EL NIVEL DE
  SATURACIÓN
  DEL RAW


   Creado
   25 Oct 2009


   Actualizado
   11 Mar 2010


   


© Guillermo Luijk 2009



INTRODUCCIÓN

Aunque ya se ha hablado en bastante profundidad sobre el nivel de saturación del RAW en otros artículos como el Tutorial DCRAW o el artículo sobre el sensor Fuji Super CCD, he querido dedicar un apartado específico a este desconocido en la sombra.

Cuando he dado algún taller sobre revelado RAW y empiezo a hablar sobre el nivel de saturación del RAW, los asistentes no saben muy bien por donde van a ir los tiros: saturación de color? altas luces quemadas? o de qué estamos hablando?.

El motivo es que este nivel de saturación, pese a que existe en todas las cámaras digitales y que conocerlo sea fundamental en el proceso de revelado para un correcto procesado del RAW, es aplicado internamente por los reveladores comerciales de forma transparente al usuario. Y es que se trata de un parámetro íntimamente ligado al hardware de la máquina.

En el presente minitutorial vamos a explicar en qué consiste, cómo calcularlo para nuestra cámara, y lo más importante, cómo afecta a la imagen si se realiza un revelado RAW sin aplicar un valor de saturación correcto. Si alguna vez has experimentado tonos magenta en las altas luces al revelar tus RAW, es muy probable que aquí se encuentre la explicación al problema.


NIVEL DE SATURACIÓN DEL RAW

Cuando hablamos de un archivo RAW de por ejemplo 12 bits, como simplificación se asume que tomará valores lineales en todo el rango de 0 a 4095.

La realidad es que del rango nativo de niveles que proporciona una codificación en un determinado número de bits, cada modelo de cámara aprovecha una cantidad diferente de valores en función del diseño de su electrónica interna.

El valor máximo que alcanzan los niveles RAW en una cámara determinada, es decir aquel valor con que resultan codificadas las altas luces quemadas, es precisamente el nivel de saturación del RAW.


CÁLCULO DEL NIVEL DE SATURACIÓN

Para calcular el nivel de saturación no hay más que ver el valor máximo que alcanza el histograma de un archivo RAW que tenga partes claramente quemadas. Vamos a extraer los datos de un RAW de Canon 5D con el siguiente comando de DCRAW:

dcraw -v -D -4 -T archivo.cr2

Haciendo uso del modo RAW de Histogrammar sobre el TIFF resultante representamos el histograma RAW calculando su máximo por simple inspección visual:


Fig. 1 Histograma RAW de Canon 5D mostrando nivel de saturación.


Como puede verse, y pese a que me aseguré de que dicho archivo contuviera altas luces quemadas, los valores no alcanzan el máximo de 4095 sino que se quedan concentrados en forma de pico en el nivel 3692. Este valor será fijo para esta cámara y constituye su particular nivel de saturación del RAW.

Repetimos la operación con un archivo RAW de una Canon 350D de nuevo con partes de altas luces quemadas:


Fig. 2 Histograma RAW de Canon 350D mostrando nivel de saturación.


En este caso podemos ver que el pico de altas luces sí alcanza el máximo del rango de 12 bits, es decir 4095.

Estas diferencias han de ser conocidas para cada modelo de cámara por los reveladores RAW, o de lo contrario no se podrá llevar a cabo un revelado RAW correcto como veremos.

Aunque no es el foco de este tutorial, también puede verse en los histogramas que por el lado de las sombras los niveles no llegan al 0. Es decir, los negros de la escena no se codificaron en el archivo RAW en un valor numérico 0 sino algo mayor, en concreto como 127 en la 5D y como 255 en la 350D. Este hecho es típico en cámaras Canon, cuando lo habitual en otras marcas es que el negro se codifique como 0 absoluto.

Ambos fenómenos: que el RAW sature en un valor diferente para cada cámara, y que codifique los negros de la escena en un valor no siempre igual a 0, no representan ningún problema mientras el revelador RAW sea consciente de ello y actúe en consecuencia; los problemas vienen cuando se consideran valores que no coinciden con los reales de la cámara.

Por otro lado el desaprovechamiento de niveles no supone una pérdida de riqueza tonal apreciable en la práctica, ya que aún desechando parte del rango todavía resta una cantidad suficiente de niveles para tener una gran variedad de tonos en aplicaciones fotográficas. En función de los niveles efectivos que cada cámara usa podemos calcular el número de bits reales de información con que ambas están trabajando:
  • Canon 5D: log2(3692-127+1) = 11,80 bits
  • Canon 350D: log2(4095-255+1) = 11,91 bits
Las cifras están bastante por encima del rango dinámico que las dos cámaras son capaces de capturar, unos 8,5 y 8 pasos respectivamente, el cual viene limitado mucho antes por el ruido del sensor que por los bits efectivos de la codificación usada.


