Tamaño de sensor, cantidad de luz y exposición

¿Recogen más luz los sensores más grandes? ¿Qué relación hay entre exposición y cantidad de luz? ¿Y entre el tamaño del sensor y el ruido digital?

 

Sensor digital. Calidad de imagen, SNR

 

Este artículo forma parte de la serie ¿Cómo funciona el sensor de una cámara?, te recomiendo que leas primero ese artículo y este otro: Ruido, ISO y características del sensor de una cámara

Si buscas información sobre estos temas en internet (sobre las preguntas que planteamos arriba) te vas a encontrar todo tipo de argumentos y explicaciones, muchas de ellas contradictorias entre sí.

Vamos a intentar aclarar un poco las cosas.

 

 

 

 

¿Recogen más luz los sensores más grandes?

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Si hablamos de cantidad de luz (número de fotones): cuanto mayor es la superficie de captación más fotones inciden por unidad de tiempo.

Suponiendo que la iluminación es la misma en dos sensores de diferente tamaño y que el tiempo de exposición es el mismo: el sensor más grande recogerá en su conjunto más luz (más fotones).

Cada celda del sensor recogerá sólo la cantidad de fotones que corresponda a su superficie.

Si tenemos dos sensores de diferentes tamaños, pero sus celdas fotosensibles tienen la misma superficie de captación: cada celda recogerá la misma cantidad de luz en los dos sensores.

Pero, en conjunto, el sensor más grande habrá recogido más cantidad de luz.

 

¿Entonces la imagen del sensor más grande aparecerá más luminosa, más clara?

No.

El brillo aparente de la imagen (si aparece más oscura o más clara) se conoce como exposición (exposición percibida si tenemos en cuenta también el ISO) y no depende de la cantidad total de luz, sino de la cantidad de luz por unidad de superficie que llega al sensor.

Si quieres verlo de una forma más intuitiva:

  • El sensor más grande recibe más luz, pero la reparte por una superficie mayor
  • El sensor más pequeño recibe menos luz, pero la reparte por una superficie menor

 

 

Exposición vs Cantidad de luz

La exposición de una imagen depende de la intensidad de luz (iluminancia realmente, pero piensa en ella como fotones por segundo) que recibe el sensor, por el tiempo que está expuesto a esa luz.

La exposición no depende del tamaño del sensor (suponiendo que no hay otros factores que limiten la cantidad de luz que recibe el sensor).

En las cámaras, la exposición real (total de fotones por unidad de superficie) depende de la apertura del diafragma (número f) y del tiempo de exposición (velocidad de obturación)

En la exposición aparente (exposición percibida) de la imagen final también interviene la sensibilidad de la película o del sensor (valor ISO).

Es decir, variando el valor de ISO hacemos que la imagen aparezca más clara o más oscura, pero es algo ‘artificial‘ ya que partimos del mismo número de fotones.

 

Cámaras diferentes, exposición y tamaño de sensor

Todas las cámaras digitales tienen calibrado el sensor de tal forma que se ajuste (más o menos) al comportamiento de las películas fotográficas.

A igualdad de parámetros:

  • Apertura
  • Tiempo de exposición
  • ISO

todas las cámaras van a generar una imagen con una exposición ‘idéntica’.

Lo pongo entre comillas porque hay otros factores que influyen, por ejemplo:

  • La apertura del objetivo no tiene en cuenta la luz que se pierde al atravesar las lentes que lo forman (las lentes no son totalmente transparentes)
  • Tampoco tiene en cuenta el viñeteo: la zona central recibe más luz que las zonas más alejadas del centro
  • Cada fabricante calibra su sensor (valores ISO) con cierto margen de tolerancia

 

 

Tamaño del sensor, exposición y calidad de imagen

Entonces, si la exposición no depende del tamaño del sensor… ¿qué ventaja tiene un sensor más grande?

Para entenderlo tenemos que hablar de la relación señal a ruido: SNR (signal to noise ratio)

La señal es la información, la escena real que estamos fotografiando.

El ruido es algo que forma parte de la naturaleza. La propia luz incluye en sí misma una componente de ruido: el número de fotones que llega a cada punto del sensor fluctúa de forma estadística (distribución de Poisson).

Hay otras fuentes de ruido que afectan a la señal eléctrica (una vez que el sensor convierte los fotones en electrones)

Nunca vamos a tener una imagen totalmente fiel a la realidad, siempre contendrá algo de ruido.

