El ISO y el ruido tienen una de esas relaciones de causa-efecto que da pie a muchas confusiones. En este artículo veremos qué tienen que ver ISO y ruido realmente.
La idea intuitiva, y que todos hemos experimentado: cuando subo el valor de ISO, mis imágenes se ven con más ruido.
Conclusión intuitiva: subir ISO es malo, subir ISO causa el ruido en la imagen.
Esa intuición sobre el ISO funciona más o menos bien, a efectos prácticos, en la mayoría de las situaciones del día a día. Por eso perdura, claro.
Pero es una intuición que no representa la realidad de lo que ocurre en el sensor.
Y no funciona siempre, porque se basa en el efecto y no en la causa.
Una intuición asentada no se puede cambiar facilmente. El propio sesgo de confirmación hará que siempre justifiquemos cualquier resultado basándolo en esa intuición, e incluso si hace falta condimentaremos con un poquito de magia para que cuadre todo.
Para romper con la intuición hay que profundizar un poco y entender mínimamente cómo funciona un sensor, y el origen y comportamiento del ruido.
Eso vamos a intentar en este artículo.
Vamos a ir paso a paso, muy despacio.
Usaremos modelos muy sencillos, con una matemática muy sencilla y vamos a mostrar los efectos de una forma muy visual.
Es de ese tipo de conceptos que uno lo puede ver mil veces sin entenderlo realmente (por mucho que lo veamos nos quedamos igual, con la intuición previa). Pero cuando el cerebro hace ‘clic’ te aseguro que todo encaja en su sitio… y a partir de ese momento ya no hace falta recurrir a la intuición.
Así que te animo a que sigas todo el artículo.
Si todo esto ya lo conoces, bueno, nunca está de más otro punto de vista para asentar conocimientos.
Comenzamos con el ruido.
Ruido
El ruido fotónico es la principal fuente de ruido en la inmensa mayoría de las situaciones que nos encontramos en fotografía.
Forma parte de la propia luz, por el hecho de que su energía está cuantizada en paquetes (fotones)
Todas las imágenes que ‘fabriquemos’ a partir de la luz que llega de una escena contendrán, como mínimo, ruido fotónico.
Da igual si utilizamos un sensor digital, da igual si usamos una lámina de película fotográfica, da igual si usamos nuestros propios ojos. El ruido fotónico no depende de la cámara ni de su tecnología.
Aquí tienes más información sobre ruido fotónico.
En los sensores digitales hay más fuentes de ruido: ruido térmico, ruido de lectura, etc.
Pero lo importante es entender que siempre, siempre, siempre habrá ruido.
Variabilidad
El ruido lo podemos pensar como variabilidad con respecto a un valor o medida ideal.
Si hacemos una foto a una pared gris perfectamente homogénea (sin textura y perfectamente iluminada) esperaríamos una imagen en la que todos sus puntos representan exactamente ese gris de la pared.
Vamos a representar el tono de la pared (brillo) en una escala de 0 a 100.
Tomamos la foto y revisamos la imagen, punto a punto.
Vemos que cada punto tiene valores diferentes: 51, 55, 47, 49, 52, 51, 48, 45, 40…
Hacemos la media de todos los puntos y nos sale 50 por ejemplo. Ése sería el valor ideal, o al menos es un valor que se acerca mucho a la representación ideal.
Esa variabilidad, debida a una serie de procesos físicos (naturaleza cuántica de la luz, efecto térmico…), es lo que conodemos como ruido.
El valor ideal, 50 en este ejemplo, es lo que conocemos como señal.
La señal es la representación de la información de la escena.
Relación señal a ruido
El nivel de ruido, como tal, no nos dice gran cosa. Ahora lo veremos con ejemplos.
Esto es así porque para la percepción humana y cualquier otro sistema que trabaje con información, lo importante de verdad es la relación señal a ruido (SNR – signal to noise ratio).
La relación señal a ruido (SNR) es un indicador de ‘calidad’, en el sentido de que será más fácil extraer la información cuanto mayor sea la diferencia entre la señal y el ruido.
En el caso de las imágenes, una imagen con una SNR muy alta la percibiremos como una imagen limpia, ‘perfecta’.
Una imagen con una SNR muy baja la percibimos con ruido, con esa variabilidad que se percibe como granulado y puede llegar a ser molesta, porque nos distrae y enmascara parte de la información.
Fotografiando una pared (de otro universo)
Volvemos al ejemplo de la pared gris.
Inicialmente vamos a considerar un ruido constante (aleatorio pero con una desviación típica concreta, fija), que podría corresponder perfectamente con un ruido de lectura. Estamos en otro Universo, con otras leyes físicas, y no hay ruido fotónico. No hay problema, para eso están los experimentos mentales.
Usaremos una cámara con la increíble resolución de 100 px (10 x 10)
El brillo de cada punto de la imagen está representado en una escala de 0 a 100. Donde cero es un punto totalmente negro (la celda no ha recibido fotones) y 100 es un punto que ha recibido muchos fotones y estaría en el límite de saturación. A partir de 100 ya no hay más valores y estaríamos ‘quemando’ esa zona de la imagen, perderíamos toda la información de esa zona.
