EL SENSOR FUJI SUPER CCD

El sensor Fujifilm Super CCD SR que incorporan cámaras como la Fujifilm FinePix S3 Pro y S5 Pro, permite gracias a un diseño especial de dos sensores en uno obtener imágenes con un mayor rango dinámico que las cámaras de sensores convencionales como las Canon, Nikon,... y demás.

Para integrar en un solo dispositivo una estructura de este tipo se ha recurrido a una peculiar distribución de las celdas fotosensibles de modo que dos tipos diferentes de fotocaptores (S y R) comparten una misma retícula espacial aunque se trate de dos sensores funcionalmente independientes.

La disposición de los fotocaptores se vio optimizada en la versión II (la que se analizará en este artículo) gracias a un ingenioso intercalado de los mismos de modo que los de un tipo se alojan en los huecos dejados por los del otro tipo:


Fig. 1 Situación de celdas S y R en el sensor Fuji Super CCD SR.

Los sensores S son de mayor tamaño que los R, siendo los primeros más sensibles que los segundos. Es decir que a igual densidad luminosa incidente sobre el plano del sensor los fotocaptores S se saturarán antes que los R. Por el contrario los sensores R tendrán una peor relación señal a ruido y calidad general para un mismo nivel de señal generado en los mismos.

Por todo ello es claro el papel de unos y otros: los sensores S debido a su menor ruido están destinados a captar la mayor parte de la escena, en especial las sombras, mientras los sensores R están especializados en capturar las altas luces de la misma allí donde los primeros hayan alcanzado la saturación, dotando así a la cámara de una gran inmunidad frente a la sobreexposición: hay que ser muy bruto para quemar las altas luces en un Fuji Super CCD!.

HDR EN LA CÁMARA

Vamos a comprobar el rango dinámico que es capaz de captar el sensor Fuji Super CCD analizando una fotografía de una escena de alto rango dinámico. Quiero agradecer a Antoni Vilarrubí (asiduo del foro Ojo Digital bajo el nick Vilafoto) que me haya prestado su archivo RAW para hacer todas estas pruebas.

Antes de seguir adelante he de decir que, fanático como soy de las capturas con gran rango dinámico, me he quedado absolutamente sorprendido de los resultados que pueden lograrse con el sensor Super CCD en este aspecto. La mejora, lejos de ser leve como pensaba a priori, es de verdadero peso como se comprobará con cifras objetivas.

La escena retratada es la siguiente:


Fig. 2 Escena de alto contraste captada con sensor Fuji.

Puede observarse como toda la información ha sido perfectamente captada (luces sin reventar, sombras sin ruido) pese a la gran diferencia de luminosidad entre las partes soleadas y las partes más sombrías. Veamos de manera precisa de qué rango dinámico estamos hablando, para lo cual calculamos el histograma logarítmico de la imagen en formato lineal:


Fig. 3 Histograma por pasos de diafragma de la escena.

Vemos que el histograma mostrado contiene información desde el diafragma 0EV hasta el -10EV. Esto unido al hecho de que la imagen final es perfectamente utilizable en toda su superficie dado que el ruido es aceptablemente bajo incluso en las zonas más oscuras, hace que estemos en disposición de decir que la cámara ha sido capaz de captar en una sola toma un rango dinámico de 11 diafragmas, totalmente fuera del alcance de otras cámaras como las Canon o Nikon actuales.

En otro análisis estimé el rango dinámico útil de mi Canon 350D en 8 diafragmas, lo que quiere decir que la Fuji S3 Pro tiene como poco 3 pasos completos más de rango dinámico. O dicho de otra manera, es capaz de distinguir una diferencia relativa de luminosidad 8 veces mayor que la 350D.

Pero como ya hemos dicho la imagen en realidad se compone de dos imágenes independientes. En concreto las he fusionado con una rutina propia que optimiza la relacion señal a ruido en cada píxel de modo que la imagen combinada finalmente obtenida presente el más bajo ruido posible y por lo tanto el mayor rango dinámico efectivo.

Veamos el aspecto que tienen las imágenes individuales que genera el sensor Fuji, las cuales pueden revelarse de forma separada con DCRAW haciendo uso de la opción -s que permite extraer por separado las múltiples imágenes que pueda contener un mismo archivo RAW.


Fig. 4 Imagen captada por el sensor S.


Fig. 5 Imagen captada por el sensor R.

Es fácil darse cuenta de que ninguna de las dos habría sido suficiente por sí sola para obtener una imagen final como la conseguida: la toma de los sensores S tendría amplias zonas quemadas, mientras la toma de los sensores R presentaría excesivo ruido en las sombras más profundas lo que inutilizaría los diafragmas más bajos de la imagen. Se limitaría así en ambos casos el rango dinámico captado, bien por la parte de las luces (S) o de las sombras (R).


Fig. 6 Detalles parciales de las carencias de los sensores S y R por separado.

