- En situaciones de gran rango dinámico podemos configurar un valor de ISO bajo, para evitar quemar las altas luces.
Luego en edición podríamos recuperar la exposición (subir las sombras) - Tenemos más flexibilidad, porque podemos decidir subexponer (exposición aparente) en cámara y aplazar la decisión sobre la exposición aparente final a la fase de edición.
¿Y para sensores no invariantes? ¿Y para JPEG y vídeo?
Para sensores no invariantes incluso cuando usamos RAW y para todos los sensores cuando trabajamos con JPEG directo de cámara y en el caso de grabación de vídeo:
- Siempre que sea posible, maximizar la exposición real (número de fotones), utilizando los valores de tiempo de exposición y apertura.
- Si no es posible utilizar exposición real, por ejemplo porque la imagen saldría movida o trepidada, o por los parámetros necesarios para vídeo, entonces configurar el ISO que corresponda según la escena, para conseguir una exposición aparente lo más próxima posible a la que tendrá la imagen final.
- No hay que tener miedo a subir ISO.
Por ejemplo, en el caso de fotografía, es preferible una imagen con algo de ruido (se puede mejorar a posteriori) que una imagen movida o trepidada.
El ISO no es nuestro enemigo. Nuestro enemigo (en lo que respecta a la SNR) es la falta de luz.
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
- ¿Qué es el ruido fotónico?
- ¿Qué es el ruido de lectura?