Este sensor del experimento no puede capturar un rango dinámico muy amplio, tiene una relación de contraste de 100:1
Nuestra cámara es tan básica que no tiene ni ISO. Y la apertura es fija.
En esta cámara sólo podemos regular el tiempo de exposición, que equivale a captar más fotones (tiempos de exposición grandes) o menos fotones (tiempos de exposición pequeños).
Vamos a hacer tres tomas diferentes:
- Toma 1: subexpuesta, tiempo de exposición corto
- Toma 2: exposición para los tonos medios
- Toma 3: sobrexpuesta, tiempo de exposición más largo
Para visualizar qué está pasando, desde el punto de vista de la señal, vamos a poner todas las celdas del sensor en fila, las 100 celdas, y las representamos en el eje de las x.
Mientras que en el eje y vamos a representar qué está ‘viendo’ cada celda en cada una de las tomas:
A simple vista vemos los tres niveles de señal de las tres tomas:
- 10 para la toma subexpuesta
- 50 para la toma con exposición ‘correcta’
- 90 para la toma sobrexpuesta
Y sobre ese nivel de señal vemos las variaciones que corresponden al ruido.
Cada celda ‘ve’ o detecta un valor ligeramente diferente.
El nivel absoluto de ruido es el mismo en los tres casos.
El nivel relativo no es el mismo. La variabilidad afectará más a la señal pequeña. Y menos a la señal grande.
Y la SNR mide exactamente eso.
Dado un nivel de ruido: cuanto más grande es el nivel de señal, mejor será la relación señal a ruido.
Por tener una referencia numérica, si suponemos que el nivel de ruido es 3, el SNR aproximado de cada una de esas tomas sería:
- SNR = 10/3 = 3.3 , para la toma subexpuesta
- SNR = 50/3 = 16.7, para la toma con exposición ‘correcta’
- SNR = 90/3 = 30, para la toma sobrexpuesta
Y recuerda que en fotografía, más señal quiere decir más luz, más fotones.
Las fotos de la pared
Vale, todo eso está muy bien, pero son números… y en fotografía queremos fotos, no números.
¿Cómo se percibirían esas imágenes?
Como vemos, son tres versiones muy diferentes de la misma escena.
Es complicado comparar cómo se percibe el ruido, porque en la imagen subexpuesta es difícil apreciar los detalles (aparece todo muy oscuro). Y algo similar ocurre con la versión sobrexpuesta.
Y lo más importante, nosotros queremos una imagen final con un determinado nivel de brillo, de exposición aparente.
Exposición ‘correcta’
No hay una exposición ‘correcta’. La exposición la decideremos por cuestiones artísticas o podríamos tratar de emular por ejemplo el brillo medio de la escena tal como la vemos con nuestros propios ojos. En cualquier caso es un criterio totalmente subjetivo.
Pero vamos a suponer que decidimos que la exposición que más nos gusta es la segunda, la que hemos llamado ‘exposición para los tonos medios’.
Lo que podemos hacer a posteriori, en la fase de revelado o edición, es modificar la exposición aparente. Subimos o bajamos la exposición en edición, utilizando la señal digital, los números que representan el tono de cada punto.
Subir o bajar la exposición global de una imagen es simplemente multiplicar o dividir por un número.
Aumentar un paso: multiplicar por 2.
Disminuir un paso: dividir por 2.
Multiplicar o dividir no cambia la SNR.
La relación señal a ruido que teníamos en la imagen original es la que tendremos en la imagen ‘editada’.
Subir o bajar la exposición aparente no cambia la SNR.
Percepción de ruido
Subir o bajar la exposición aparente sí puede hacer que la percepción de ruido sea diferente.
Una imagen con una SNR baja tendrá una variabilidad relativa más grande.
Cuando subimos la exposición aparente ‘percibiremos’ una variabilidad absoluta mayor.
Por ejemplo, imagina que tenemos una celda con el valor 8 y otra con el valor 12 (para una señal de 10).
Si multiplicamos por 2, tendremos una celda con valor 16 y otra con valor 24.
La SNR es exactamente la misma, pero la diferencia entre esos dos puntos es más perceptible en el segundo caso (24-16 con respecto a 12-8)
Cuando bajamos la exposición aparente a posteriori ocurre lo contrario.
Si partimos de una celda con el valor 92 y otra con el valor 88 (para una señal de 90) y bajamos la exposición 1 paso en edición: tendremos una celda con el valor 46 y otra con el valor 44
La diferencia entre los dos puntos era ya de por sí menos perceptible (porque la SNR era mayor), pero la hacemos incluso menos perceptible: 92-88 con respecto a 46-44
Volvemos a lo mismo: más señal (más luz, más fotones) implica siempre una imagen más limpia, con mejor SNR y una percepción menor del ruido.
Así se verán las fotos de la pared una vez ajustemos su exposición aparente en edición:
He incluido una imagen ‘sintética’ que correspondería a una foto ideal, sin ruido, para que nos sirva de referencia.
Se ve muy claro todo lo que hemos comentado:
- Subexponer, crear una foto con poca luz, implica que la SNR será más baja.
