INTRODUCCIÓN

El presente artículo trata de profundizar en los porqués de las diferencias existentes entre un sistema fotográfico de captura analógica y su equivalente en digital, así como plantear las diferencias de uso que habrá de darse en digital para hacer un aprovechamiento óptimo de nuestras cámaras.

Una cámara analógica y una cámara digital pueden a simple vista parecer dispositivos muy similares tanto en aspecto como en funcionamiento; después de todo ambas tienen la finalidad común de realizar fotografías.

Podría caerse en el error por tanto, y los fabricantes contribuyen a ello haciendo grandes esfuerzos en que el fotógrafo argéntico se sienta lo más cómodo posible con su nueva máquina digital, de concluir que lo único que diferencia una cámara analógica de una cámara digital es el formato de salida.

Así son habituales los casos en que experimentados fotógrafos analógicos fallan al considerar que su nueva cámara digital funciona del mismo modo que lo hacía su antigua cámara analógica, y pretenden explotarla del mismo modo que lo hacían en el pasado y basándose en las mismas premisas.

Y es precisamente en el inicio de la cadena fotográfica: la captura, donde se dan las mayores diferencias entre la forma en que una cámara digital y una cámara de película interpretan la escena bajo observación, y es por esto mismo en la captura donde tiene mayor trascendencia adecuar la forma de actuar al nuevo medio digital si lo que se pretende es obtener un resultado de la mayor calidad posible. Es un error asumir que luego podremos solucionar en postprocesado aquello que no hicimos bien en la toma; solo con una captura óptima podremos llegar al mejor de los posibles resultados.

Cuando no se tienen en cuenta las importantes diferencias entre ambos sistemas, los conocimientos previos sobre fotografía y exposición argéntica pueden dejar de resultar una ventaja llegando a convertirse en un lastre para el dominio de la nueva técnica. Una cámara digital puede usarse si se desea del mismo modo que una cámara analógica, pero que sea posible no implica que sea idóneo. Establecer continuas similitudes entre los parámetros que definen el funcionamiento de una cámara analógica y una digital en muchas ocasiones no solo no es lo más sencillo, sino que además no es ni tan siquiera conceptualmente correcto.

El artículo se dividirá en varias secciones donde se analizarán algunos de los conceptos fundamentales de la fotografía argéntica y se demostrará como, o bien necesitan ser reinterpretados para ser aplicados en las nuevas cámaras digitales, o bien directamente han perdido su sentido en el mundo digital.

Un sistema digital nos lo pone en realidad más fácil que un sistema analógico para obtener mejores resultados: primero simplificando la captura, y segundo flexibilizando enormemente el procesado. En este artículo nos referiremos más al primer aspecto y veremos como la conclusión final será que la exposición y la captura óptimas en digital se simplifican. Basta tener claro el concepto de cómo funciona la cámara y tomar ciertas precauciones fácilmente asimilables.

RESPUESTA DE UNA PELÍCULA ANALÓGICA vs RESPUESTA DE UN SENSOR DIGITAL

El primer elemento que encuentra la luz cuando incide en una cámara analógica o digital es de una naturaleza totalmente diferente en ambas. Mientras el negativo argéntico es una emulsión química que gana opacidad a mayor cantidad de luz incidente sobre la película, el sensor es un dispositivo electrónico contador de fotones.

Que sus naturalezas sean diferentes no sería problema si su comportamiento fuera similar, pero desgraciadamente no lo es:

• La película responde de forma no lineal a la luz incidente de modo que duplicar la intensidad luminosa no implica el doble de densidad en el negativo, sino un salto de densidad absoluto aproximadamente constante.
• El sensor en cambio es un dispositivo lineal, y la señal que va a producir a su salida será por lo tanto directamente proporcional en un amplio rango al estímulo recibido (número de fotones).

Veamos las curvas características de respuesta de ambos elementos. El eje X de las siguientes gráficas representa la cantidad de luz recibida en escala logarítmica, de modo que cada incremento en 1EV implica el doble de luz recibida.


RESPUESTA DE UNA PELÍCULA ANALÓGICA

He tomado la curva de respuesta de la película Kodak Supra 100 que ya no se fabrica pero tiene una respuesta típica de la forma:


Fig. 1 Curvas de respuesta RGB de película argéntica. Ejes Log-Densidad (~Gamma).