TIPOLOGÍAS DE NIVELES DE SATURACIÓN

En los ejemplos que hemos visto hasta ahora, el punto de saturación quedaba constituido por un único nivel en el que se aglutinaban todos los píxeles quemados del archivo RAW. Sin embargo en la práctica no todas las cámaras saturan sus RAW en un único valor igual para los tres canales y en todas las circunstancias:
  • Algunos modelos saturan en valores ligeramente diferentes para cada canal
  • Puede darse el caso de que el nivel de saturación varíe ligeramente en tomas distintas o entre diferentes unidades de un mismo modelo de cámara
  • También puede haber diferencias en el nivel de saturación para diferentes valores de ISO
  • Por último llaman la atención algunas cámaras que ni siquiera saturan en valores concretos, sino en un rango de valores
Vamos a detenernos un poco en este último caso. Se trata de cámaras cuyas altas luces quemadas dan lugar en el histograma RAW a curiosas distribuciones gaussianas que sin embargo no contienen información útil, sino solo ruido.

Es algo que he podido observar en el sensor de cámaras Fuji, y también en archivos RAW de cámaras Olympus con sensor Panasonic. El siguiente histograma RAW procede precisamente de un archivo RAW de una Olympus E-P1 por cortesía de Juan Luis Cillán:


Fig. 3 Histograma RAW de Olympus E-P1 mostrando saturación distribuida.


Las campanas de gauss de la derecha corresponden a zonas de altas luces irremediablemente quemadas en el RAW. Su alineamiento delata este hecho, ya que una superficie blanca en la escena real nunca presentará canales alineados en el RAW sino que tendrá un predominio claro de verde.

La escena de prueba era la siguiente:


Fig. 4 Escena capturada con Olympus E-P1.


Si revelamos de modo especial para obtener solo la "información" de la zona de distribución gaussiana (niveles 3584 a 4095), vemos que allí no hay información útil, solo ruido gaussiano que el algoritmo AHD del revelador RAW decodifica formando los típicos artefactos en forma de laberintos:


Fig. 5 Altas luces quemadas de la escena anterior.


Pasando el ratón por encima de la imagen se superpondrá un recorte al 200% de uno de los canales RAW, donde puede constatarse que no contiene más que ruido gaussiano en las zonas bajo análisis, y lo mismo ocurre con los otros dos canales.

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Haciendo un poco de off topic, y sabiendo que los usuarios de cámaras Olympus son en general bastante susceptibles a los comentarios que se hacen sobre su sistema, quería enumerar varios motivos por los que en mi opinión los sensores Panasonic que montan estas cámaras están a día de hoy un paso por detrás de los de Canon o Nikon:
  • Como hemos visto tienden a saturar en un incómodo rango de niveles en lugar de hacerlo en un único valor (aunque esto es sencillo de paliar).
  • Tienen un comportamiento menos lineal que otras marcas como midió en su cámara Manuel Llorens (puede verse en su artículo Reparación de alinealidades del sensor), lo que ocasiona problemas por ejemplo al tratar de fusionar capturas de diferente exposición de un modo óptimo.
  • Aparte son más ruidosos en zonas de baja exposición RAW (sombras profundas) y también aumentan más rápidamente el ruido al subir el ISO. El motivo del peor comportamiento frente al ruido no se justifica por el tamaño de sensor pues no hay tanta diferencia entre un sensor 4/3 y un APS-C por ejemplo:



  • Fig. 6 Tamaños relativos sensores FF, APS-C y 4/3.

  • Por último tienen habitualmente los canales G1 y G2 Bayer ligeramente descompensados, lo que da con frecuencia lugar a laberintos en el revelado RAW al usar los algoritmos de demosaicing más extendidos (ACR por ejemplo genera más artefactos al revelar archivos ORF que el software propietario de Olympus).
Espero que con el tiempo las cámaras 4/3 logren tener captores a la altura de la competencia, ya sea por mejora de los sensores Panasonic o buscando otro proveedor.

Yo en particular estoy muy interesado en el formato M4/3 que me parece ideal para hacer fotografía de calle o de viajes por aunar como ninguno precio, portabilidad y calidad de imagen. Así que es probable que dentro de poco me regale una de estas nuevas cámaras porque no me veo yendo de viaje o retratando escenas urbanas con una pesada e intrusiva 5D a cuestas.