 

Relación señal a ruido (SNR) y calidad de imagen

Para evaluar la calidad de la imagen se utiliza la relación señal a ruido, SNR.

Esta relación se suele medir en escala logarítmica, en dB (también se podría medir en pasos de luz, EV, que es otra escala logarítmica).

Cuando la amplitud de la señal es doble que la del ruido, su SNR sería de 6dB.

Una imagen se considera que tiene una calidad aceptable a partir de unos 20dB de relación señal a ruido.

Una imagen con una SNR por encima de 30dB se considera excelente y el ruido apenas es perceptible.

El ruido se ve en la imagen como granulado y puntos de color que no se corresponden con el color real de la escena.

 

Ruido fotónico y ruido térmico

Volvemos entonces al ruido.

Las fluctuaciones de la luz a nivel de fotones se conocen como ruido fotónico (shot noise). El ruido fotónico crece de forma proporcional a la raíz cuadrada del número de fotones.

 

Ruido fotónico - Shot noise en sensor

Es decir, si recibimos 100 fotones de media en una celda del sensor, las fluctuaciones tendrán un nivel medio de 10. La celda adyacente puede recibir por ejemplo 93 fotones, otra de alrededor 105, etc.

Si recibimos 1000 fotones de media, las fluctuaciones tendrán un nivel medio de 32 aproximadamente (raíz cuadrada de 1000).

Además hay que sumar las otras fuentes de ruido térmico, que no dependen de la cantidad de luz. Pero digamos que la principal contribución será el ruido fotónico en la mayoría de los casos.

Como ves, el nivel de ruido no escala de forma lineal con la cantidad de luz (señal).

 

Ruido fotónico - Relación señal a ruido SNR

Cuanta más luz capte el sensor más diferencia habrá entre el nivel de señal y el nivel de ruido.

La SNR crece con la cantidad de luz. Cuantos más fotones capte el sensor, más SNR y mejor calidad de imagen.

 

¿SNR a nivel de celda o a nivel de sensor?

Ésta es la eterna cuestión que encontrarás desde el principio de los tiempos en foros y en conversaciones de barra de bar de cuñados y fotógrafos (o de cuñados fotógrafos)… 🙂

Vamos a pensar primero en la imagen como un todo.

Imagina que tenemos dos cámaras colocadas de tal forma que ven el mismo encuadre de una escena. Una de las cámaras tiene sensor full frame.

La otra es una cámara de móvil con un sensor muy pequeño. Vamos a suponer además que los dos sensores tienen el mismo tamaño de celda.

En las dos cámaras ajustamos exactamente igual sus parámetros de exposición: apertura (la que tenga el móvil), tiempo de exposición e ISO.

Las dos imágenes resultantes tendrán un aspecto muy similar en cuanto a brillo medio (exposición)

 

¿Cuál de las dos imágenes tendrá más ‘calidad‘? 

Si pensamos en la imagen como conjunto, la imagen del sensor grande se ha creado a partir de muchos más fotones.

Si la SNR crece con el número de fotones, parece claro que la imagen del sensor grande tendrá una relación señal a ruido mayor, por lo tanto más calidad de imagen.

 

¿Lo vamos a notar visualmente comparando las imágenes?

Depende.

Imagina que en la escena hay mucha luz y exponemos correctamente.

Vamos a suponer que para la imagen del sensor pequeño conseguimos 35dB de SNR y para la imagen del sensor grande una SNR de 55dB (me estoy inventando los valores, es sólo para poner un ejemplo).

Las dos imágenes van a tener una calidad excelente y probablemente no notemos diferencias apreciables. Seguramente la parte óptica o cualquier otro efecto externo tendrá más influencia.

Ahora vamos a imaginar que hay menos luz en la escena o que necesitamos configurar un tiempo de obturación muy corto. Subimos el ISO en las dos cámaras para compensar.

Ahora la cantidad de luz va a ser menor. Menos fotones, recuerda que con el ISO simplemente reescalamos o amplificamos la señal.

Supongamos que ahora para la imagen del sensor pequeño nos quedamos en 25dB de SNR y en el grande bajamos a 45dB.

Aunque la imagen del sensor pequeño sigue teniendo una calidad aceptable, sí que será apreciable el ruido. En la imagen del sensor grande tenemos todavía una SNR muy alta, la calidad será excelente.

 

Pero, pero, pero… ¡hemos dicho que las celdas tienen el mismo tamaño!…

¿No debería ser la SNR igual para las celdas de los dos sensores?

