FLAC: el sensor fotográfico (III)

Tras las últimas entradas de esta serie espero haber depositado en vuestras mentes la idea de que los sensores digitales de nuestras cámaras son el resultado de un delicado compromiso entre matemática avanzada, compleja ingeniería, y reducción de costes. El resultado de esta combinación son unos dispositivos que, a nuestros ojos, se comportan muy bien en casi cualquier circunstancia. Pero todo tiene un límite. Si en el artículo anterior conocíamos uno de los problemas de nuestros sensores (el rango dinámico), hoy nos vamos a encarar con uno de nuestros peores enemigos: el dichoso ruido.

El ruido

La imagen que ilustra la cabecera de este artículo puede ejemplificar, más o menos, qué es eso del ruido. Se identifica fácilmente como una especie de «sopa de píxeles» de diferentes colores que no tienen nada que ver con el tono o la textura de los objetos reales que hemos fotografiado.

Ruido y tamaño de sensor

¿De dónde vienen estos puntos de colores? Para entender este extraño fenómeno, es necesario comprender cómo funciona un sensor digital. No olvidemos que estos aparatos consisten en diminutas celdas alimentadas eléctricamente. Y he aquí los dos conceptos clave: «diminutas» y  «eléctricas». Mala combinación… Como dije en las anteriores entregas, la combinación de receptores miniaturizados con el flujo eléctrico necesario para que funcionen no puede más que generar problemas. Y como consecuencia de todo esto: efectivamente, a sensor más grande, menos ruido. Esta relación matemática entre ruido y superficie del sensor se nota especialmente cuando juguemos con la ISO de nuestra cámara, algo de lo que hablaré más adelante. Pero de nuevo se cumple la máxima de «burro grande» que mencionaba en capítulos anteriores. En cualquier caso, y para dar una nota optimista, siempre repetiré el soniquete de que «las ciencias avanzan que es una barbaridad», y las recientes generaciones de sensores mitigan un poco este indeseable efecto incluso en sensores tan diminutos como los de las cámaras de teléfonos móviles. El que no se consuela…

Resumiendo mucho, la situación es como sigue: nuestro sensor está listo para recibir el flujo de fotones después de que el usuario de la cámara haya accionado el disparador. Estos fotones viajan a través del objetivo, adaptándose al intrincado sistema de lentes que lo conforma. Este viaje termina en el impacto contra el sensor. Si todo ha ido bien (y suele hacerlo), cada píxel del sensor analizará el número de fotones que impactan sobre el, y convertirá esta información en un dato. El total de números se envían a la unidad de procesamiento, que los transformará en puntos de color, conforme a los algoritmos de que dispone, para elaborar la imagen definitiva, a falta de un futuro procesamiento o revelado. Pues bien, la falla esencial en este elegante proceso está, sobre todo, en las zonas de la imagen que menos luz tienen. Nuestros sensores, como ya sabéis, están diseñados para captar luz, no para «no captarla». Por eso no tienen un funcionamiento especialmente bueno cuando de oscuridad o sombras se trata. No olvidemos que la luz no es más que radiación electromagnética… igual que la que emite la electricidad que alimenta al sensor.

Ruido e interpolación

A este estado de cosas debemos añadir el papel que los algoritmos de interpolación desempeñan en la generación de ruido. Y es que no sólo el sensor es el responsable máximo de estos píxeles descarriados: la forma que se tiene de interpretar la información que proporciona el sensor también puede contribuir a quitar o añadir ruido. De forma que cada revelador (el software que utilizamos para editar nuestras imágenes) va a comportarse de forma diferente, en función de los algoritmos que esté empleando. En este sentido, es conveniente saber dos cosas:

1. Es probable que el fabricante sepa mejor que nadie cómo calcular los píxeles y que información atribuirle a cada uno.
2. Si un revelador cuenta con varios algoritmos «transparentes» y seleccionables por el usuario, eso es bueno.

Teniendo en cuenta estos dos factores, aquí van las noticias buenas y las noticias malas: las malas son que, si estamos usando software libre, es probable que no tengamos acceso a los algoritmos propietarios del fabricante, así que es posible que el revelado pueda no ser óptimo. Esto puede ser especialmente importante en lo que a tratamiento del ruido se refiere. Pero no desfallezcáis, ni caigáis en el uso de los generalmente nefastos reveladores «nativos» de cada cámara (sí, esos programas que vienen en un CD cuando compras tu flamante réflex); las buenas noticias son que muchos de los reveladores libres cuentan con un buen arsenal de algoritmos alternativos con los que se pueden obtener resultados más que aceptables. Si a esto le unimos la gran cantidad de procedimientos para eliminar el ruido en fases posteriores a la interpolación, mi opinión es muy optimista en este asunto: podemos seguir usando nuestro querido código  abierto y tener fotos de calidad sin ruido (o con muy poco).