El sistema M4/3 está llamado a convertirse en la Leica del pueblo!

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Volviendo al tema, las dificultades comentadas en cuanto al nivel de saturación no nos afectarán si hacemos un adecuado revelado RAW, como veremos en el siguiente apartado.


EFECTO DEL NIVEL DE SATURACIÓN EN EL REVELADO RAW

Por qué es necesario que el revelador RAW tenga un conocimiento preciso del nivel de saturación del RAW de cada cámara? básicamente por una cuestión fundamental si se desean tener tonos correctos en las altas luces: el balance de blancos. Veamos porqué.

El balance de blancos constituye un paso previo de acondicionamiento de los canales RGB en el RAW que se realiza antes del demosaicing, y que consiste en aplicar una corrección individual de la exposición a cada canal para que los tres resulten convenientemente alineados antes de iniciar el proceso de interpolación Bayer. Este alineamiento hará que la temperatura de color final sea conforme al resultado deseado, y ayudará a detectar de forma más óptima el detalle de la imagen en el proceso de interpolación.

Pero qué pasa en una zona quemada del RAW? en ella los canales están alineados (balanceados a neutro) de partida, porque todos saturan en el mismo o similar valor RAW. Si aplicamos ahora una reducción de exposición en el canal G respecto a los canales R y B, que es lo que hacemos en un revelador RAW al elegir un balance de blancos típico, las zonas de altas luces quemadas o próximas a quemarse se tornarán magenta por defecto de verde.

Es por ello preciso que el revelador sepa exactamente qué nivel corresponde a los píxeles saturados, para aplicar en ellos un tratamiento especial que garantice que la zona siga siendo neutra pese a la aplicación del balance de blancos global para la imagen.

Si el nivel de saturación considerado por el revelador RAW no se correspondiera con el idóneo para la cámara, el programa de revelado no garantizará lo anterior propiciando efectos indeseados en las zonas de altas luces. Nos encontramos así con los siguientes dos casos posibles:


1. NIVEL DE SATURACIÓN INFERIOR AL IDEAL

En esta situación le estamos diciendo al revelador RAW que considere como quemada información útil que no lo está realmente. La consecuencia de ello será una pérdida de dicha información de altas luces en el proceso de revelado.

La buena noticia es que la pérdida es mínima: por linealidad del sensor, mucho deberíamos rebajar el nivel de saturación respecto al ideal para que se echara a perder una cantidad importante de información.

La siguiente imagen compara el resultado de revelar el archivo RAW de la escena ejemplo con un nivel de saturación 3584 (puede verse en la Fig. 3 que es el punto donde realmente empieza la información quemada), con un nivel de saturación claramente inferior de 3072:


Fig. 7 Resultado de nivel de saturación menor (3072) al ideal (3584) en Olympus E-P1.


Pasando el ratón por encima de la imagen veremos lo sutil que es la pérdida pese a que el error cometido era notable. Por lo tanto de momento ya sabemos que quedarnos cortos en el nivel de saturación no tiene consecuencias demasiado graves.


2. NIVEL DE SATURACIÓN SUPERIOR AL IDEAL: ALTAS LUCES MAGENTA

Veamos ahora el resultado que produce el revelado RAW de la escena con un nivel de saturación mayor al ideal. Así comparamos la imagen obtenida con el anterior punto de saturación de 3584, con la que se tiene considerando la saturación en el máximo nivel en que existe contenido en el RAW, que según el histograma de la Fig. 3 era el valor 4095:


Fig. 8 Resultado de nivel de saturación mayor (4095) al ideal (3584) en Olympus E-P1.


Pasando el ratón por encima de la imagen vemos que las zonas de altas luces donde había saturación presentan un tono magenta (se ha enfatizado un poco en la imagen pero en el histograma original ya queda patente el desalineamiento de canales en los picos de altas luces), que requerirá para eliminarse de un procesado bastante tedioso según los casos.

En general puede concluirse que cuando se producen tonos incorrectos en las altas luces, típicamente una dominante magenta, se trata de un problema de software en el revelado RAW. El revelador RAW empleado estaría aplicando un nivel de saturación superior al correcto y/o una estrategia de altas luces neutras inapropiada. No sería por lo tanto de extrañar que usando un revelador RAW diferente el problema quedara solucionado.

Parece lógico pensar que una cámara que sature en el máximo de su escala nativa de bits (nivel 4095 en 12 bits y 16383 en 14 bits), nunca tendrá problemas de tonos magenta en las altas luces ya que ningún revelador aplicará en sus archivos RAW un nivel de saturación por encima de dicho máximo.