Como puede verse a lo largo de un rango considerable la respuesta de la película a un aumento logarítmico (por pasos de diafragma) del estímulo aplicado es casi una recta. Esto delata precisamente la no linealidad de este tipo de soporte cuya respuesta es muy similar a la del ojo humano: cada vez que se dobla el estímulo luminoso se percibe como un incremento absoluto y constante de sensación, no proporcional a la magnitud de la excitación.


RESPUESTA DE UN SENSOR DIGITAL

Para conocer de primera mano la respuesta a la luz de un sensor digital he realizado con mi cámara una serie de medidas sobre carta gris (una pared blanca para ser más exactos) cubriendo el total del rango dinámico del sensor desde la saturación completa de sus 3 canales hasta las sombras más profundas.

En total he usado 37 tomas separadas 1/3 de diafragma comprendiendo 6 diafragmas por encima y 6 diafragmas por debajo de la medida de luz sobre la carta que hizo el fotómetro de la cámara.

Para replicar la respuesta al estímulo de un sensor digital en los términos que Kodak facilita sus curvas (eje X logarítmico, eje Y respuesta no lineal similar a la visión humana), necesitaremos aplicar una compensación gamma a la señal producida por el sensor, escala que más se asemeja a una progresión analógica de densidades.

En concreto he aplicado una gamma pura sobre la entrada normalizada con el coeficiente típico 2,2 de la forma:

OUT_gamma = 255 * (IN_lin/Max)^1/2.2

La gráfica se presenta para cada canal por separado. No debemos olvidar en ningún momento que nuestro sensor, por la forma en que está definida la matriz de Bayer, constituye en realidad un conjunto de 3 sensores en uno operando cada uno sobre una banda de longitudes de onda y con una diferente sensibilidad. La gráfica obtenida es la siguiente:


Fig. 2 Curvas de respuesta RGB de sensor digital. Ejes Log-Gamma.

La gráfica se ajusta fantásticamente a la esperada según la teoría. Para comprobarlo el que lo desee puede descargarse un Simulador de gamma en Excel que calcula la forma de la curva teórica en gamma pura para un valor dado de gamma y de rango dinámico disponible en las luces desde el gris medio del sensor.

Tan solo en la parte final de la curva para el canal azul se percibe una alinealidad donde dicho canal genera un nivel mayor al esperado. El motivo pudiera ser que el canal B en esa región se haya visto afectado por la saturación completa de todas las celdas R y G que lo rodean.

Como era de esperar las Fig. 1 y 2 tienen poco que ver. En realidad representar de este modo la respuesta del sensor no tiene mucho sentido por un doble motivo: no permite evaluar el grado de linealidad del dispositivo, y además la elección de la gamma es totalmente arbitraria y puede no ser una compensación en gamma pura la que finalmente se aplique a la imagen.

Si lo hemos hecho ha sido precisamente para poder comparar con la curva argéntica. La muy diferente respuesta a la luz que tiene un sensor digital respecto a una película química es la principal causante de las diferencias que se dan entre ambos sistemas de captura de imagen, y condiciona que el funcionamiento óptimo de uno y otro requiera una forma de actuar diferente como veremos en el apartado de exposición en digital.

Como lo lógico es mostrar la respuesta del sensor con la misma escala en los dos ejes representemos ahora la información en la siguiente gráfica con ambos ejes logarítmicos:


Fig. 3 Curvas de respuesta RGB de sensor digital. Ejes Log-Log.

Esta gráfica es absolutamente contundente para constatar la linealidad del sensor. Vemos como éste responde linealmente al estímulo de entrada sin presentar ningún comportamiento asintótico en la zona cercana a la saturación como sí hace la película quimica; y lo hace así desde un rango muy bajo de luminosidades (aprox. 9 diafragmas por debajo de la saturación en el sensor analizado), hasta el mismísimo punto de saturación.

Coloquialmente diríamos que el sensor es un tío legal, teniendo esto importantes implicaciones a la hora de realizar todo tipo de procesados lineales de la imagen.

