RUIDO EN SENSORES DIGITALES DE IMAGEN
CAPÍTULO 6: MEDIDA DEL RUIDO DEL SENSOR

        Cierra la serie el artículo más técnico de todos en el que vamos a realizar medidas reales de ruido en un sensor digital, corroborando de manera cuantitativa todos los aspectos cualitativos estudiados en los capítulos anteriores. Sin entrar en excesivo detalle se darán las pautas a seguir para que aquél lo desee pueda replicar los procedimientos con su propia cámara.

Ruido de crominancia y ruido por canal

        Es habitual ver en determinados análisis mediciones diferenciadas del ruido de luminancia y de crominancia de una cámara digital, así como mediciones individualizadas para cada canal RGB. Sin despreciar el valor de estos resultados basados en pruebas sobre imágenes preprocesadas de escenas reales concretas, debemos matizar algunos aspectos si lo que pretendemos es caracterizar de forma objetiva el ruido asociado al hardware del equipo.
        Un sensor digital con patrón de Bayer, que son la inmensa mayoría en la actualidad, obtiene en cada fotocaptor uno solo de los tres canales RGB que necesita para formar el color final del píxel. Los restantes dos canales desconocidos serán interpolados, es decir estimados a partir de los datos conocidos en ese píxel y sus circundantes:


Fig. 1 Matriz de Bayer en un sensor digital de imagen (fuente: Wikipedia).

        Es por ello por lo que aunque nosotros mismos hicimos la distinción cualitativa al inicio de esta serie de artículos, no es estrictamente correcto hablar de mediciones de ruido de crominancia asociado a un sensor digital de imagen, ya que tal color no existe hasta el momento en que se realiza la interpolación de la matriz de Bayer lo cual constituye un procesado software ajeno al hardware de la cámara. En lo que respecta al sensor solo existe un tipo de ruido y es el asociado a cada fotocaptor.

        Y tampoco es correcto medir el ruido por canal RGB del sensor, afirmando de forma absoluta que uno sea más o menos ruidoso que los otros. Los tres canales, a igualdad de las variables que influyen en el ruido van a presentar la misma cantidad de ruido y relación S/N, y serán variaciones en los parámetros determinantes (básicamente el número de fotones convertidos por fotocaptor), las que diferencien para una escena dada el resultado en cuanto al ruido en cada canal.

        La única característica estrictamente dependiente del hardware que puede dar lugar a un comportamiento más o menos ruidoso por canal del sensor es la sensibilidad relativa de dicho canal respecto a los otros dos. En condiciones normales el canal azul suele alcanzar un menor nivel de exposición en el archivo RAW que los canales rojo y verde, lo que contribuirá a una peor relación S/N en el mismo, y a un mayor ruido de crominancia final, no viéndose el ruido de luminancia afectado en la misma medida por tener el canal azul menor peso en este último. Pero éste es un aspecto complejo de abordar con rigor y que no vamos a valorar. En adelante solo hablaremos de un tipo de ruido, el asociado a cada fotocaptor individual, el cual no irá asociado a ninguno de los canales en particular sino que será común a todos ellos y dependerá de otras variables.

        Así en los análisis y mediciones que hagamos no diferenciaremos ruido de luminancia o de crominancia, ni ruido por canal, sino que nos limitaremos a analizar el comportamiento en cuanto al ruido en uno cualquiera de los canales (típicamente el verde por aportar mayor cantidad de información dada la tipología Bayer), obteniendo resultados reales sobre el funcionamiento del sensor sin interferencia de la naturaleza de la escena retratada, de las sensibilidades relativas entre canales propias de cada sensor, ni de los procesos software de revelado RAW.

Medida del ruido

        Por considerarse incorreladas, es decir, estadísticamente independientes, las fuentes de ruido pueden sumarse en cuadratura. Esto quiere decir que la contribución de cada una al ruido final se puede modelar por una expresión del tipo:

N² = R² + P²

Donde N sería el ruido total, R el ruido de lectura y P el ruido fotónico.

- Medida ruido lectura y ruido fotónico Canon 350D a partir de canal G en RAW con carta IT8.
- Curvas de ruido y cálculo diafragma punto de cruce: ruido lectura=ruido fotónico.

Medida de la relación S/N

- Curvas de relación S/N a partir de medidas.
- Curva mejora de S/N al aumentar ISO.

Cálculo del rango dinámico del sensor

- Rango dinámico para cada ISO con criterios S/N>0EV y S/N>2EV.