Podemos por tanto concluir que lo que implementa el sensor Fuji Super CCD es un mecanismo de HDR en la propia cámara: su sensor es capaz de captar un rango dinámico muy por encima del que registraría un sensor normal al permitir la fusión de dos tomas de muy diferente exposición, aprovechando la mejor relación señal a ruido de los captores más expuestos (S) para definir las sombras, y la menor exposición de los captores auxiliares (R) para registrar las altas luces de la escena.

Al alguien puede chocarle que emplee el término HDR en este caso. Por desgracia existe una gran confusión sobre el concepto de HDR, es decir, imagen de alto rango dinámico. Es constante encontrar aficionados que llaman así a todo lo que (me permito la licencia) tenga ese irreal "aspecto HDR", a la vez que no se considera HDR aquello que no presente dicha apariencia.

Lo cierto es que ni todas las imágenes HDR tienen porqué parecer irreales, ni todas las imágenes que presentan esa apariencia tan típica son en realidad HDR ya que muchas de ellas ni siquiera representan escenas de gran rango dinámico. Pero este debate sería objeto de otro artículo, mientras llega puede leerse al respecto en este hilo.

Tanto la filosofía de funcionamiento como los resultados obtenidos con el sensor Fuji Super CCD constituyen una imagen HDR en toda regla.

EXPOSICIÓN RELATIVA SR Y MARGEN DE SOBREEXPOSICIÓN

Un parámetro muy interesante a calcular en el sensor Fuji Super CCD es la exposición relativa existente entre los fotocaptores S y R, ya que dicha separación es la que nos va a proporcionar una mayor o menor expansión del rango dinámico de la imagen. Cuando hablo de una exposición relativa me refiero a la relación entre los niveles generados en los sensores S y los generados por los sensores R con una exposición del sensor dada.

Tras hacer varias pruebas con RAWs diferentes de la Fuji S3 Pro, he llegado a la conclusión de que esta diferencia de exposición es constante y vale exactamente 3,6EV. Es decir, en cualquier toma realizada con la Fuji en el modo de alto rango dinámico los niveles generados por el sensor S estarán 3,6 pasos de diafragma (lo que en lineal equivale aprox. a 12 veces) por encima de los niveles generados para los mismos píxels por el sensor R.

Eso quiere decir que la expansión del rango dinámico que proporciona el tener los sensores R adicionales respecto a solo emplear los sensores S podría estar en torno a los 3,6 pasos de diafragma. La expansión efectiva final será menor dado que por el menor tamaño de los sensores R estos son más ruidosos que los S, pero aún corregida a la baja la ventaja real resulta una cifra muy significativa que explica el porqué del gran rango dinámico que este sensor puede llegar a captar.

Otro parámetro interesante de calcular para esta cámara es el margen de sobreexposición por encima de la medida del fotómetro que admite antes de empezar a quemar la información. O lo que es lo mismo, qué rango de luminosidades por encima de la medida del fotómetro va a preservar.

Es fácil comprobar como cada fabricante calibra los sensores y fotómetros de sus cámaras de una forma diferente, de modo que cuando con dos cámaras distintas se hace una medición sobre una carta gris de color uniforme, la exposición, es decir el nivel generado por dicha toma en el rango dinámico del sensor varía sensiblemente de unas a otras. Esto quiere decir que el nivel de gris medio no es constante de unas cámaras a otras.

Dado el peculiar diseño del sensor Super CCD habrá en él dos márgenes de sobreexposición diferentes: uno para el sensor S y otro mayor para el sensor R. Para conocerlos realizamos un análisis de la medida de luz puntual con el fotómetro de la cámara sobre el centro de una carta gris por cortesía de Miguel Ángel Rojas (donrojas76 en el foro Ojo Digital) y comparamos los niveles registrados por el sensor en dicho punto:


Fig. 7 Exposición relativa SR y margen de sobreexposición respecto a medida del fotómetro.

Los canales del histograma no aparecen alineados pues se ha hecho un revelado sin aplicar el balance de blancos, que es la forma correcta de operar para ver el margen real de que se disponía antes de empezar a quemar el canal más desfavorable; en el ejemplo el rojo. Si hubiéramos aplicado el balance de blancos la exposición de dicho canal se habría corregido a la baja arrojando un resultado de margen disponible más optimista del real.

En el histograma lineal anterior se constata la cifra de 3,6EV comentada al principio y que separa la exposición de los captores S y R. Además podemos ver como, para el tipo de iluminación con que se hizo la prueba, existe un margen por encima de la media del fotómetro de 2,3EV en el que podemos sobreexponer sin quemar información en el sensor S.

No obstante, si aumentáramos la exposición por encima de dicho valor, si bien el sensor S empezaría a quemar información tendríamos al sensor R para "rescatar" esas áreas que hemos empezado a quemar en el S. En concreto con el sensor R disponemos de 3,6 pasos de diafragma adicionales a esos 2,3 mencionados en los que la información de mayor luminosidad de la escena aún no empezaría a quemarse. Se demuestra así numéricamente porqué es tan difícil llegar a arruinar las altas luces en una toma hecha con este sensor.