De nuevo puede verse, obviamente aquí con más claridad, la ligera alinealidad que comentábamos antes en el canal azul y que afecta al último diafragma. De ser cierta la hipótesis de que se debe a que en esta región los captores azules están completamente rodeados por captores saturados, no sería preocupante en absoluto ya que es una situación extrema que rara vez se dará en una captura real.

Del mismo modo por el lado de las sombras podemos ver que en esta cámara la linealidad de la respuesta se ve comprometida a partir del 9º diafragma más bajo, es decir a partir del valor OUT=-9EV. Me atrevería a dar los siguientes motivos para explicar tanto las oscilaciones de la gráfica como su tendencia a tener un valor de salida mayor al esperado:

• El ruido, que se hace muy grande respecto al valor de la señal en esas regiones tan oscuras.
• El hecho de que en el revelado se ha realizado la sustracción del offset de negro, proceso propio del revelado RAW y que provoca que los valores de ruido tengan en esa zona una media no nula y positiva.

Como último ejercicio para comprender la representación gráfica de la respuesta lineal del sensor, vamos a establecer la correspondencia entre la misma y el histograma resultante del revelado RAW.

En concreto he tomado el de la muestra correspondiente a la medida sin compensar del fotómetro de la cámara (0EV), y puede verse como cuadra perfectamente con los valores de la gráfica en cada canal; como no podría ser de otra forma pues la gráfica viene de promediar el nivel encontrado en cada una de las capturas que realicé:


Fig. 4 Correspondencia entre histograma en gris medio y curva de respuesta.

Dada la linealidad de la gráfica, está claro que si representáramos el histograma para otros valores de exposición se produciría un desplazamiento uniforme del mismo a lo largo del eje logarítmico.


SATURACIÓN PARCIAL DE CANALES DEL SENSOR

Hasta ahora hemos analizado la respuesta del sensor como 3 canales independientes, y es en realidad ésa la forma que nos da un visión completa de lo que está ocurriendo con la imagen digital. Pero en último término estos 3 canales se combinan para formar un tono o una luminosidad, en fotografía en color y en BN respectivamente.

Hemos visto que la respuesta del sensor en cada canal por separado es una recta. Así no aparece en la curva de respuesta del sensor el codo de altas luces que tiene la película química sino que el sensor es lineal en cada canal hasta llegar prácticamente a su saturación con lo que la respuesta "suave" en forma asintótica que presenta la película química en la región de altas luces ya no se va a dar en cada canal por separado. Si la curva de la Fig. 1 tuviera su eje Y en escala logarítmica podríamos ver con mucha claridad el codo de altas luces asintótico que presenta.

Pero si ahora combinamos la información de los 3 canales de color en un valor de luminosidad, por ejemplo siguiendo por ejemplo el criterio de la norma CCIR para vídeo: Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B, veremos como aparece un codo ficticio que aparenta cierto "aterrizaje suave" de la luminosidad en las altas luces del sensor digital:


Fig. 5 Curva de respuesta en luminosidad de sensor digital con codo de altas luces. Ejes Log-Gamma.

Pero no ha de confundirse dicho codo con una posible respuesta no lineal del sensor en las altas luces ya que viene producido porque los canales RGB no se saturan simultáneamente: poco antes del valor de exposición +4EV el canal G se satura, y pasado dicho valor ya solo el canal B aporta variabilidad a la luminosidad.

El motivo de que esto ocurra es la diferente sensibilidad del sensor en cada uno de los canales unido a la composición cromática particular de la escena, lo que provoca una saturación parcial de canales que se prolonga en el sensor analizado por aproximadamente un diafragma y medio antes de alcanzar la saturación total (blanco puro) de los 3 canales de color.

A raíz de estas consideraciones, es importante notar que:

• Si bien en fotografía digital en BN este codo de la luminosidad puede resultarnos beneficioso para disfrutar de un cierto "comportamiento analógico" en las altas luces de la escena...
• En fotografía digital en color la saturación parcial de canales puede tener resultados desastrosos, especialmente si se trata de áreas amplias, por la aparición de tonos incorrectos y que posiblemente ninguna herramienta de recuperación de altas luces va a poder restituir.