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La conclusión final es que de cara a las consecuencias de un nivel de saturación erróneo, resulta preferible ser conservadores y usar un valor inferior al ideal que pasarnos y tener problemas de dominantes en las altas luces.

Mi criterio para elegir el nivel de saturación ideal, y que al menos con la estrategia de altas luces neutras de DCRAW me ha funcionado bien en todos los casos y sin perder un ápice de información útil, es utilizar siempre como valor de saturación el nivel más bajo en que empiezan a codificarse en el RAW las altas luces quemadas.

En algunas cámaras será un nivel concreto, en otras el menor de los valores para los tres canales, y en otras como el ejemplo de la EP-1 visto el inicio de las distribuciones gaussianas donde se codifican en el RAW las saturaciones de altas luces (nivel 3584).

En el caso de DCRAW la estrategia de altas luces neutras con -H 2 funciona muy bien, pero es sin embargo bastante común que el nivel de saturación por defecto de DCRAW no sea el adecuado para algunas cámaras. Para ellas deberá calcularse previamente como hemos visto, y establecerse en el revelado con el comando -S.

El autor de DCRAW, David Coffin, suele introducir en su programa como punto de saturación a emplear por defecto el máximo nivel encontrado en el histograma RAW quemado. Este criterio no me parece acertado por todo lo comentado: no todas las cámaras saturan en un único valor y las consecuencias de usar un nivel de saturación superior al ideal son peores que las de emplear uno que quede por debajo.

En otras cámaras como las Canon 30D, 40D y 50D, y pese a que saturan en un único valor, DCRAW emplea directamente como punto de saturación para ellas un valor superior al idóneo lo que provoca en mayor o menor medida esas altas luces magenta. Coffin insiste en sus cifras, pero he analizado una buena cantidad de archivos RAW de la Canon 40D en particular y todos saturan en 13823, cuando el código original de DCRAW usa un valor muy alejado de 16224.

Pasando el ratón por encima de la siguiente imagen puede verse cómo este hecho provoca claras altas luces magenta en una Canon 40D, cuando se usa el valor por defecto de saturación de DCRAW en un revelado preservando toda la información de altas luces:


Fig. 9 Resultado de nivel de saturación mayor (16224) al ideal (13823) en Canon 40D.


Esto provoca que programas de revelado RAW basados en DCRAW como UFRAW, puedan producir problemas de tonos magenta en altas luces con archivos RAW de todas estas cámaras al no tener corregidos los valores originales del código de Coffin.

Este problema también se da por ejemplo en Adobe Camera RAW cuando se revelan archivos RAW con fuerte sobreexposición de las cámaras Fuji S3 Pro y S5 Pro, y de forma habitual ocurre en reveladores comerciales como ACR, LR o Capture One cuando aparece una nueva cámara en el mercado que aún no es plenamente soportada por ellos.

A continuación se muestra una imagen de Chema Pacheco resultante de revelar un archivo RAW de la recién salida al mercado Canon 7D, con las actuales versiones de ACR y LR:


Fig. 10 Altas luces magenta en RAW de Canon 7D con ACR y LR.


Pese a lo llamativo del problema no hay porqué preocuparse. Que el fabricante lo solucione con una nueva versión de su software es en general cuestión de unas pocas semanas o incluso días.

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Si hubiera diferencias en el nivel de saturación al variar el ISO, lo lógico será que el nivel de saturación al ISO nativo más bajo sea el menor de todos los puntos de saturación adecuados para esa cámara, y por tanto el idóneo a considerar como referencia en todos los revelados a cualquier ISO.


CONCLUSIONES

En el presente artículo se ha introducido el concepto de nivel de saturación del archivo RAW como parámetro fundamental del revelado RAW, aunque fuera del control del usuario en los reveladores RAW comerciales.

A continuación se ha estudiado la forma de calcular el nivel de saturación para nuestra cámara a partir de un archivo RAW quemado del que hemos extraido los datos RAW con DCRAW.

Hemos estudiado también las distintas formas que tienen las cámaras digitales de distribuir en el histograma RAW la información saturada, y la importancia de dichos fenómenos a la hora de elegir adecuadamente el nivel de saturación.

Las consecuencia de aplicar en el revelado un nivel de saturación superior al ideal será una probable dominante magenta en las altas luces, mientras que aplicar un nivel de saturación inferior al idóneo solo nos hará perder algo de información de altas luces pero sin aparición de dominantes.

Como criterio general en DCRAW se obtendrán excelentes resultados usando como nivel de saturación un valor tan bajo como el menor nivel RAW a partir del cual se codifica la información saturada del sensor.


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