- Sobrexponer, crear una foto con más luz, implica que la SNR será más alta.
Más luz, más fotones = mayor SNR.
Ojo con quemar las altas luces
Según ese criterio, cuanta más señal utilicemos, mejor.
Parece que sobrexponer es la solución de todos los males.
Pero tenemos un límite físico.
Si nos pasamos y recogemos demasiada señal, entonces saturamos la celda, llegamos a su capacidad máxima. Y a partir de ahí perdemos toda la información de la escena en ese punto.
Es decir, captar más luz implica captar más información de la escena, pero si nos pasamos (quemar las altas luces) perdemos toda la información.
En la práctica, sobrexponer un poco (trabajando con RAW) tiene ventaja en cuanto a la SNR, pero también tiene el riesgo de que si quemamos las altas luces estaremos perdiendo información de la escena.
Y otra cuestión práctica: no siempre podremos elegir los tiempos de exposición que más nos interesan.
En la inmensa mayoría de las situaciones el tiempo de exposición está limitado por otro tipo de cuestiones: la más clara es que si en la escena hay movimiento y usamos tiempos de exposición ‘grandes’, la imagen saldrá movida.
Trepidación, criterios artísticos y otras muchas cuestiones prácticas harán que no podamos elegir en muchas situaciones la exposición más adecuada en cuanto a la SNR y el ruido.
Fotografiando una pared (de este universo)
Por desgracia, en nuestro Universo la luz incluye su propia variabilidad. La conocemos como ruido fotónico.
Si hacemos el mismo experimento aquí en la Tierra, veríamos algo como esto:
Más luz, más señal, implica también más ruido, más ruido fotónico.
La mala noticia es que el ruido fotónico es algo intrínseco a la luz, que no podemos evitar.
La buena noticia es que el nivel de ruido fotónico crece más lentamente que el nivel de la señal.
Aquí tienes más información sobre el ruido fotónico por si quieres profundizar un poco más.
Así que si echamos las cuentas, veremos que la toma sobrexpuesta sigue teniendo una SNR bastante mayor que la toma subexpuesta.
Para tener una referencia numérica en este ejemplo:
- SNR aprox. 3.2 , para la toma subexpuesta
- SNR aprox. 7.1, para la toma con exposición ‘correcta’
- SNR aprox. 9.5, para la toma sobrexpuesta
¿Cómo se percibiría en las imágenes?
Vemos que sigue habiendo una diferencia clara entre subexponer y sobrexponer la toma en lo que respecta a percepción de ruido.
La diferencia es menor que en ejemplo anterior sin ruido fotónico, pero es lo que hay: en nuestro universo sí hay ruido fotónico y hay que convivir con él.
Ten en cuenta también que nuestro sensor de pruebas tiene un rango dinámico muy limitado. Entre la versión subexpuesta, la versión ‘media’ y la versión sobrexpuesta hay unos 5 pasos de diferencia.
Con un sensor real más o menos actual puede haber un rango mucho mayor entre una toma subexpuesta y una toma sobrexpuesta sin quemar las altas luces.
En cualquier caso, las conclusiones son exactamente las mismas…
En lo que respecta a la SNR: es preferible captar más luz, más señal.
Desde el punto de vista de la SNR es preferible sobrexponer un poco y luego ajustar la exposición en edición (si trabajamos con RAW), aunque tenemos el riesgo de quemar zonas de la escena.
Y en todo caso es preferible hacer la exposición correcta en lugar de subexponer.
¿Dónde está el ISO?
El ISO no ha aparecido en ningún momento en nuestra historia.
Nuestra cámara no tenía ISO, ni ganancia, ni nada.
Y sin embargo el ruido está presente en las imágenes.
Hemos visto que la relación señal a ruido depende básicamente del nivel de la señal, de la cantidad de fotones que captamos.
No aparece el ISO como generador de ruido por ningún lado.
Lo que genera ruido es subexponer la toma. Captar menos fotones.
Si estás de acuerdo con esto, ya has dado un gran paso, porque es uno de esos ‘clic’ mentales de los que hablaba al principio.
El ruido lo genera el hecho de captar menos fotones.
Hablando con propiedad: captar más fotones implica una SNR mayor. Una SNR mayor implica que el ruido percibido sea menor.
Porque ya dijimos que el nivel de ruido por sí mismo no indica gran cosa.
Esta idea es la que hay que grabar a fuego: el origen del ruido no tiene nada que ver con el ISO. La relación señal a ruido tiene que ver con la exposición real: iluminación de la escena, apertura y tiempo de exposición.
Hablemos de ISO
ISO es un nombre pésimo, realmente hace referencia a un determinado estándar de la organización ISO (International Organization for Standardization) que se utilizaba inicialmente para calibrar la sensibilidad de las películas fotográficas. Y otro estándar ISO diferente que se encarga de calibrar la exposición aparente en las cámaras digitales y otras cuestiones relacionadas. Es una forma de estandarizar el comportamiento de las cámaras fotográficas digitales comerciales más habituales.
Ya es muy tarde para cambiar el nombre.
Pero a efectos prácticos vamos a pensar en los valores de ISO de la cámara como sinónimos de ganancia.