En la siguiente imagen he simulado el efecto que puede tener en los tonos una saturación parcial de canales. Para ello en una imagen sin canales quemados, he aumentado la exposición para dar lugar a una saturación parcial del canal rojo, restituyendo después la exposición global de la imagen al nivel original.

Las áreas no afectadas por la saturación parcial quedan intactas, pero las zonas luminosas donde sí que se quemó algún canal han virado a un tono que no es el original de la escena, resultando más amarillento en este caso por defecto de rojos (ver zona de polvo bajo la panza de la cebra):


Fig. 6 Efecto de virado indeseable de tonos por saturación parcial.

Hay que tener por lo tanto claro que la sobreexposición accidental en digital de uno o más canales puede tener consecuencias más graves de las que se daban en analógico debido precisamente a lo abrupto de la saturación de cada canal individual. El sensor no avisa, pasando en un estrecho tramo de exposición antes de la saturación de funcionar de un modo completamente lineal a resultar quemado. La película química tiene unas altas luces más bondadosas que exigen menos precisión en aras de no perder información.

Sin embargo no todo son malas noticias. De hecho es más bien al contrario, en digital basta cuidar el detalle de no quemar ningún canal en las áreas de altas luces de la escena para poder llegar a tener un control total de la distribución de densidades en toda la escena con una simple curva de postproceso. Esto se verá en el ya citado apartado de exposición en digital. Cuando se dispone de una buena captura sacar partido de ella en postproceso es mucho más sencillo.

MEDICIÓN DE LUZ EN DIGITAL. NIVEL DE GRIS MEDIO

Uno de los parámetros aparentemente inamovibles en fotografía analógica es el concepto de "gris medio", es decir, el nivel de gris de la imagen final con el que el fotómetro de nuestra cámara va a hacer coincidir la luminosidad del área de la escena sobre la que se ha realizado la medición de luces.

Cuando hacemos tal medición, independientemente de lo mucho o poco iluminada que se encuentre la parte medida, la cámara va a calcular unos parámetros de exposición tales que la imagen resultante presentará en dicha zona un tono de gris medio prefijado y centrado en la escala tonal de grises, acomodándose el resto de luminosidades de la escena por encima o por debajo de dicho nivel de gris en función de sus luminosidades relativas respecto al área medida.

En digital va a seguir existiendo el concepto de "gris medido" como aquel nivel de gris al que la cámara va a trasladar la luminosidad de las áreas medidas con el fotómetro de la misma, pero no solo no va a ser ya un gris intermedio en la escala tonal de grises sino que además va a ser un nivel totalmente diferente de una cámara a otra.

Así el concepto de gris medio va a dejar de ser una referencia inamovible y común a todos los fotómetros de cámaras para convertirse en un simple parámetro de diseño de la cámara digital, escogido de manera más o menos arbitraria y/o conveniente por sus diseñadores en base a criterios de ruido y relación entre los parámetros físicos de exposición (velocidad y apertura de diafragma), y el nivel correspondiente generado en el archivo RAW.

El tipo de medición empleado (puntual, ponderada, evaluativa,...) determinará qué porción de la escena y con qué peso va a entrar en la lectura de luces, pero el concepto para todo lo explicado es independiente del modo escogido.

La localización del gris medio en digital vendrá determinada por el nivel generado para el mismo en el rango dinámico del sensor, quedando perfectamente caracterizado con tan solo conocer su posición relativa al punto de saturación de éste. Así el gris medio de una cámara digital podrá expresarse como el rango de diafragmas de margen que quedan desde dicho nivel de gris hasta saturar.


GRIS MEDIO DE DIFERENTES CÁMARAS

Para demostrarlo vamos a analizar los niveles generados en archivos RAW reales generados por varios modelos de cámaras cuando con ellas se realiza una medición sobre una carta gris.

Ni las cartas empleadas ni las iluminaciones usadas fueron uniformes en todas las pruebas, pero esto no invalida el experimento pues se trata de comparar niveles de luminosidad generados en el archivo RAW, y estos deberían ser muy similares pese a las posibles discrepancias en el cromatismo de las escenas captadas si fuera cierto que todas las cámaras tienen el mismo gris medio.


Fig. 7 Histograma gris medio Canon 350D.


Fig. 8 Histograma gris medio Nikon D50.