.

A nivel de celda cada una de ellas recoge en media en los dos sensores el mismo número de fotones.

La relación señal a ruido a nivel de celda es idéntica (vamos a despreciar cualquier efecto: consideramos la misma tecnología, etc.)

Si ampliamos las imágenes en el ordenador al 100% para ver cada pixel individual veremos que su variabilidad (ruido) es muy similar en las dos imágenes.

La diferencia es que un pixel de la imagen del sensor pequeño se corresponde con un conjunto de pixels en la imagen del sensor grande.

El sensor grande tiene una resolución mucho mayor (la condición que habíamos puesto es que las celdas de los dos sensores tenían el mismo tamaño, por lo tanto en el sensor grande hay más celdas).

Entonces, a nivel muy local en cada pequeña zona de la imagen (pixel peeping) nos encontramos con que la SNR es muy similar en las dos imágenes. Pero la imagen del sensor grande contiene más información de la escena, más puntos.

Más información sobre un mismo nivel de ruido: esto ya nos da una pista, nos está diciendo que la imagen del sensor grande, incluso a nivel local, mirando la imagen con lupa, tiene una mayor calidad, una mejor relación señal a ruido.

 

¿Qué ocurre si el sensor más pequeño tiene celdas más grandes?

En todas las combinaciones que hagamos, al final la imagen del sensor grande tendrá una SNR mayor (salvo casos muy muy concretos).

A nivel local, mirando con lupa cada zona de la imagen, es posible que en ciertas zonas, por ejemplo las zonas más oscuras, la calidad sea un poco mejor en el sensor pequeño (por la mejor relación señal a ruido de cada celda).

Pero si las dos imágenes muestran el mismo encuadre el sensor grande la habrá construido a partir de más fotones en global: tendrá más información y una mejor SNR que la imagen generada por el sensor pequeño (si recortamos de una o de otra no valdría la comparación, estaríamos haciendo trampas)

 

Escalar para comparar

Vale, todo eso es como muy teórico.

Vamos a lo práctico. Si quieres comparar dos imágenes de dos cámaras diferentes lo puedes hacer por ejemplo imprimiendo en papel al mismo tamaño.

O si lo quieres ver en pantalla puedes escalar las dos imágenes para que tengan la misma resolución.

En cualquiera de los casos el proceso de escalar una imagen para hacerla más pequeña tiene como efecto aumentar la relación señal a ruido.

Esto es así porque la información de la escena que aparece en la imagen tiene normalmente una correlación espacial, mientras que el ruido es una componente aleatoria que no tiene correlación espacial ni tiene relación con los elementos de la escena.

Al reescalar hacia abajo digamos que aunque perdemos información (detalle, resolución) estamos reforzando información de la escena y reducimos el ruido.

Reescalar hacia arriba, hacia resoluciones más altas, no aporta información nueva. La SNR aumenta o se mantiene constante (probablemente el ruido se hará un poco más visible).

 

 

Sensor grande vs sensor pequeño… en el mundo real

¿Es tan importante el tamaño del sensor?

No (para lo que estamos comentando aquí respecto a ruido y SNR / calidad de imagen)

Cuando usamos la cámara con buena iluminación en la escena, literalmente sobra luz.

Y todas las cámaras, incluyendo las de móviles ofrecen una calidad de imagen excelente (por encima de esos 30dB de SNR que comentábamos)

Imagina que vamos bajando progresivamente la iluminación de la escena.

Llegará un momento, un nivel de luz, para el que la cámara con sensor más pequeño, por ejemplo la de un móvil, no podrá generar imágenes con esa relación de 30dB, ya se empezará a notar visualmente el ruido.

Mientras tanto, otra cámara por ejemplo con sensor de 1 pulgada seguirá ofreciendo imágenes con SNR > 30dB.

Seguimos bajando la iluminación…

Las imágenes del sensor de 1 pulgada ya empezarán a caer por debajo de los 30dB

Luego le llegará el turno al sensor Micro 4/3

Luego al sensor APS-C

Y finalmente al sensor Full Frame

 

Es decir, desde este punto de vista, un sensor más grande nos da básicamente un pequeño margen adicional para situaciones de menos luz: atardecer, interiores, museos…

…o situaciones en las que necesitamos una velocidad de obturación alta y tengamos que subir ISO: fotografía deportiva (sobre todo indoor), niños, mascotas… objetos en movimiento… cuando las condiciones de luz no son perfectas.