Por simplificar, podemos pensar que ISO 100 corresponde a ganancia 1, ISO 200 ganancia 2, ISO 400 ganancia 4 … Esto no es así en sensores reales, los valores de ISO y las ganancias tienen una relación lineal, pero no con esos números. Cada sensor tendrá su propia relación y también una implementación que puede ser diferente en cada caso.
A pesar de todo, con un modelo muy sencillo podemos describir bastante bien el comportamiento de cualquier sensor de imagen típico:
Supongamos un determinado tiempo de exposición.
Tenemos una celda del sensor que mide la cantidad de luz (fotones) que corresponde a ese punto de la escena.
Esa medida ya contiene todo el ruido fotónico y contiene también el posible ruido térmico (dark current) y otras fuentes de ruido electrónico (electrónico porque tiene que ver con electrones, no con los fotones).
En ese punto del proceso, sin que haya aparecido en escena la ganancia ni el ISO todavía, ya está ‘todo el pescado vendido‘ en lo que respecta a ruido.
Tendremos una medida con una determinada SNR (en media)
Después, tomamos esa medida (señal + ruido) y la pasamos a un amplificador lineal que le aplica una ganancia.
Aplicar una ganancia es la forma analógica (voltajes y corrientes) de multiplicar por un número.
Por ejemplo, podemos multiplicar el voltaje por 2, o por 3, o por 1.27… La operación multiplicar de toda la vida, pero con voltajes o corrientes.
Esa relación entre ISO y ganancia se puede implementar de muchas formas y esa ‘multiplicación’ puede ser un proceso analógico, con voltajes, corrientes, etc. o cambiando la escala de alguna forma, o diferentes combinaciones.
Las cámaras que no necesitan estandarización utilizan directamente el término ganancia (gain), por ejemplo las cámaras especializadas para astrofotografía, muchas cámaras de vigilancia, webcams, etc.
La cuestión es que se toma la señal y el ruido que ya hay en la medida de la celda y se multiplica por una cantidad.
Subir ISO no aumenta el ruido
En este modelo el resultado es idéntico al que obteníamos con las fotos sin ISO (los experimentos de la pared) cuando cambiábamos su exposición aparente en edición.
Subir el ISO, subir la ganancia, es equivalente a subir la exposición aparente.
Subir el ISO no modifica la SNR de las medidas que ya estaban en las celdas.
Subir el ISO, en este modelo simplificado, no afecta en nada a la SNR.
El ruido ya estaba allí, y la SNR depende exclusivamente de la cantidad de luz que ha captado el sensor.
Diferentes sensores, diferentes tecnologías, diferentes situaciones
El ruido fotónico siempre estará ahí, en cualquier situación (salvo si hacemos una foto de la obscuridad absoluta, por ejemplo cuando se hacen dark frames para calibrar).
Pero además habrá otras fuentes de ruido ‘electrónico’ que dependerán de muchos factores: la tecnología del sensor, la temperatura (del sensor y la circuitería asociada), el tiempo de exposición, etc.
Dado un nivel de señal (número de fotones), el ruido fotónico será idéntico en todos los sensores, pero sensores diferentes generarán niveles de ruido electrónico diferente: térmico, de lectura, etc.
Por lo tanto, dado un nivel de señal, y para un determinado ISO base o ganancia base, dos sensores diferentes generarán imágenes con SNRs diferentes.
Pero para cada uno de esos sensores, subir o bajar ISO no afecta (negativamente) a la SNR.
ISO y ruido de lectura
El mensaje con el que nos tenemos que quedar hasta ahora es muy claro: subir ISO no afecta negativamente a la SNR.
Que una imagen tenga más ruido perceptible depende exclusivamente de la exposición real, de la cantidad de fotones con la que se ha fabricado.
Por lo tanto, depende de cosas como la apertura del objetivo, el tiempo de exposición o la iluminación de la escena.
No depende del ISO.
Ahora vamos a ver que subir el ISO realmente mejora la SNR, reduce el ruido percibido en la imagen.
Para ello tenemos que incluir en nuestro modelo al ruido de lectura.
El ruido de lectura está presente en todos los sensores, en mayor o menor medida.
El nivel medio del ruido de lectura es característico de cada sensor, de cada modelo. Y a efectos prácticos podemos pensar que es fijo y constante: casi no depende de la temperatura, no depende del tiempo de exposición, no depende de la cantidad de fotones que capta cada celda…
Es una variabilidad aleatoria en la medida (en el proceso de lectura), que se puede caracterizar por su desviación típica. Un número (valor rms) que nos da idea del nivel de ruido.
El ruido de lectura lo podemos localizar más o menos en la zona de salida del amplificador.
Por lo tanto, la señal y el ruido que hay en la celda se amplifican con una cierta ganancia, y a esa señal amplificada a la salida del amplificador se le añade el ruido de lectura.
Como el ruido de lectura se añade a una señal amplificada, su efecto será tanto menor cuanto mayor sea la ganancia.
Esto es muy fácil de entender.
Vamos a suponer que en la cámara sin ISO (ganancia unidad, multiplicar por 1) el nivel de ruido de lectura es 5.
