INTRODUCCIÓN

Es bien sabido que emplear un valor de ISO alto para lograr una determinada exposición, da un peor resultado en términos de ruido y rango dinámico que emplear el menor ISO posible y aumentar la exposición mediante los parámetros de apertura y tiempo de exposición. Sin embargo en ocasiones estos nos vienen impuestos por las circunstancias.

El presente artículo pretende ser una prueba demostrativa de cómo se ha de actuar en situaciones en que con el diafragma más abierto que permite nuestra cámara (o el que nosotros mismos nos hemos impuesto por el motivo que sea) y el tiempo de exposición más largo que podemos emplear, la exposición obtenida es todavía insuficiente.

Este problema se dará muy habitualmente en condiciones de pobre iluminación tales como escenas de interiores con poca luz, fotografías nocturnas para las que no se cuenta con un trípode, conciertos,...

La duda se debate entre dos alternativas:

Nos conformamos con la toma subexpuesta actual con la idea de corregir su exposición en el revelado RAW
Subimos el valor de ISO para tener una mayor exposición en el propio archivo RAW

Tras la demostración práctica se presentará un modelo matemático del ruido en el sensor digital que trate de explicar el comportamiento del mismo al alterar el valor de ISO en las pruebas.

QUÉ ES EL ISO EN UNA CÁMARA DIGITAL

Es habitual oir que en imagen digital el ajuste ISO controla la sensibilidad del sensor. Con esta definición se mantiene en el mundo digital la terminología propia de la fotografía tradicional ("sensibilidad de la película"), pero conceptualmente no es del todo correcto.

En fotografía analógica sí que existen diferentes sensibilidades que van a provocar que ante una misma radiación luminosa incidente la película alcance niveles diferentes de exposición debido a su diferente composición química, así como diferentes formas de ruido (grano).

En cambio el sensor digital, entendiendo por sensor exclusivamente el elemento captor de la luz, tiene una única sensibilidad que viene dada por su eficiencia cuántica (capacidad de convertir fotones incidentes en electrones, y estos en una corriente eléctrica). Para tener otras verdaderas sensibilidades necesitaríamos cámaras con fotocaptores intercambiables.

La exposición alcanzada por el sensor y en consecuencia el nivel de señal (voltaje) y de ruido generados por el mismo solo dependen de la cantidad de luz (fotones) recibida, y esto lo controlamos mediante la apertura de diafragma y el tiempo de exposición, no con el ISO. Y el grano del ruido es el mismo, no cambia con el ISO (habéis visto alguna cámara con un grano de ruido grueso?), porque el ruido se produce individualmente en cada píxel.

Entonces qué es el ISO? pues es básicamente una amplificación de la señal entregada por el sensor previamente a su digitalización. Se trata del mismo procedimiento que realiza nuestro equipo de música solo que en lugar de amplificar el voltaje correspondiente a un sonido la cámara lo hace con el proveniente de una señal luminosa.

Esta amplificación no representa sino una corrección de la exposición lograda en el sensor que como veremos tendrá ciertas ventajas. La señal amplificada por el ISO será la que se digitalice dando lugar a la exposición final del archivo RAW.

Podremos hablar así de 3 exposiciones diferentes:

Exposición en el sensor: solo dependiente de los parámetros de apertura y tiempo ajustados, así como de las características electrónicas del sensor
Exposición en el arhivo RAW: es a la que nos referimos cuando hablamos de la exposición en la cámara, y sí refleja el efecto del ISO ajustado
Exposición en el postprocesado: será la que finalmente obtengamos al hacer uso del control de exposición en el revelador RAW

El grado de amplificación o ISO escogido será equivalente a un control de sensibilidad, pero del sistema completo formado por sensor + ajuste ISO + conversor A/D, no del sensor propiamente como elemento más o menos sensible a la luz.

TESTS DE RUIDO A DIFERENTE ISOS

Para tratar de responder a la cuestión planteada en la introducción he realizado una serie de fotografías de una escena de prueba con todos los posibles ISO que da mi cámara (Canon 350D), para los mismos parámetros de apertura de diafragma y de tiempo de exposición.

El resultado esperable es que aumentar el ISO suponga algún tipo de ventaja que mejore la calidad de los datos del RAW, o de lo contrario habría que concluir que disponer de varios valores de ISO solo tiene utilidad cuando se dispara en JPEG, donde la subexposición deteriora enormemente la calidad de la imagen final haciendo casi inviable su edición.

La escena retratada es el siguiente bodegón que dispone de zonas con diferentes niveles de luminosidad sobre las que hacer las pruebas:

Fig. 1 Escena de prueba para realizar tests de ISO.

Se ha repetido la toma en 5 ocasiones con valores de ISO: 100, 200, 400, 800 y 1600. Los restantes parámetros se dejaron fijos: T=1/4s, f/13, 50mm.