Ruido e ISO

El siguiente personaje de esta historia merecería capítulo aparte por las grandes implicaciones que tiene a la hora de tomar una fotografía. Si el sensor como componente, y la interpolación como cálculo «automático» son elementos inaccesibles para el usuario, la ISO es un parámetro enteramente configurable que se debe tener en cuenta a la hora de calcular la exposición óptima. De hecho, la regulación de la ISO es la única interacción directa entre el usuario y el sensor, que por lo demás se parapeta en el interior de nuestra cámara sin que nosotros podamos hacer nada para cambiar su forma de actuar.

Pero, ¿Qué es eso de la ISO? Respuesta rápida: la ISO es una escala que calcula la cantidad de ganancia que recibe el sensor. De acuerdo, sé que esta explicación no vale de mucho… voy a intentar afinar un poco. Como venía diciendo, nuestros queridos sensores se alimentan de electricidad. Pues bien, regulando la ISO añadimos más corriente eléctrica a los fotorreceptores  del sensor, que de esta manera se vuelven más sensible y capaces de recoger más información. Es decir: cuanta más ISO, más iluminada saldrá la fotografía que tomemos. La escala ISO tiene una serie de peculiaridades que conviene conocer:

1. Es arbitraria: cada fabricante calcula la ISO de una forma diferente, en función de lo que considera una exposición correcta para cada cámara. Algo que resulta irónico teniendo en cuenta que «ISO» corresponde con las siglas «International Standard Organization»… pues de estándar, nada.
2. La ISO se representa con números: cada aumento de la ganancia elećtrica se representa con un número, generalmente empezando en el 100, multiplicando los siguientes por dos y hasta llegar a números mucho mayores: 100 – 200 – 400 – 800 – 1600 – 3200 – 6400 – 12800 puede ser una escala usual, aunque podemos encontrarnos con sesibilidades menores (50) o mucho mayores (819200, por ejemplo, en el modelo Pentax-KP) . Estos números son una mera convención y los resultados de aplicar una u otra ISO dependerán de cada modelo de cámara. Lo importante es que a mayor ISO, más sensibilidad tendrá nuestro sensor y más luz va a recoger.
3. La ISO se calcula en «pasos». Sobre el concepto del paso hablaré más adelante, pero de momento adelanto que la ISO «juega al mismo juego» que los otros dos parámetros críticos para calcular la exposición: la apertura del diafragma y la velocidad del obturador. Estos otros dos parámetros también tienen su correspondiente escala, y un cambio en uno de ellos, en términos de luminosidad de la imagen resultante, es equivalente a un cambio en otro de los parámetros. Dicho de otra manera, «entra la misma luz» cambiando la ISO un paso que cambiando la velocidad o la apertura otro paso. Elegir qué parámetro cambiar para obtener la exposición perfecta es, con toda probabilidad, la decisión más importante que puede tomar cualquier fotógrafo, aparte de las decisiones artísticas. Pero a estos asuntos ya les llegará su lugar.

En los párrafos anteriores he dejado algunas claves para aquellos que sepan entenderlos; la ISO es una herramienta fundamental que debemos usar para exponer nuestra foto correctamente… pero que tiene su lado oscuro. Y es que la ISO es una de las causas fundamentales del ruido. Efectivamente, el ajuste ISO depende directamente de la cantidad de flujo eléctrico que llega al sensor, y si habéis leído hasta ahora estaréis alerta con esto de la electricidad: a nuestros sensores no les gusta, aunque se nutran de ella. Por esta razón, un experimento sencillo, como el que he hecho en la imagen que encabeza este artículo, muestra qué impacto tiene la ISO de nuestra cámara en el ruido de la imagen resultante. En la serie de tres fotografías, que reproduzco a continuación:

La última fotografía, a la derecha, muestra unos niveles de ruido bastante más significativos que los de la foto central y mucho más significativos que los de la foto de la izquierda. Y este ruido, cómo no, está provocado por las ondas electromagnéticas que, desbocadas y fuera de control, saturan a los fotorreceptores. La foto está más iluminada, eso es cierto y es bueno, pero a cambio de generar mucho más ruido, especialmente en las sombras. Es por esta razón que el ajuste ISO es tan delicado y puede afectar tan profundamente a la calidad de nuestra toma final, y por lo que tendremos que andar con mucho cuidado a la hora de emplearlo, siempre conscientes de sus consecuencias. A lo largo de este manual iré dando consejos y pautas para controlar los efectos perniciosos de la ISO elevada y para mitigar el ruido que produce en caso de que las circunstancias de la toma nos hayan obligado a subir la ISO por encima de los límites aceptables del ruido que produce. Aunque, eso sí, esto no significa que debamos renunciar a usar la ISO como herramienta: es uno más de los ajustes que debemos tener siempre en mente y utilizarlo para ajustar la toma adecuadamente. El resto de ajustes, como veremos más adelante, también tiene sus lados oscuros y luminosos. Nunca mejor dicho.

Por lo dicho anteriormente, nuestra pequeña investigación de la escena del crimen empieza a cobrar sentido: en condiciones de poca luz (o aplicando una ISO alta), cuando menos fotones inciden sobre los fotorreceptores, ocurre algo interesante: la propia alimentación eléctrica de dichos fotorreceptores puede suponer una interferencia con la información que deberían registrar, y en situaciones muy extremas el píxel afectado por el problema puede devolver un número extraño: en realidad el fotorreceptor «se ha confundido» y está tomando cumplida nota de una señal  recibida no desde el objetivo, sino desde la propia cámara y su sistema eléctrico; como este problema es predecible pero aleatorio, el resultado es el que describía al principio: un caos de píxeles de colores discordantes, que los algoritmos de interpolación no son capaces de interpretar y que termina convirtiéndose en una foto «ruidosa».

El nombre que recibe este fenómeno, «ruido», está elegido a conciencia. Viene a corresponder con otros tipos de ruido, resultantes de mecanismos similares al que acabo de describir. Nos encontramos este ruido, por ejemplo, cuando conectamos unos altavoces a su correspondiente fuente de alimentación: si subimos el volumen lo suficiente, escucharemos un leve rumor que en realidad está provocado por las propias conexiones eléctricas que alimentan y hacen funcionar a los mismos altavoces. Como veis, la problemática de la electricidad en el asunto del ruido va más allá de la propia fotografía, y se convierte en un enemigo constante contra el que tenemos que combatir desde muchos frentes distintos.

Tipos de ruido

Una vez identificado al enemigo, vamos a examinar sus huestes. El ruido como fenómeno general se puede clasificar en diversos tipos, y en función de varios factores. No obstante, conviene puntualizar en este momento que, sea el tipo que sea, el ruido siempre será el ruido, y las diferentes tipologías no hacen más que aportar un poco de organización a un fenómeno que es siempre el mismo.

En cuanto a los criterios de clasificación, no me voy a decantar por ninguno en particular, aunque los más importantes son dos:

1. Según la distribución del ruido
2. Según la causa que lo provoca

Atendiendo al primer criterio, nos podemos encontrar con tres tipos de ruido: el de patrón fijo (siempre son los mismos píxeles los que dan problemas); patrón aleatorio (no son siempre los mismos píxeles) y patrón en bandas (este último lo menciono un poco más abajo).

Si nos fijamos en el segundo criterio, ya hemos ido hablando de el a lo largo de este capítulo: tenemos el ruido «inevitable» que aparece en las zonas de sombras, causado por la construcción de nuestros sensores como aparatos adaptados para la recepción de luz (y que por lo tanto funcionan un poco peor a la hora de captar detalle en sombras); por otro lado, tenemos el ruido ISO, provocado por un exceso de flujo eléctrico en el sensor.

Ruido de Crominancia y ruido de luminancia

Esta suele ser una de las grandes clasificaciones cuando hablamos del ruido en tanto problema que de puede solucionar en la fase de revelado; los nombres hacen referencia al tipo de información que se ve afectada en cada caso, y suelen contar con técnicas ad hoc para su eliminación, plugins específicos o programas dedicados; en cada uno de estos casos os encontraréis estas denominaciones, así que conviene tenerlas en mente para saber a qué se refieren en cada caso. Por ruido de luminancia se entiende al efecto granulado en zonas iluminadas, debido a que los fotorreceptores del sensor no captan exactamente la misma información de luminosidad. Este ruido se puede encontrar con relativa facilidad haciendo una ampliación «potente» en zonas bien iluminadas de la imagen:

El ruido de luminancia, por su especial «textura», puede pasar desapercibido, o incluso percibirse como un atributo positivo de la imagen. De alguna manera, recuerda al grano fotográfico propio de la fotografía analógica, causado por la acumulación de «grumos» de emulsión en la película química.