Cuando la señal tiene un nivel medio de 10, la SNR con respecto al ruido de lectura será bastante mala: 10/5 (a eso habría que añadir además el ruido fotónico)
Pero si aumentamos la ganancia a 5 por ejemplo, la señal a la salida del amplificador tendrá un nivel de 10 * 5 = 50
Si ahora añadimos el ruido de lectura, su SNR con respecto al ruido de lectura será del orden de 50/5.
Subir ISO mejora la SNR con respecto al ruido de lectura.
Subir ISO mejora la SNR total.
Por lo tanto, dada una determinada señal (una determinada exposición real, una determinada cantidad de fotones) subir ISO tiene como efecto reducir el ruido.
Subir ISO reduce el ruido.
Subir ISO reduce el ruido.
Todos juntos:
¡Subir ISO reduce el ruido…!
Subir ISO reduce el ruido, pero…
Una puntualización. Realmente no reduce el ruido, sino que aumenta la SNR. Es un pequeño matiz, pero es importante entenderlo bien. El ruido de lectura es siempre el mismo para ese sensor. Sin embargo, a efectos prácticos, subir la ganancia reduce la influencia del ruido de lectura sobre la señal. Que si lo piensas, es equivalente a reducir el ruido de lectura.
Para ser precisos, se dice que la ganancia reduce el ruido de lectura referenciado a la entrada (input referred read noise). Este valor normalizado de ruido de lectura es el que se suele utilizar para caracterizar a los sensores.
Como digo, a efectos prácticos es lo mismo: la ganancia aumenta la SNR, reduce el ruido de lectura.
El ‘pero’ que aparece en el título viene ahora:
- Subir ISO baja la SNR…
- …pero subir la exposición real la baja más.
- Subir la exposición real, captar más luz, siempre es más eficiente en cuanto al ruido y la SNR
Cuando estamos haciendo fotografía o vídeo, nuestra prioridad serán los parámetros de exposición real.
Si podemos elegir, es mucho mejor aumentar la exposición real, exponer correctamente jugando con iluminación adicional, apertura y tiempo de exposición.
Más fotones, mejor SNR.
Más fotones, mejor SNR.
Más fotones, mejor SNR.
…
Sólo interesa subir ISO cuando no podemos subir la exposición real por el motivo que sea.
Pero una vez hemos decidido la exposición real: subir ISO para conseguir la exposición aparente es algo positivo.
En esas condiciones, y como regla general, es mejor subir ISO que subexponer para luego recuperar en edición.
Entender esto es otro de esos clic mentales.
Mucha gente tiene tanto miedo a subir ISO que prefiere subexponer y usar ISOs muy bajos, para luego subir la exposición en revelado / edición.
Si lo que se busca es reducir el ruido (maximizar la SNR) esa técnica es en la mayoría de los casos errónea.
Veremos algunas excepciones un poco más abajo.
La pared otra vez (ahora con ruido de lectura)
Volvemos al ejemplo de la pared.
Vamos a suponer que tenemos que hacer la toma con un tiempo de exposición muy corto, para que la imagen no salga trepidada o por el motivo que sea.
Eso implica que el sensor recogerá muy poca luz, menos de la que nos gustaría.
Supongamos que la señal que recoge el sensor tiene un valor medio de 10.
La variabilidad introducida por el ruido fotónico ya va incluida en la propia luz.
Supongamos que el nivel de ruido fotónico es del orden de 3 (en las unidades RAW de nuestro sensor, que van de 0 a 100, y como es una variación estadística ese nivel representa una desviación típica o un valor rms).
Y vamos a suponer un nivel de ruido de lectura un pelín mayor, del orden de 4 unidades (rms).
Representamos la señal (con su ruido fotónico asociado) y el ruido de lectura.
El ruido de lectura lo hemos representado sobre el nivel cero, para dar idea de esa variabilidad, que unas veces sumará y otras veces restará con respecto a la señal y a las demás fuentes de ruido. Pero esto es así con todas las fuentes de ruido independientes. Sumar / restar equivale a sumar un poco más o sumar un poco menos en cada celda y/o en cada instante. Son procesos aleatorios independientes. En unos puntos se reforzarán, en otros tenderán a cancelarse. Nosotros sólo lo podemos caracterizar de forma estadística.
Con ISO base (suponemos ganancia unidad en nuestro modelo) el ruido de lectura se suma directamente al nivel de la señal de entrada.
Como estamos subexponiendo mucho, luego tendríamos que subir la exposición aparente en edición, y nos quedaría una señal con una variabilidad como la representada en la figura siguiente. Ten en cuenta que esa señal correspondería a la imagen final, la que tenemos ya en el ordenador. La represento como si estuviera en el sensor simplemente para comparar:
Por otro lado, también tenemos la opción de subir ISO en cámara para conseguir la exposición aparente deseada. En este caso, el valor de ISO corresponde a ganancia = 5 en nuestra cámara experimental. Y una vez aplicada esa ganancia, tendremos una imagen (directa de cámara) con esta variabilidad. Esta imagen ya no la tocaríamos en edición (en lo que respecta a exposición):
Simplemente por comparación visual vemos que la señal obtenida subiendo ISO es más limpia, tiene una SNR mayor, con respecto a la señal que obtenemos al subexponer.
