ISO50 e ISO3200. La sensibilidad del sensor y el ruido

[Juanma]

Hola.

Hace un par de meses se me ocurrió ponerme a pensar cómo funcionaría todo ese mecanismo de emular diferentes sensibilidades ISO por parte del sensor de la cámara. A falta de documentación, pues no encontré nada relevante, decidí hacer unas pruebecillas para contrastar una teoría. Os comparto a continuación la teoría, las pruebas y mis conclusiones.

Me gustaría escuchar vuestras opiniones, así como, si encontráis algo, que compartáis información acerca del funcionamiento de la conversión A/D del sensor, para tratar de ahondar un poco más en estos aspectos.

Hay algunas opiniones en particular que me gustaría escuchar, de gente que está versada en estos temas (calico, jesito, Michel, fermaker...). Todas son bienvenidas


Mi teoría:

Mi duda surgió así: ¿el sensor puede autoconfigurarse para responder de manera diferente según la sensibilidad que se le solicite o siempre funciona (físicamente) de la misma forma? Mi respuesta a esta duda fue: funciona siempre de la misma forma.

El sensor funciona como una matriz de condensadores que adquieren carga a medida que "recogen" fotones. Más tiempo recogiendo fotones, mayor carga. Así, si suponemos que la fuente de luz es constante (imagen estática), la carga adquirida por el condensador (fotosito) es proporcional (o sea, lineal) al tiempo que está recibiendo luz. Esto es lo que proclaman los fabricantes de sensores, que la respuesta del sensor es lineal con la cantidad de luz recibida.

Bien. Hemos expuesto nuestro sensor a la luz durante un tiempo (tiempo de obturación) y ahora tenemos ocho millones de condensadores cargados cada uno con una carga diferente, proporcional a la luz que ha recibido. ¿Dónde interviene la sensibilidad del sensor, o ISO al que tenemos configurada la cámara? En principio surgen dos posibilidades:

1. De alguna forma el sensor se "configura" previamente al disparo para que sus condensadores se carguen más o menos dependiendo de la cantidad de luz que reciban cuando se trabaja con uno u otro número ISO.
2. Al sensor le da igual el número ISO que tengamos puesto, y sus condensadores se cargan de igual forma siempre que reciban la misma cantidad de luz. Es en el momento de interpretar esas cargas cuando se tiene en cuenta el ISO que tenemos puesto. Este momento es la conversión A/D, o "de analógico a digital".

La primera no tiene demasiado sentido, pues los condensadores habrían de ser variables, y serían más costosos de fabricar (imagino; tampoco entiendo mucho de electrónica a ese nivel ). Además, hay otra consideración que me inclina hacia la segunda, relacionada con el ruido, y que expongo un poco más abajo. Mi conclusión es que es la segunda: en la conversión A/D.


El proceso de conversión A/D como yo me lo imagino:

A la hora de descargar ("leer") las cargas de los condensadores, y para cada uno de ellos, el conversor A/D "ve" la carga del condensador como un voltaje, y de este voltaje ha de sacar un número, de la misma forma que se convierte la música digital o cualquier otro proceso A/D. Valores de voltaje muy bajos indican poca luz recibida, y, por tanto, números pequeños, y valores de voltaje altos indican mucha luz recibida y números grandes. ¿Cómo de pequeños los números? ¿Cómo de grandes?

La salida ha de ser un número de 12bits, donde el 000000000000 indica negro total y el 111111111111 indica blanco puro. Ahora bien: antes de empezar a interpretar los voltajes de los condensadores y ponerles número, el conversor A/D no sabe lo grandes que pueden ser los voltajes que se va a encontrar en el proceso de interpretar los 8M de condensadores. Podrían ser todos muy bajos o haberlos exageradamente grandes. Tampoco puede adaptarse, pues quedaría un resultado con luminosidades "a corros" dependiendo de por dónde empezara a interpretar la foto. Por eso necesita de una indicación que le diga lo que puede esperarse, y en eso interviene el número ISO.