Fig. 9 Histograma gris medio Minolta Dynax 7D.

Lo que vemos arriba son los histogramas RGB resultantes de un revelado lineal sin aplicar el balance de blancos, por lo tanto son reflejo fiel de los niveles de exposición respecto a la saturación alcanzados por cada canal en el archivo RAW al hacer una medición según el fotómetro de cada cámara.

Ya en modo RGB se intuye que la exposición obtenida en cada uno ha sido diferente, pero como están afectados por el cromatismo de cada escena particular y por las distintas sensibilidades relativas de los canales en cada cámara, para tener más claras las diferencias vamos a aplicar el balance de blancos preservando la luminosidad para ver en qué nivel de gris resulta cada cámara.

Los niveles lineales medios de partida para cada cámara y canal, mostrados en escala 0..255 por simplicidad, son los siguientes:

• Canon 350D: R=14,73 G=17,05 B=6,27
• Nikon D50: R=11,80 G=30,10 B=20,32
• Minolta Dynax 7D: R=50,25 G=49,69 B=16,09

Al hacer la conversión a luminosidad de acuerdo a la norma Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B se tienen los siguientes niveles lineales y situación respecto a la saturación en el histograma logarítmico:

• Canon 350D: Y=15,13 que se situaría en -4,08EV
• Nikon D50: Y=23,51 que se situaría en -3,44EV
• Minolta Dynax 7D: Y=46,03 que se situaría en -2,47EV (a 1,6EV de la Canon 350D)

Con las relaciones entre niveles RGB de partida y finales no necesitamos más para calcular los factores multiplicadores requeridos para lograr el balance de blancos manteniendo la luminosidad:

• Canon 350D: R=15,13/14,73=1,027 G=15,13/17,05=0,887 B=15,13/6,27=2,413
• Nikon D50: R=23,51/11,80=1,993 G=23,51/30,10=0,781 B=23,51/20,32=1,157
• Minolta Dynax 7D: R=46,03/50,25=0,916 G=46,03/49,69=0,926 B=46,03/16,09=2,861

Por tratarse de cartas de color uniforme, el cálculo de la luminosidad es equivalente a realizar un balance de blancos igualando los niveles RGB. Así, balanceando en lineal las capturas originales con curvas que implementen los multiplicadores calculados se pueden obtener y comparar las localizaciones de los valores absolutos de luminosidad del gris medio en el histograma:


Fig. 10 Histograma gris medio Canon 350D balanceado en blancos.


Fig. 11 Histograma gris medio Nikon D50 balanceado en blancos.


Fig. 12 Histograma gris medio Minolta Dynax 7D balanceado en blancos.

Podemos ver que los márgenes en EV hasta la saturación que definen el gris medio en luminosidad de cada una de las cámaras evaluadas casan perfectamente con los que calculamos al principio. Es de notar que en esta escala logarítmics, es una buena aproximación asimilar la situación del gris medio respecto a la saturación al nivel alcanzado respecto a la misma por el canal que resulte más expuesto, especialmente si se trata del canal verde. Ello es debido a la mayor contribución a la luminosidad de dicho canal verde, así como de los canales que resulten más expuestos en general.

Si ahora les aplicáramos una compensación gamma pura con gamma=2,2 se tendrían los siguiente niveles medios finales en gamma compensada:

• Canon 350D: Y_g2.2=70,62
• Nikon D50: Y_g2.2=86,29
• Minolta Dynax 7D: Y_g2.2=117,10

En lugar de hacer esto, voy a aprovechar el perfil sRGB en Photoshop que emplea una gamma 2,2 en la zona media y alta del rango por lo que el resultado debiera ser muy similar.

Para ello abro las capturas reveladas en lineal con DCRAW en Photoshop, asignando una versión de sRGB con gamma=1,0. Tras balancearlas en blancos con curvas que implementen los anteriores multiplicadores, las convierto a sRGB con gamma=2,2 obteniendo así los niveles de gris esperables tras la compensación gamma:


Fig. 13 Tonos captados sin balance de blancos y grises medios en gamma compensada sRGB.

Los niveles obtenidos con la gamma del sRGB son muy similares a los que antes calculamos numéricamente.