Al subir ISO hemos ‘reducido’ buena parte del ruido de lectura, hemos eliminado parte de su influencia.
Dependiendo de la exposición real (apertura + tiempo de exposición), dependiendo del valor de ISO, dependiendo del modelo de sensor… la mejora en SNR será mayor o menor.
Con lo que nos tenemos que quedar es que subir ISO, en lo que respecta a la SNR y la percepción de ruido, no es algo negativo.
Subir ISO mejora la SNR en la mayoría de los casos, y en el peor de los casos no la empeora, la deja igual.
¿Cómo se percibiría en la imagen?
Recuerda que en esta situación que hemos planteado nos vemos obligados a subexponer en exposición real, porque necesitamos un tiempo de exposición corto para evitar la foto movida y la iluminación de la escena es insuficiente para esa velocidad de obturación.
Tenemos la opción de usar ISO base (para luego subir exposición en edición hasta conseguir la exposición aparente) o ajustar el ISO en cámara para conseguir la exposición aparente deseada.
En nuestro ejemplo tendríamos algo como esto:
Arriba a la izquierda tenemos la imagen subexpuesta, a ISO base (ganancia unidad en nuestro ejemplo). Esta imagen la tendríamos que editar, porque no nos vale con esa exposición aparente.
Arriba a la derecha tenemos la imagen sintética (ideal) de cómo nos gustaría la exposición aparente.
Abajo a la izquierda aparece la imagen a ISO base, una vez editada a posteriori (le subimos la exposición aparente una cantidad que corresponde a ganancia 5)
Abajo a la derecha tenemos la imagen directa de cámara, con el ISO que corresponda (ganancia 5 en el ejemplo).
Conclusiones con las que nos tendríamos que quedar:
- Subexponer en exposición real implica que generamos la imagen con menos fotones, con menor SNR, con mayor ruido percibido.
Si subexponemos tendremos ruido, sí o sí. Con ISO o sin ISO. - En esa situación, si ajustamos el valor de ISO en cámara para aumentar la exposición aparente, posiblemente conseguiremos mejorar la SNR.
Esto depende de muchos factores, pero en cualquier caso al subir ISO no empeoraremos la SNR. - Si mantenemos el ISO en valores bajos no aprovecharemos el efecto de la ganancia sobre el ruido de lectura.
Tendremos una imagen con una SNR que incluye toda la influencia del ruido de lectura. En la mayoría de los casos la SNR total será peor.
Dicho de otra forma: dada una exposición real (que hemos decidido previamente) subir o bajar ISO no va a empeorar la SNR, no va a hacer que aparezca más ruido por arte de magia. El ruido ya está ahí. Subir ISO para tener la exposición aparente ‘correcta’ en cámara suele ser beneficioso, porque reduce la influencia del ruido de lectura.
No hay magia en ISO 100
Como digo, hay usuarios que tienen pánico a subir ISO.
Fundamentalmente por esa asociación de ideas errónea entre causa y efecto.
Y porque es algo que nos dicen en prácticamente todos los cursos de fotografía: subir ISO aumenta el ruido, subir ISO aumenta el ruido…
Una imagen tomada a ISO 100 puede tener más ruido (peor SNR) que una imagen tomada a ISO 1600 por poner un ejemplo.
El ruido, la SNR, depende de la exposición real, no del valor de ISO utilizado.
Imagina la siguiente situación: queremos congelar el movimiento de una persona caminando por la calle.
La cámara nos dice que para conseguir la exposición ‘correcta’ necesitamos f/2.8 (la máxima apertura de nuestro objetivo) y un tiempo de exposición de 1/15s, suponiendo ISO 100.
Pero nosotros queremos una velocidad de obturación mayor, por lo menos 1/250s
Tenemos dos opciones:
- Disparamos a 1/250s con ISO 100
Tendremos una imagen (RAW) subexpuesta unos 4 pasos.
Habrá que corregir en edición subiendo la exposición aparente 4 pasos. - Disparamos a 1/250s con ISO 1600
Tendremos una imagen (RAW) expuesta con la exposición aparente que deseamos, no tenemos que tocarla en edición.
Las dos imágenes tienen exactamente el mismo ruido fotónico.
La imagen a ISO 100 tendrá peor SNR, el ruido de lectura afecta en su nivel más alto. Da igual lo que hagamos después en edición.
La imagen a ISO 1600 tendrá mejor SNR, el efecto del ruido de lectura se ha diluido debido a la ganancia (el ruido de lectura efectivo, referenciado a la entrada, ha disminuido).
La imagen a ISO 1600 tiene una ‘materia prima’ mejor, y si hacemos un procesado similar en edición dará como resultado una imagen final más limpia.
Mucha gente se sorprende cuando hace una foto a ISO 100, por ejemplo de una escena con gran rango dinámico, y descubre que hay ruido en las zonas más oscuras de la imagen, en las sombras profundas.
Para alguien que asocie ISO y ruido como causa-efecto es lógico llevarse una sorpresa.