La fotografía clásica sabe cómo de luminoso ha de ser un punto en la foto final que ha sido expuesta con un diafragma, un tiempo de obturación y una sensibilidad de película dados. Si configurando la cámara digital al mismo ISO (pongamos ISO200) y exponiendo el sensor con el mismo diafragma (pongamos f/8 ) y durante el mismo tiempo (1/125s) obtenemos, digamos, 0.05v, debemos traducir ese valor en voltios a un número dentro de la gama de 12 bits que represente un nivel de luminosidad proporcional al que veríamos en la película negativa equivalente.

Si dentro del mismo ejemplo la película fuese de ISO400 y los parámetros de apertura y obturación fuesen los mismos, el sensor seguiría recogiendo los mismos 0.05v, pero ahora se habrían de interpretar como el doble de luminosos, luego el número al que se traduciría el 0.05v sería el doble que en el caso anterior.

El resultado de toda la conversión A/D es una matriz de números de 12bits que corresponden a la traducción a números de los voltajes leídos de los condensadores, y en el rango calibrado por el ISO vigente en la cámara. La representación gráfica del número de puntos que toman cada uno de los valores de 12bits es lo que se llama histograma.

¿Qué hay de diferente, pues, en dos RAWs tomados con el mismo tiempo de exposición, misma apertura, y diferente ISO? Pues sólo que los valores están multiplicados por una constante, que depende de la diferencia de ISOs... o "casi sólo"

Digo "casi sólo" porque en los extremos de luminosidad puede haber cambios
Los valores de luminosidad media van a aparecer en ambos RAW como multiplicados todos por una constante. Los de luminosidad baja o alta, también, pero... ¿qué pasa con aquellos de luminosidad tan alta que se salen del rango de los 12bits por arriba? Pues que se perdería información, ya que se interpretarían, invariablemente, como doce unos, independientemente del verdadero valor del voltaje que hubiera cargado en el condensador. En el RAW menos sensible (valores menores), esos números altos se diferenciarían, al menos, en los bits menos significativos, aportando detalle.

Si el histograma de la foto es tal que no hay NADA que se salga al desplazarlo +1EV, la foto no perderá blancos en ninguno de los dos RAWs, pues quedarán ambos dentro del rango. La foto sería idéntica al procesar el RAW.

Por abajo (negros) sucede parecido, pero lo que se perderían serían negros al desplazar -1EV el histograma hacia la izquierda.


¿Qué es, pues, el ruido?

El ruido es la diferencia entre lo medido y lo real, para entendernos rápidamente.
En el caso del sensor, el ruido se genera (entre otras fuentes) por las diferencias que hay entre el verdadero voltaje que debería haber en los condensadores cargados y el que hay (o se lee por el conversor A/D) realmente.

Todos sabemos que el ruido aparece en mayor medida en los ISO mayores. Esto es así porque a igual luminosidad (suponemos igual diafragma), un ISO mayor expone menos tiempo los condensadores a la luz. Esto hace que los voltajes aparecidos sean menores, y la relación señal/ruido es menor.
No tengo teoría suficiente para explicar por qué, pero sospecho que el ruido en un fotosensor depende de la naturaleza cuántica de la luz. La "cantidad de luz" que ve un fotosensor es un número entero de fotones (cuantos de luz). Si recibe pocos (pongamos N), el error de medida es 1/N, pero si recibe muchos (pongamos M>>N), el error de medida es 1/M, mucho menor. Ese error de medida es lo que se traduce en el ruido que vemos, o bien como grano, o bien como puntitos verdes o rojos. Hablando frente a la misma cantidad de luz, cuando forzamos a que los voltajes sean grandes (obturaciones más largas), el ruido se diluye ante los grandes voltajes, pues las diferencias se vuelven despreciables. No sucede lo mismo cuando las obturaciones son cortas, que hacen que los voltajes tengan menor representación frente al error.

Antes comentaba que me inclinaba a no considerar la opción de condensadores variables. Esto es porque, de ser así, los valores de voltaje serían los mismos para cualquier ISO ante la misma luminosidad, lo que haría que los niveles de ruido visibles fueran parecidos en todos los ISO, y sabemos que no es así


Equivalencias de números ISO. Pruebas realizadas:

Las pruebas que he hecho consisten, básicamente, en disparar con trípode al mismo motivo, con el mismo diafragma y misma obturación, pero variando el ISO. Obviamente, las fotos tendrían diferente luminosidad al representarse por defecto en la pantalla del PC, pero la corrijo al revelar el RAW para que la luminosidad percibida sea la misma.