 

¿Qué margen o diferencia real hay entre sensores de diferente tamaño?

Entre un móvil de gama media / alta y una cámara con sensor de 1 pulgada: 2 pasos de luz (aprox. 2 EV)

Entre un sensor de 1 pulgada y un sensor Micro 4/3:  algo más de 1 paso  (aprox. 1 EV)

Entre un sensor Micro 4/3 y un sensor APS-C:  2/3 de paso (aprox. 0.7 EV)

Entre un sensor APS-C y un sensor Full Frame:  1 paso y 1/3 aproximadamente (aprox. 1.3 EV)

 

Estas diferencias son sólo aproximadas y con cámaras / sensores de tecnología similar.

Un sensor pequeño actual puede tener un mejor rendimiento que un sensor más grande pero mucho más antiguo.

Es sólo para tener una idea mental…

…y para darnos cuenta de que las cámaras no son algo mágico.

Fíjate que por ejemplo una cámara Micro 4/3, una APS-C y una Full Frame están todas en un margen de unos 2 pasos de luz de diferencia.

 

Casos prácticos y ejemplos

Primero vamos a ver con cámaras reales si se cumplen esas diferencias que hemos comentado.

Hay muchas formas de estimar las diferencias, por ejemplo a partir de los datos de DXOMARK o a partir de las gráficas de photonstophotos.net.

Por ejemplo, aquí tienes una gráfica comparativa a partir del rango dinámico fotográfico en función del tamaño del sensor:

photonstophotos.net/Charts/PDR_Area_scatter.htm

 

Pero vamos a hacer nuestra propia gráfica.

Vamos a elegir varias cámaras más o menos actuales (en el momento de escribir este artículo) con diferentes sensores:

  • 1 pulgada: Canon G7 X, Sony RX100 VII
  • Micro 4/3: Panasonic GX800, Panasonic GH5, Olympus E-M1 mark II
  • APS-C: Sony a6400, Nikon D3500
  • Full Frame: Canon EOS RP, Sony a7S, Sony a7R 4

 

Los modelos los he elegido básicamente al azar, los primeros que se me han ocurrido y he encontrado en DXOMARK para cada tipo de sensor.

Por ejemplo, dentro de las micro 4/3 hay cámaras de gama profesional (E-M1 para foto, GH5 para vídeo) y cámaras de gama de entrada (GX800). Y en APS-C la Sony a6400 sería una gama media alta, mientras que la Nikon D3500 es una gama de entrada.

Para cada cámara miramos en DXOMARK el valor para Sports (Low-Light ISO)

¿Qué es ese valor?

Es el ISO máximo que podemos configurar en la cámara para conseguir al menos una relación señal a ruido de 30dB en la imagen resultante (imagen de excelente calidad).

Apuntamos los datos y los representamos en una gráfica:

Calidad de imagen (SNR) vs tamaño de sensor

 

Ahora vamos a intentar analizar los datos y extraer conclusiones.

El eje horizontal representa la superficie del sensor (en milímetros cuadrados)

El eje vertical representa el valor de ISO de la cámara en escala lineal.

Los puntos rojos corresponden con cada una de las cámaras, representan ese valor de ISO para el que tenemos SNR = 30dB

Vemos que los puntos están alineados verticalmente en sus correspondientes tamaños estándar: 1 pulgada (116mm2), micro 4/3 (225mm2), APS-C (350mm2) y Full Frame (860mm2)

Fíjate que el salto entre los sensores ‘crop’ y el sensor Full Frame en lo que respecta al área de captación es enorme.

Para cada tamaño de sensor hay cierta variabilidad: puede ser debida a la tecnología del sensor, su antigüedad…

He incluido en color naranja las líneas que corresponderían a los valores ISO típicos (ISO 400,  800, 1600 y 3200) para tener una estimación más clara de las diferencias entre cámaras en pasos de luz.

Las cámaras con sensores de 1 pulgada, micro 4/3 y APS-C que hemos elegido en este ejemplo están todas en un rango de menos de 2 pasos de luz.

APS-C tiene una pequeña ventaja sobre micro 4/3.

Y micro 4/3 tiene una pequeña ventaja sobre los sensores de 1 pulgada (probablemente la GX800 tiene un sensor algo antiguo, al ser una cámara de gama de entrada, mientras que la G7 y la RX100 son compactas de gama media alta).

Vemos que los sensores Full Frame tienen más de 1 paso de luz de ventaja con respecto a APS-C

En cualquier caso se ve que hay una correlación bastante clara entre el tamaño del sensor y la relación señal a ruido que podemos conseguir.