Por su parte, el ruido de crominancia corresponde con una trama caótica de píxeles de colores que no corresponden con el tono original del entorno. Es el ruido más molesto y el que suele causar más problemas a la hora de su eliminación.

No obstante, discriminar entre ruido de luminancia y ruido de crominancia es el resultado de un compromiso técnico a la hora de buscar alternativas y métodos para la eliminación del dichoso ruido: en realidad tanto uno como otro no son más que manifestaciones del mismo fenómeno, y se pueden considerar ambos como «ruido a secas». No olvidemos que nuestros sensores no recogen más que luminosidad sobre un patrón de filtros de colores, así que, en puridad, no existe tal ruido «de crominancia», al menos nativamente en el sensor. Todo esto corresponde a la diferencia que se establece en los niveles de ruido al separar la información de la imagen en tres canales en el modo LAB, correspondiendo el primer canal (la «ele» de «LAB») al de luminosidad. Sobre esto de los canales me extenderé más intensamente en futuras ocasiones, pero de momento quedaos con la idea de que el ruido que se obtiene al tomar una foto puede «repartirse» de formas diferentes según cómo estemos procesando la imagen y, por lo tanto, debemos conocer cómo se procesa la imagen para poder «atacar» los diversos problemas de la forma adecuada.

Otros tipos de ruido

En este apartado voy a incluir un listado somero de otros fenómenos que podemos meter en el cajón del ruido, entendido como cualquier alteración producida en el proceso de revelado que haga diferir el objeto fotografiado del objeto real. La mayoría de ellos no deben ser confundidos con el ruido tal y como lo hemos entendido hasta ahora (producido por alteraciones electromagnéticas), sino como problemas de otra naturaleza.

Artefactos: También conocidos como «artefactos de compresión«. Son defectos de la imagen producidos al pasar de un formato RAW a un formato comprimido, y si comprimimos demasiado la imagen. Se caracterizan por formar un efecto «mosaico» o «pixelado»:

Bandeo o bandeado: Producido también con la compresión y el paso a un formato con pérdida, se produce al malinterpretar la información en zonas de la imagen con un color uniforme y con un ligero degradado en la tonalidad. Se identifica como una serie de bandas o tonos escalonados abruptos en zonas que deberían tener una transición suave desde tonos más oscuros a tonos más claros:

No se debe confundir este efecto con el «ruido de bandeo«, producido por algunas cámaras en situaciones de muy baja luminosidad y con ISO’s altas. Este ruido de bandeo se caracteriza por una agrupación del ruido de luminancia en un patrón de bandas verticales u horizontales:

Ruido «Sal y pimienta» o  ruido impulsional: Más que un defecto de la imagen, este ruido se puede considerar como diagnóstico de un problema del mismo sensor. Se caracteriza por la aparición de píxeles blancos sobre píxeles negros, o al revés:

Píxeles calientes: bajo esta denominación nos encontramos con una colección de problemas que conducen a que un píxel o grupo de ellos en nuestros sensores no se comporten de la forma esperada. Los píxeles calientes son fotorreceptores que siempre devuelven una intensidad máxima de luminosidad, aunque no estén recibiendo dicha luminosidad de ninguna fuente real. Comom consecuencia, nos podemos encontrar con estos píxeles calientes bajo la forma de puntos aislados de un color extraño. Es normal que un sensor cuente con uno o varios de ellos «de fábrica», y son fácilmente eliminables mediante software. No obstante, pueden ir apareciendo más conforme nuestro sensor envejezca, y bajo ciertas circunstancias (como la fotografía de larga exposición), un píxel o grupo de ellos puede «calentarse» temporal o permanentemente.

Conclusiones

Este artículo cierra el capítulo de FLAC dedicado al sensor. Si habéis seguido la serie hasta ahora, creo que habréis entendido cuán relevante es este pequeño aparatito a la hora de conseguir imágenes de calidad, y cuánto de compromiso y limitaciones técnicas hay en la elaboración de los sensores digitales. Conocerlos bien, tener controladas sus limitaciones naturales y específicas de cada modelo puede ser la diferencia entre obtener imágenes impecables o fotos un poco menos perfectas. Aunque, naturalmente, el sensor no trabaja solo. En el siguiente capítulo de la serie, que como el precedente estará dividido en varias entregas, pasaremos a analizar otro de los componentes críticos, eso sí, esta vez un poco más vistoso: las lentes u objetivos.

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