Lo primero que observé es que la escala de corrección de la exposición que pone en los programas reveladores de RAW no está en EV ni nada que se le parezca. Ni siquiera es lineal, en algunos casos. Cuando un RAW expuesto +1EV lo corregía -1EV en el programa, la luminosidad no se parecía ni por asomo a la del RAW expuesto +0EV. Por tanto, la corrección la tuve que hacer "a ojo", quedándome con el resultado que me pareció más aproximado a la vista. He de notar que el programa más preciso de los que he probado en cuanto a la escala de corrección de la exposición es el Capture One, en el que las correcciones que hacían ver la misma luminosidad eran casi, casi 1EV (0,95EV o 1,05EV).

Os recomiendo que las pruebas las veáis a tamaño completo (zoom 100%).

De las dos próximas fotos, ambas son f/14, 30s de exposición. Una está a ISO100 (exposición correcta) y otra está a ISO200 (con lo que está sobreexpuesta +1EV). Adivinen cuál es cual:



Las tres siguientes están tomadas a f/14, 8s. Una a ISO200 (-1EV), otra a ISO400 (correctamente expuesta) y otra a ISO800 (+1EV). Adivinen...




Hice más pruebas, incluso sub/sobreexponiendo 2EV, y los resultados eran equivalentes. Allí donde los blancos no estaban reventados, el aspecto de la imagen en cuanto a nitidez y ruido era equivalente independientemente del ISO escogido. Sólo depende del diafragma (por supuesto) y del tiempo de exposición.


Simulación de ISO3200 e ISO50:

Para finalizar, una utilidad curiosa: se pueden simular ISO3200 e ISO50 allá donde el rango de la cámara sólo va de ISO100 a ISO1600.
Para emular ISO3200 basta con subexponer -1EV disparando a ISO1600 en modo Av. La exposición resultante será la misma que si se hubiera dispuesto de ISO3200. Después, al revelar el RAW (¿he dicho que es imprescindible disparar en RAW? ) se corrige +1EV.
Para emular ISO50 basta con sobreexponer +1EV disparando a ISO100 en modo Av. La exposición resultante es la de ISO50. En este caso se ha de tener cuidado en no reventar las luces altas (cosa fácil si dejamos que mida la cámara), pues no se podrán recuperar

La siguiente foto está tomada emulando ISO50. Comparadla con las equivalentes a ISO100:



Método de exposición a la derecha.

Viendo todo esto se comprende mucho mejor el método de exposición que sugiere Mellado en su libro, consistente en exponer para que el histograma quede lo más a la derecha posible. Es equivalente a disparar ignorando el ISO de la cámara, y corrigiendo en el RAW la exposición hacia la izquierda, equivalente a ISO más bajo, obteniendo más definición y menos ruido.


Ficha técnica:

• Fotos realizadas en interior, con trípode y con iluminación de una ventana (es posible que algunos brillos sean diferentes en algunas tomas, debido a algún ligero movimiento de las cortinas).
• Las tomas fueron realizadas a final de julio. Hasta hoy no he tenido tiempo de escribir este ladrillazo
• Las fotos que he puesto son recortes al 100% de los RAW a los que sólo se les ha corregido la exposición. Están en jpg a la máxima calidad. Intenté ponerlos en tif para que ni siquiera la compresión jpg pudiera interferir, pero fav|Share.com (por cierto: buena idea ) no permite TIFF.
• La cámara era la 350D, y el objetivo, creo recordar, el Tamron 28-75 f/2.8.
• Las fotos tienen eliminados los datos EXIF porque las utilicé con un amigo para tratar de que hiciera un test ciego entre las de número ISO equivalente. No adivinó :P
• Este post está escrito con electrones reciclados y sin decir tacos :P Estoy preparando la respuesta para el post de la censura. Éste es sólo el "precalentamiento"...

Espero vuestros comentarios

Saludos.

Juanma.

PS: Solución a las adivinanzas: las fotos están puestas en el mismo orden en que son enumeradas.

Editado: Pequeñas correcciones gramaticales.

[dapasca]

:shock: :shock: :shock:



No puedo aportar ningún comentario pues no se nada del tema, pero felicidades por tan locuaz disertación...