Las imágenes se revelaron de modo totalmente neutro con el revelador DCRAW, para garantizar no haber aplicado ningún tipo de procesado reductor de ruido, enfoque,...

La exposición obtenida en los archivos RAW, al haber mantenido los parámetros ópticos constantes, fueron obviamente diferentes debido al ISO y se corrigieron en el revelado RAW para adecuarse a la exposición de la toma realizada a ISO1600.

Los resultados para cada valor de ISO en distintas zonas de la escena se presentan a continuación. En aquellos recortes que fueron reescalados por motivo de espacio, se empleó un algoritmo de selección de píxels (nearest neighbour) que preserva íntegra la relación señal a ruido y por lo tanto la percepción del ruido respecto a la señal.

ZONAS MÁS ILUMINADAS

Fig. 2 Recortes al 50% de las zonas más iluminadas para distintos ISO.

ZONAS DE SOMBRA

Fig. 3 Recortes al 50% de las zonas menos iluminadas para distintos ISO.

COMPARATIVA ISO100 vs ISO1600

Fig. 4 Recortes al 100% comparando ISO100 con ISO1600.

Lo primero que puede verse es la gran mejora que supone sobreexponer en estas condiciones mediante el valor de ISO para obtener una menor presencia de ruido final.

Cabe destacar que el salto cualitativo mayor con diferencia se produce en las sombras más profundas, y es mayor en el paso de ISO100 a ISO200 que entre cualquier otra pareja de valores ISO; si bien la mejora nunca deja de producirse hasta el último valor posible de ISO.

Con toda lógica además, el aumento de exposición mediante ISO por ser un proceso analógico previo a la codificación de la imagen dará lugar a una mayor riqueza tonal. Con un poco de esfuerzo, podremos observar bajo la capa de ruido que en las tomas realizadas a menor ISO las texturas están más empastadas, es decir disponen de menos niveles tonales que cuando aumentamos el ISO.

Para comprobarlo cuantitativamente calculamos los histogramas de 16 bits de las tomas realizadas a ISO100 e ISO1600. Una vez ambas han sido igualadas en exposición en el revelado, la imagen tomada a ISO1600 muestra una mayor riqueza y precisión tonal como era de esperar:

Fig. 5 Histograma lineal de la toma a ISO100.

Fig. 6 Histograma lineal de la toma a ISO1600.

MODELO DE RUIDO DE UNA CÁMARA DIGITAL

Para dar explicación a los fenómenos vistos vamos a acudir a un modelo simplificado de ruido en el sensor. Si se desea tener una explicación mucho más detallada recomiendo los artículos al respecto de Roger N. Clark que desglosa y explica con mucho más detalle dando cifras reales aquellos conceptos que aquí solo comentaremos.

Vamos a hacer uso del siguiente modelo simplificado de ruido en una cámara digital:

Fig. 7 Modelo simplificado de ruido en una cámara digital.

Los bloques denominados 'sensor' y conversor 'A/D' son ideales, es decir no introducen ruido de ningún tipo. Así agregamos todas las fuentes de ruido del sensor en las dos siguientes:

Ruido de preamplificación N_pre: incluye todas las posibles fuentes de ruido previas a la amplifiación que por lo tanto se van a ver amplificadas junto con la señal por la que denominaré Ganancia ISO (G_ISO). Este ruido incluiría:

Ruido fotónico: producido por el conteo discreto de fotones. Se reduce drásticamente a medida que aumenta el nivel de señal captada ya que es proporcional a la raíz del número de fotones captados por lo que solo existe en las sombras profundas.
Ruido de lectura ("read noise"): se cuantifica en electrones y supone un umbral de señal mínima que debe exponer el sensor para poder ser distinguida. Es el ruido dominante en exposiciones de corta duración.
Ruido térmico: entra en juego en exposiciones largas y mantiene una relación directa con el calentamiento del sensor en las mismas.

Ruido de postamplificación N_post: agrega las posibles fuentes de ruido una vez se ha realizado la amplificación por el valor de ISO. Es por lo tanto un ruido cuyo valor será independiente de la ganacia

Ruido etapa A/D: ruido electrónico producido en el previo de la etapa de conversión analógico a digital.
Ruido de cuantificación: es inherente a toda conversión de analógico a digital y se debe al redondeo que ha de sufrir la señal para acomodarse en los niveles discretos disponibles. Puede dar problemas de posterización en las zonas menos luminosas de la imagen captada. Disminuye cuantos más bits se dispongan para la codificación de la señal.

Antes de seguir quiero comentar que lo que he denominado ruido de lectura se referencia en general como un concepto más amplio que engloba no solo al ruido de lectura del sensor propiamente dicho sino también al ruido en las etapas posteriores (amplificador y conversor A/D). No es de extrañar por lo tanto oir hablar del ruido de lectura como dependiente del ISO ya que pasa a cuantificarse en la salida.