Cada cámara ha dado lugar a un nivel de gris completamente diferente. Esto puede comprobarse fácilmente con tal de introducir en nuestro revelador habitual cualquier par de capturas hechas sobre carta gris con dos cámaras diferentes, revelarlas de manera totalmente neutra e idéntica, y comparar los niveles de gris obtenidos. Muy difícilmente se tendrá el mismo resultado en ambas.

Y no solo serán diferentes al comparar entre cámaras, sino que como hemos visto el nivel de gris final tras la compensación gamma dependerá precisamente de la gamma aplicada. Esto puede constatarse con tan solo cambiar en el revelador el espacio de color de salida de uno con gamma 2,2 (sRGB o AdobeRGB) a uno de una gamma diferente, por ejemplo 1,8 (ProPhoto). Veremos que el mismo RAW con parámetros de revelado idénticos genera un nivel de gris dependiente de la gamma del espacio de color de salida.

Pero todo esto no tiene porqué escandalizarnos en absoluto ya que por la forma en que se va a procesar el archivo RAW en cada cámara (en caso de tirar en JPEG) o las facilidades de revelado y edición que tendremos (caso de tirar en RAW), no hay ninguna necesidad de que el nivel de gris medio que generan todas las cámaras digitales en sus archivos RAW sea el mismo, ya que en el procesado de dichos archivos RAW con una simple curva vamos a poder reacomodar toda la gama tonal.

Como explica René Bouillot en su libro 'Curso de tratamiento digital de la imagen': "En el campo de la fotografía artística, la tecnología digital presenta una ventaja considerable frente a la argéntica: es posible conformar con gran precisión la curva de transferencia para que se acople exactamente a las características físicas y estéticas de la imagen, es decir, que uno no se halla limitado, como antes, por las curvas características de la película y/o del papel, que solo pueden modificarse muy poco cambiando el revelador o el tiempo de revelado".

Esta discrepancia de gris medio es con gran probabilidad la fuente de todas las quejas que las Canon 350D y 400D han tenido respecto a su tendencia a subexponer. Dicha subexposición pudiera resultar molesta, pero no es tanto un defecto como un parámetro de diseño y puede corregirse sin problema sin más que dejar fija una determinada compensación de la exposición al alza.


EL 128 DE PHOTOSHOP. ES EL GRIS MEDIO?

Pues sí y no.

Está claro que si cada cámara genera un gris medio diferente, difícilmente podremos calificar el 128 de las imágenes de Photoshop y demás programas de edición en gamma compensada como el nivel de gris correspondiente al gris medio de una cámara, al menos a priori.

Como hemos podido ver, ninguna de las tres cámaras analizadas han arrojado un nivel 128 de gris tras un revelado con balance de blancos preservando la luminosidad seguido de una compensación gamma pura típica 2,2, sino que han quedado en niveles bastante inferiores.

Pero por otro lado, atendiendo más a un entorno de edición donde ya poco nos importa el origen de la imagen y los niveles que alcanzara la misma en el archivo RAW, sí podríamos calificar el 128 como gris medio dado que es el punto medio de la gama tonal en gamma compensada.

Teniendo claros los conceptos, y sabiendo que la correspondencia entre el nivel 128 y el verdadero gris medio de la cámara normalmente no se va a dar, la elección de calificarlo como un gris medio de algo es a mi juicio bastante irrelevante.

Como dato curioso, puede establecerse la condición que ha de cumplir una cámara digital para que su gris medio (el generado por el fotómetro) coincida exactamente con el nivel 128 tras aplicar la compensación gamma...

CONTINUARÁ...


RANGO DINÁMICO DE LUCES Y DE SOMBRAS



EMULAR EL GRIS MEDIO DE OTRA CÁMARA CON COMPENSACIÓN DE EXPOSICIÓN



COMENTARIO SOBRE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE DPREVIEW Y SIMILARES

SISTEMA DE ZONAS EN DIGITAL

EXPOSICIÓN EN DIGITAL. DERECHEO DEL HISTOGRAMA

LEY DE RECIPROCIDAD

INTERFACE MAN-MACHINE. SE EQUIVOCAN LOS FABRICANTES DE CÁMARAS?

CONCLUSIONES

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