Un saludo,

[Juanma]

¡Buf! Así no voy a llegar nunca a "Canonista primer dan"...

:P :P :P

Saludos.

Juanma.

[Txemag]

¡Buf! Así no voy a llegar nunca a "Canonista primer dan"...

Si por mi fuera te convalidaria este post por 100 mensajes, que currazo te has pegado.
Siento no poder aportar nada a semejante exposicion.

un saludote!!

[Lister]

Yo, como Txemag, te daba ya el 1er Dan por este post y otros similares a los que nos tienes acostumbrados

Ahora a pulir el post :P :P

¿Qué hay de diferente, pues, en dos RAWs tomados con el mismo tiempo de exposición, misma apertura, y diferente ISO? Pues sólo que los valores están multiplicados por una constante, que depende de la diferencia de ISOs... o "casi sólo"

En mi opinión, o al menos lo que me inclino por pensar, es que esa constante de la que hablas se aplica antes de la conversión A/D. Es decir, la salida de cada fotosensor se amplifica antes de ser convertida, un ISO más alto implica una mayor amplificación, que logicamente acarrea más ruido.

seguire atento al tema, que me parece interesante

saludos

[biketrialero]

Juanma poco que aportar.. en estos temas siempre te he visto muy puesto.

Buena tesis desde luego.

[Juanma]

En mi opinión, o al menos lo que me inclino por pensar, es que esa constante de la que hablas se aplica antes de la conversión A/D. Es decir, la salida de cada fotosensor se amplifica antes de ser convertida, un ISO más alto implica una mayor amplificación, que logicamente acarrea más ruido.

En ese caso, se trataría de una amplificación analógica normal y corriente, como la de los equipos de música.

No creo que el resultado sea diferente porque la amplificación sea analógica (elevar el voltaje antes de convertir a números, muy posible) o digital (multiplicar por una constante el número convertido sin amplificar), si el conversor A/D tiene resolución suficiente (12 bits). Cualquiera de los métodos daría el mismo resultado.

En cualquier caso, las tomas hablan por sí solas

Saludos.

Juanma.

[xavipat]

Muy interesante le tema.

Lamento no poder aportar ninguna información, pero seguire observando este hilo para aprender un montón.

Gracias a los que sabeis por compartir con nosotros.

[Juanma]

Gracias a los que sabeis por compartir con nosotros.

Jeje... La mayoría de lo que he puesto es imaginado. Estoy buscando confirmación...

Saludos.

Juanma.

[Lister]

No creo que el resultado sea diferente porque la amplificación sea analógica (elevar el voltaje antes de convertir a números, muy posible) o digital (multiplicar por una constante el número convertido sin amplificar), si el conversor A/D tiene resolución suficiente (12 bits). Cualquiera de los métodos daría el mismo resultado.

Hombre no es lo mismo, un amplificador que meta poco ruido, con buenos tiempos de respuesta y una salida lineal, es bastante más dificil de conseguir que multiplicar un número, que esta chupao :P

Supongamos que hacemos una foto a ISO100 con poca luz, la foto que nos queda es totalmente negra (o casi) es decir todo lleno de 0. Si lo multiplicamos por algo nos sigue quedando una foto llena de 0, sin embargo si subimos el ISO a 1600 seguramente otengamos bastante más detalle (a parte de ruido claro esta), por eso pienso que la señal se amplifica antes de convertirla. Otra solución, como tu dices, es que el A/D tenga la suficiente resolución, y en función del ISO se modiquen las tensiones entre las que convierte. Pero me inclino más por la primera... a ver si encontramos información de como se hace realmente, porque yo sólo estoy especulando



saludos

[Knita]

Buena prueba Juanma, es la primera vez que posteo en este foro, así que ser tolerantes conmigo.

Yo te diré que donde si que son apreciables las diferencias de ruido a diferentes Isos son en las tomas de astrofotografía, y que la respuesta es muy diferente en función del tipo de cámara utilizada. Dispongo de una cámara 10D (sin filtro IR) que su respuesta es mejor a 400 Iso con un considerable ruido, la 20D trabajo muy bien a 200 Iso con menos ruido y se que la 350D (aun siendo la hermana menor de la 20D) trabaja mejor que esta, comportandose bastante bien a 100 Iso, De las actuales en el mercado la que mejor comportamiento tiene es la 5D, de todas ellas estoy hablando sin aplicarles el programa de reducción de ruido (evidentemente), pues preferimos realizarlo de forma manual para obtener mejores resultados.