Aquí hago referencia estrictamente a su componente atribuible al sensor. Para más información sobre este tema se puede acudir al artículo de Roger N. Clark: Digital Camera Sensor Performance Summary, donde pueden encontrarse comparativas muy interesantes de parámetros entre distintas cámaras.

RELACIÓN SEÑAL A RUIDO

Calculemos ahora la expresión de la relación señal a ruido que llega a la etapa conversora A/D, y veamos cómo influye en la misma el valor de ISO escogido.

Atendiendo a este modelo, la señal útil S captada por el sensor junto al ruido de preamplificación son amplificados por la ganancia ISO de modo que a la salida del amplificador tendremos la siguiente señal:

S_amp = (S + N_pre) * G_ISO

Donde obviamente ISO no es el valor ISO en términos absolutos, sino un factor proporcional a él. A este valor se le suma el ruido producido en la etapa de conversión A/D resultando una señal final de la forma:

S_AD = (S + N_pre) * G_ISO + N_post

Distinguiendo en dicha expresión las componentes útiles de señal y el ruido, tendremos que la relación señal a ruido vale:

SNR = (S * G_ISO) / (N_pre * G_ISO + N_post)

Expresión que como es lógico aumenta cuanto mayor fuera la señal captada, pero que para un determinado nivel de señal captada S también aumenta conforme mayor sea el valor de ISO escogido. En efecto, si aumentamos la ganancia ISO hasta valores considerables, el término Npre * G_ISO acabará dominando sobre el ruido de postamplificación Npost, que perderá influencia en el cálculo de la relación señal a ruido.

En el límite, considerando el ruido de postamplifiación despreciable frente al ruido de preamplificación amplificado: Npre * G_ISO >> Npost, obtenemos la expresión de mejora máxima de la relación señal a ruido por aumento del ISO:

SNR_max = S / N_pre

Donde vemos que todo el ruido se debe a la etapa previa a la amplificación de señal.

Hay que tener claro que de las expresiones calculadas no se deduce que de forma general sea mejor usar valores altos de ISO de cara al ruido; esto en absoluto es así. Puede verse en dichas expresiones como la mejor manera de aumentar nuestra relación señal a ruido es aumentando S, es decir, el nivel de señal captado por el sensor.

Dicho nivel no viene afectado por el ISO y solo depende del grado de exposición a que hayamos sido capaces de someter al sensor con los parámetros de apertura de diafragma y tiempo de exposición.

No olvidemos que la finalidad de todo este artículo es tan solo demostrar la forma de proceder para reducir el ruido visible cuando dichos parámetros nos vienen impuestos.

CONCLUSIONES

La primera conclusión de lo expuesto sería que si nos vemos en la obligación de emplear unos determinados parámetros de apertura de diafragma y tiempo de exposición, típicamente en situaciones de baja iluminación, con los cuales no logramos una exposición correcta de la escena, la mayor reducción de ruido la obtendremos ajustando un valor de ISO tan elevado como nos sea posible antes de empezar a quemar la imagen.

El aumento de la exposición mediante un aumento del ISO supone además una mejora tonal como la lograda mediante el aumento de exposición con los parámetros ópticos, ya que su efecto se produce en una etapa de amplificación analógica antes de la conversión a digital.

Deben ser descartados no obstante todos aquellos ISO que no constituyen una amplificación analógica sino una simple corrección final de niveles sobre el archivo RAW. Esto ocurre así en muchas cámaras compactas y en valores ISO muy elevados (boost), o especialmente reducidos (ISO50) de ciertas cámaras réflex. Estos ISO "de mentira" son equivalentes a modificar la exposición en el revelador RAW por lo que no tendrían ninguna de las ventajas expuestas debiéndose evitar su uso.

Dada la relación directa existente entre el ruido en las sombras y el rango dinámico que podemos captar, la técnica de reducción de ruido mediante el aumento del valor ISO nos brinda un aumento del rango dinámico de la imagen captada, por paradójico que pueda parecer. La interdependencia entre ruido y rango dinámico se estudia en detalle en el artículo Fundamentos de fotografía digital 2: Rango dinámico.

Con todo lo visto deberíamos desterrar el miedo a emplear valores de ISO altos cuando la exposición lograda a ISO100 no sea suficiente. Aumentando la exposición mediante el ISO no solo no estamos introduciendo ruido en nuestra imagen sino que lo estamos reduciendo de forma notable respecto al que obtendríamos con una imagen subexpuesta y corregida en el revelado.

El derecheo del histograma puede considerarse por lo tanto la "exposición correcta" no solo en las circunstancias ideales en que podamos lograrlo con el ISO más bajo de la cámara sino en cualquier circunstancia, utilizando si es preciso el ajuste ISO como recurso para conseguirlo. Resumiendo, la regla general sería: derechear siempre, y hacerlo empleando el menor ISO posible.