FUNCIONAMIENTO ÓPTIMO DEL SUPER CCD

De lo que se ha comentado puede intuirse que la forma de llevar al extremo las bondades del sensor Fuji para capturar el máximo rango dinámico es realizar una exposicion al límite, justo antes de empezar a quemar las altas luces de la escena en el sensor R. En ese momento en el sensor S ya habrá amplias zonas de la imagen quemadas pero esto no solo no ha de preocuparnos, ya que las obtendremos del sensor R, sino que es precisamente esta sobreexposición la que va a permitir minimizar el ruido en los diafragmas más bajos expandiendo de este modo el rango dinámico en las sombras.

Así la sobreexposición es la forma óptima de trabajar para obtener el máximo rango dinámico y menor ruido, conceptos que van siempre íntimamente ligados. En esencia no es sino llevar a cabo un derecheo del histograma del sensor R que dará lugar al derecheo del histograma global resultante como se pudo ver en el gráfico por diafragmas de un apartado previo.

Sin embargo las ventajas de disponer de esta filosofía de doble sensor no acaban aquí. Si derecheamos el histograma, habremos de corregir fuertemente a la baja la exposición en el revelado lo que implica una gran mejora de la riqueza tonal de las sombras de la imagen que serán así más inmunes a la posterización.

Éstas son virtudes bien conocidas del derecheo del histograma; simplemente en este sensor pueden llevarse al extremo dando lugar por tanto a una mejora mucho mayor, a la vez que aumenta el nivel de protección ante la posibilidad de quemar las altas luces de la escena.

MPX EFECTIVOS Y ROTACIÓN DE 45º

El sensor Super CCD SR II dispone de 6 millones de fotocaptores de cada tipo: S y R, totalizando así 12 millones; pero esto no quiere decir que sea un sensor de 12Mpx. Al contrario, aunque la disposición espacial de los captores de cada tipo es diferente, dado que en el caso óptimo en la imagen final cada píxel se formará con información proveniente de un solo tipo de captor (idealmente S, en los casos donde éste se encuentre quemado se echará mano de los captores R) lo justo en mi opinión es por tanto admitir que se trata de un sensor de 6Mpx.

A este hecho se añade una peculiaridad más, y es que al estar los píxels dispuestos en filas y columnas diagonales, cada uno de los dos tipos de sensores forma una imagen que directamente representada en una malla cuadriculada aparecería rotada 45º. Por ello la formación final de la imagen requiere de una interpolación adicional para corregir dicha rotación.

Se me ocurre que esta corrección angular puede sin embargo simultanearse con el demosaicing de la matriz de captores, aprovechando la disposición espacial de los mismos para que no suponga un menoscabo de la calidad final de la imagen. Ignoro si las herramientas de revelado existentes en el mercado tienen esto en cuenta o simplemente realizan un revelado convencional con una posterior rotación de la imagen (como hace por ejemplo DCRAW).

La siguiente imagen muestra un revelado con DCRAW y la opción -j que fuerza a que no se realice rotación de la imagen tras el demosaicing. Solo así se garantiza que cada píxel de las imágenes S y R generadas corresponda a uno y solo un píxel del archivo RAW, añadiendo el propio revelador los bordes negros. La rotación es por tanto consecuencia de la interpretación directa de la malla diagonal como una retícula en sentidos horizontal y vertical.


Fig. 8 Revelado RAW de Fuji sin realizar corrección de la rotación de 45º.

INCONVENIENTES DEL SENSOR SUPER CCD

Las peculiaridades de diseño que hacen tan especial el sensor Super CCD de Fuji también le suponen ciertas desventajas.

Para empezar el revelado de los RAW de alto rango dinámico Fuji no es trivial: requiere un algoritmo especial para la misma que, caso de que se quiera hacer verdaderamente óptimo, deberá estar bastante afinado pues se trata de una fusión de imágenes con diferente exposición, exactamente igual que hacen los programas de HDR, con la problemática extra de la rotación. Dudo que reveladores genéricos como ACR estén verdaderamente optimizados para hacer todo esto, y quizá sea éste uno de los motivos por el que sus usuarios afirman obtener una mayor calidad con las herramientas dedicadas del fabricante (Hyper Utility de Fujifilm).

Por otro lado la conversión de los RAW de Fuji a formatos más estándar (DNG) no es posible sin una pérdida de calidad, o mejor habría que decir preprocesado donde se perderá información, ya que el formato DNG no está preparado para albergar dos imágenes que den lugar a un único revelado final conjunto. Que DNG se adaptara al formato de Fuji no sería lógico pues un formato estándar no debe diseñarse para soportar características muy específicas de los fabricantes sino al revés, para uniformizar los formatos empleados por estos. El RAW de alto rango dinámico de Fuji es en este sentido un formato "especialmente incompatible".

En cualquier caso creo que es admirable la técnica ideada por Fuji para obtener el amplio rango dinámico que está en disposición de ofrecer este sensor. Conforme aparezcan sensores cada vez menos ruidosos, el rango dinámico de los mismos irá en aumento y soluciones complejas como ésta quizá vayan perdiendo sentido; pero hoy por hoy la amplitud dinámica y bajo ruido en las sombras de este sensor son imbatibles.