Para nosotros, que ya hemos entendido que la SNR depende fundamentalmente de la cantidad de luz, no supone ninguna sorpresa, es algo lógico.
Recetas vs conocimientos
Ahora veremos unos cuantos matices y detalles relacionados con el ISO.
Cada situación es diferente, y para cada situación tendrás que tomar una serie de decisiones sobre los parámetros de exposición, incluyendo el valor de ISO.
No te quedes nunca con la receta de turno, porque te vas a volver loco.
Cada uno te va a dar una receta diferente, que quizás funciona para una situación concreta, con una cámara concreta, para un estilo determinado y con un flujo de trabajo con el que está más cómoda esa persona. O que ni siquiera funciona y está basada en intuiciones y creencias.
No aprendas a base de recetas.
A partir del comportamiento básico de un sensor y el comportamiento de la luz y el ruido, tienes herramientas para entender cada situación y tomar decisiones con criterio.
Como digo, en los siguientes apartados vamos a ver qué desventajas tiene subir ISO, y vamos a ver también casos especiales y matices.
¿Qué pasa con el rango dinámico?
Muy buena pregunta.
Cada paso de ISO que subimos, perdemos un paso del rango dinámico potencial que podría capturar el sensor.
Una forma intuitiva de verlo sería pensar que por cada paso de ISO que subimos perdemos un paso de altas luces.
Por el otro extremo, en la zona de sombras profundas, el rango dinámico efectivo está limitado por el ruido (ruido de lectura habitualmente, que predomina en las sombras profundas)
Subir ISO implica una ventaja en la zona de sombras profundas (mejora de la SNR), pero perdemos rango en la zona de altas luces (mayor riesgo de quemar las altas luces)
En muchas situaciones lo más importante es captar la información del sujeto principal de la escena, sacrificando las altas luces si no queda más remedio.
Pero esto dependerá de cada situación y del criterio del fotógrafo, que es el que tiene que decidir.
Cada cámara, cada sensor, tendrá un punto dulce, un rango de valores ISO en los que se maximiza el rango dinámico efectivo.
En esas situaciones complejas, siempre tendremos que encontrar un punto de equilibrio en función de lo que queremos conseguir: información más limpia en las sombras o más margen para las altas luces.
No hay una receta.
Conocer los fundamentos, conocer tu cámara, entender la escena y tomar decisiones. Ésa sería la receta.
¿Y qué pasa con la zona de ISO invariante?
Muy buena pregunta también.
Subir ISO mejora la SNR con respecto al ruido de lectura, pero cada incremento de ISO supone una mejora menor de SNR. No es una relación lineal.
A partir de cierto valor de ISO las mejoras de SNR son tan pequeñas que se podrían considerar despreciables.
Se dice que el sensor entra en zona de invarianza ISO o en zona ISO invariante.
A partir de esos valores de ISO nos daría igual subir ISO en cámara o subexponer para luego subir la exposición en revelado / edición. Los resultados serían idénticos porque la SNR sería la misma (o muy similar) en ambos casos.
Por ejemplo, imagina que un sensor es invariante ISO a partir de ISO 1600.
Hasta ISO 1600 probablemente interesa usar el ISO en cámara para conseguir la exposición aparente deseada.
A partir de ISO 1600 (para ese sensor concreto del ejemplo) nos da igual realmente el valor de ISO. La decisión dependerá por ejemplo del rango dinámico de la escena. Si subir más el ISO implica quemar las altas luces, podemos decidir subexponer (exposición aparente) y luego ajustaremos la exposición aparente en edición.
Pero en la mayoría de los casos será una cuestión de conveniencia. Si subir ISO no perjudica la SNR y no hay altas luces que queremos conservar, ¿por qué no?. Tendremos ya una foto prácticamente terminada en cámara.
Sensores invariantes al ISO
Se dice que un sensor es ISO invariante cuando su ruido de lectura es tan pequeño que la zona de invarianza ISO comienza en valores ISO muy bajos. Puede haber otras razones técnicas para que un sensor sea ISO invariante, pero a efectos prácticos es lo mismo.
Con un sensor ISO invariante ideal no hay mejora de SNR al subir ISO. Puesto que la ganancia apenas afecta al nivel de ruido de lectura, que ya es muy bajo de por sí.
La ventaja de un sensor ISO invariante es que en ciertas situaciones complejas podrá captar un rango dinámico mayor.
El ruido fotónico y térmico serán los mismos que en un sensor no invariante. Un sensor invariante al ISO no hace magia. Pero como no hay mejora de SNR al subir el ISO, nos puede dar un poco más de margen en determinadas situaciones.
¿Y qué pasa con los sensores con ISO dual?
Todo lo que hemos comentado aplica igualmente.
Simplemente hay que tener en cuenta que estos sensores tienen dos ISOs base, es como si fueran dos sensores independientes que pueden conmutar.
En la transición al segundo ISO base normalmente hay un salto, un incremento en la mejora de SNR, a diferencia de un sensor tradicional en el que incrementos de ISO corresponden a mejoras cada vez más pequeñas de SNR.