Un saludo

Knita

[Juanma]

Bueno... He estado pensando en lo de la amplificación, y desde el punto de vista electrónico no debe ser diferente del proceso de digitalización del sonido, en el que un voltaje procedente de una fuente analógica se convierte a un número.

En audio digital se procura evitar incluir en la cadena de producción todo elemento "distorsionador" para obtener la máxima pureza (léase como linealidad y ausencia de ruido). Es por ello que se trata de realizar el paso A/D lo más pronto en la cadena de producción, cuando la señal es lo más "original" posible y se realiza el inverso, D/A, lo más tarde posible. Todas las transformaciones intermedias se realizan idealmente en el dominio numérico, ya que en él se controlan las pérdidas y hay mayor fidelidad.

Volviendo a nuestro tema (fotositos), entiendo que sí es posible que exista una amplificación de los voltajes leídos por los fotositos, pero me resultaría muy chocante que esa amplificación fuese CONFIGURABLE según el ISO, es decir, que fuera mayor para ISOs altos y menor para ISOs bajos. Símplemente, me parece un elemento inductor de no-linealidad y de ruido que no es necesario si el conversor A/D de los voltajes de los fotositos tiene suficiente número de bits para abarcar el rango dinámico de posibles valores de voltaje (que lo tiene, pues sobra con 12 bits) y suficiente resolución para discriminar el menor voltaje posible que sea distinguible del ruido analógico (calibración del A/D).

Un conversor A/D así configurado es capaz, sin modificar la amplificación, de interpretar numéricamente valores tan bajos diferentes de cero como sea capaz de distinguir el fotosito, y podría representar valores numéricos mayores que el punto de saturación de luz del fotosito (momento en el que deja de ser lineal).

Hombre no es lo mismo, un amplificador que meta poco ruido, con buenos tiempos de respuesta y una salida lineal, es bastante más dificil de conseguir que multiplicar un número, que esta chupao :P

Por eso me inclino a pensar que habrán empleado la solución "chupada" :P :P :P :P

En serio, la amplificación analógica es menos lineal que la digital, si está bien configurada ésta última.

Supongamos que hacemos una foto a ISO100 con poca luz, la foto que nos queda es totalmente negra (o casi) es decir todo lleno de 0. Si lo multiplicamos por algo nos sigue quedando una foto llena de 0,

¡Uf! Una cosa es que al convertirlo a los 8 bits de la pantalla una buena parte de los valores se confundan con 0 (pues al reducir bits me estoy quedando con los más significativos) y otra cosa es que cuando "eleves" los valores próximos a 0, o sea, los hagas más significativos, no haya diferencias. Subir el ISO, según mi teoría, es, justamente elevar los valores próximos a cero.

a ver si encontramos información de como se hace realmente, porque yo sólo estoy especulando

A ver, a ver... Yo también estoy especulando

Yo te diré que donde si que son apreciables las diferencias de ruido a diferentes Isos son en las tomas de astrofotografía, y que la respuesta es muy diferente en función del tipo de cámara utilizada.

Los chicos de la astrofotografía no dejáis de sorprenderme :P

Entiendo que el comportamiento de los sensores en situaciones sumamente extremas como a las que los exponéis vosotros sea no predecible, puesto que influirán muchos otros factores, como el calentamiento y los materiales.

Por supuesto que hay diferencia de ruido a diferentes ISOs, pero la hipótesis que planteo, y que he comprobado con el test, es que exposiciones del mismo tiempo tienen el mismo ruido, independientemente del ISO con que fueron tiradas.

Sé que es complicado, pero, ¿podrías hacer la prueba de hacer la misma astrofoto con el mismo tiempo de exposición y diferentes valores ISO (ejemplo: 100, 200, 400, 800)? Sé que la exposición (luminosidad) va a ser diferente, pero lo que quisiera probar es si corrigiendo la exposición en el RAW el nivel de ruido es equivalente en todas las tomas.

Saludos.

Juanma.
Editado: Correcciones gramaticales y ortográficas.