 

 

Comparativa en un caso real

Una situación en la que todas las cámaras sufren:

Imagina que queremos hacer fotos de nuestro hijo/hija que practica algún tipo de deporte en un pabellón deportivo.

En los pabellones, sobre todo en los pequeños, la iluminación suele ser bastante mala.

Por otra parte, necesitamos una velocidad de obturación alta para 1) congelar el movimiento de los jugadores y 2) para evitar la trepidación si disparamos a mano alzada

Vamos a suponer una configuración inicial que nos da una exposición correcta:

  • Objetivo con f/4
  • Velocidad de obturación 1/250s
  • ISO: 800

 

Las cámaras con sensor de 1 pulgada estarían un poco al límite pero en general las imágenes resultantes serían totalmente usables.

Las Micro 4/3, si exceptuamos la GX800 que parece estar un poco por debajo de la media, darían una buena calidad de imagen. Las APS-C igual y por supuesto las Full Frame.

 

Ahora queremos subir un poco la velocidad de obturación para congelar más la acción. En exteriores las velocidades recomendadas estarían por encima de 1/500s dependiendo del deporte.

Subimos a 1/500s y para compensar tenemos que subir un paso de ISO, hasta ISO 1600.

A ISO 1600 las APS-C estarían un poco al límite pero seguirían dando imágenes de buena calidad. También algunas micro 4/3, como la E-M1.

En las cámaras de sensor más pequeño se notaría ya algo de granulado a simple vista, sobre todo en las zonas más oscuras.

Las cámaras con sensor Full Frame todavía tendrían un paso de luz extra. Podrían subir hasta ISO 3200 y 1/1000s y la imagen seguiría siendo excelente.

 

 

Resumen y conclusiones

Recuerda que en este contexto, cuando hablamos de calidad de imagen nos estamos refiriendo sólo al nivel de ruido digital / granulado.

Ideas clave que hemos visto:

 

  • La exposición no depende del tamaño del sensor
    Nos dice la cantidad de luz que recibe el sensor por unidad de área
  • La exposición que percibimos en la imagen también depende del valor de ISO
    Aunque la exposición real mide la luz recibida, en la mayoría de los casos hablamos del triángulo de exposición, incluyendo la apertura del diafragma, el tiempo de exposición (velocidad de obturación) y la ‘sensibilidad‘ (ISO)
  • Cualquier cámara con los mismos parámetros: apertura, obturación e ISO producirá una imagen similar en cuanto a su brillo / luminosidad
  • Los sensores más grandes reciben más luz
    La cantidad de luz total (fotones) depende de la exposición y de la superficie total del sensor
  • La calidad de la imagen depende de la relación señal a ruido
    Cuanto mayor es la SNR, mejor será la calidad de imagen
  • Se considera que con SNR > 30dB es una imagen con muy buena calidad
    En última instancia la percepción del ruido digital en la imagen es una cuestión subjetiva, cada fotógrafo tiene sus propios criterios de lo que considera una imagen excelente, aceptable y mala (no usable)
  • Sensores más grandes: imágenes con mejor SNR (más calidad)
  • Sensores de igual tamaño pero diferente resolución:
    El sensor con menor resolución (celdas más grandes) puede tener un rendimiento mejor en cuanto a ruido (menos variabilidad entre puntos de tonalidad similar), pero también ofrece menos detalle de la escena.
  • Para comparar la calidad de dos imágenes deberíamos hacerlo con sus copias finales: por ejemplo las copias en papel o las imágenes en su tamaño real de publicación. O al menos tendríamos que reescalar para comparar a la misma resolución.
  • Todas las cámaras producen imágenes excelentes con buena luz
    En esas situaciones la SNR es alta en todos los casos y el nivel de ruido se puede considerar despreciable. Las diferencias estarían más en la calidad óptica de los objetivos o en otros factores externos
  • La diferencia entre sensores sólo va a ser apreciable en determinadas situaciones (poca luz, al subir ISO, cuando levantamos las sombras en revelado / edición, escenas con rango dinámico muy alto…)
  • Las diferencias entre sensores de diferentes tamaños son graduales
    Por ejemplo la diferencia entre un sensor APS-C y un sensor Micro 4/3 es mínima
    Un sensor Full Frame daría una ventaja de algo más de 1 paso de luz con respecto a un sensor APS-C

 

 

 

 

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