Aquí tienes más información sobre sensores dual ISO (sensores con ISO dual)
¿Y qué pasa con los valores ISO no nativos?
La mayoría de las cámaras incluyen valores de ISO extendidos, no nativos.
La amplificación que corresponde a esos ISOs se lleva a cabo en la parte digital, por lo tanto actúa sobre una señal que ya tiene una determinada SNR. Esa amplificación ‘digital’ no afecta a la SNR.
Aplicar un ISO extendido es equivalente a subir la exposición en edición.
Esos valores de ISO no tienen ninguna influencia en la SNR de la imagen. La SNR es la que corresponde a la ganancia analógica aplicada realmente en cada caso.
Por ejemplo, si una cámara tiene ISOs nativos hasta ISO 6400 y luego tiene ISO 12800 como primer ISO extendido, la SNR a ISO 12800 es exactamente la misma que había a ISO 6400, suponiendo la misma exposición real.
Dicho de otra forma, en esa cámara, a ISO 12800 está operando el amplificador analógico con una ganancia que corresponde a la de ISO 6400. La SNR será exactamente la misma en esa situación que a ISO 6400. ISO 12800 en esa cámara simplemente coge la señal digital (la que habría a ISO 6400) y la multiplica por el número 2, equivalente a subir 1 paso de exposición en edición.
ISO extendido entre pasos de ISO
Algunas cámaras implementan ISOs extendidos entre pasos de ISO nativos.
Por ejemplo, puede ocurrir que entre ISO 800 y 1600, cada tercio de paso entre esos valores se calcule en la parte digital.
Esos pasos intermedios generarán la misma SNR que tendría la imagen a ISO 800. Ya que la ganancia analógica que se usa es la que corresponde, por ejemplo, al paso entero de ISO más cercano.
Cada sensor, cada cámara, puede implementar la gestión de ISO de muchas formas diferentes.
Elegir un valor de ISO extendido es una cuestión de comodidad. Para simplificar el flujo de trabajo por ejemplo.
Desde el punto de vista de la SNR y el ruido, un ISO extendido no aporta nada (ni beneficia ni perjudica a la SNR), aplicará el beneficio del ISO nativo (ganancia analógica) que realmente esté aplicando en ese caso.
ISO en el día a día
El parámetro ISO de la cámara hay que pensarlo como un comodín útil.
Partimos siempre del ISO base de la cámara. No el más bajo, sino el ISO base nativo, que viene indicado en cada cámara. En la mayoría de las cámaras es ISO 100 o ISO 200.
Primero estableceremos los parámetros de exposición real: apertura y tiempo de exposición.
Estos parámetros son los que nos van a determinar la SNR fundamental de la imagen.
Pero el criterio de decisión será casi siempre artístico (profundidad de campo…) o práctico (evitar trepidación, evitar fotos movidas…)
La iluminación de la escena también cuenta como parámetro de exposición real. Si tenemos control sobre las condiciones de iluminación, intentaríamos conseguir esa exposición real correcta.
Una vez decididos los parámetros principales es cuando ajustaremos el parámetro ISO (si fuera necesario, claro).
La idea es conseguir en cámara una exposición aparente muy similar a la exposición que queremos para la imagen final.
Nunca, salvo casos muy muy específicos, interesa subexponer en cámara, si lo que queremos es optimizar la SNR y minimizar el ruido.
La SNR siempre será mayor si exponemos correctamente: exposición real y exposición aparente en cámara.
No nos tiene que dar miedo subir ISO si es necesario.
Con cámaras modernas la mayoría de las veces no vale la pena usar técnicas para optimizar la SNR mediante sobrexposición sin quemar altas luces (exposición a la derecha, ETTR). Pero si te interesa el tema puedes buscar información.
Y en situaciones muy muy específicas tendremos que valorar las ventajas e inconvenientes de subir ISO y tomar las decisiones oportunas.
Trabajando con JPEG en cámara o con vídeo
Todo lo que hemos comentado en este artículo sobre subir o bajar la exposición en edición se entiende que es cuando trabajamos con los datos RAW del sensor (fichero RAW)
El fichero RAW contiene toda la información de la escena que ha capturado el sensor y contiene la SNR que capturó el sensor.
Si queremos generar JPEGs directos de cámara o en caso de grabar vídeo (no RAW) es mucho más importante conseguir la exposición aparente exacta en cámara, porque luego en edición vamos a tener mucha menos información y un margen de maniobra muy estrecho.
Las imágenes en formato JPEG y en los formatos típicos de vídeo han sufrido ya un procesado muy intenso, y se ha perdido una buena parte de la información que captó el sensor.
Aunque habrá excepciones y cada situación es diferente…
… como regla general, trabajando con vídeo o imágenes JPEG, interesa configurar la exposición final aparente en cámara incluyendo el ISO que sea necesario.
No subexpongas a menos que haya una razón de mucho peso y sepas qué consecuencias tendrá.
Y lo mismo ocurre con la sobrexposición. A menos que tengas muy claro qué quieres conseguir y qué resultados ofrecerá tu cámara, no vale la pena sobrexponer, es preferible ajustar la exposición final directamente en cámara.
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?
