INTRODUCCIÓN

Hace unos días, en el hilo de Luminous Landscape donde se debatía el artículo Precise Digital Exposure, surgía el recurrente tema de si alterar la exposición en la captura tiene consecuencias en los colores que vamos a obtener después, al restaurar dicha exposición en el procesado del archivo RAW.

Este asunto tiene su interés porque es muy habitual en fotografía digital realizar correcciones de exposición de cierta envergadura en postproceso. Y no solo cuando se ha cometido un error de exposición o simplemente ésta se quiere afinar, sino también de manera deliberada como cuando se procesan capturas hechas con intención de:

• Derechear el histograma para minimizar el ruido
• Subexponer para salvar altas luces (típ. en sensores sin ISO)
• Realizar un ahorquillado de exposición con un procesado HDR en mente

Con la teoría sobre cómo funciona un sensor digital en una mano, y la práctica de haber hecho unas cuantas correcciones de exposición sin alteraciones del color en la otra, voy a tratar de demostrar que modificar la exposición en la captura o en el procesado, no tienen per se influencia en la reproducción del color, y que si se producen desviaciones en éste no se deberá a la elección de la exposición en la toma sino al software de edición empleado para corregirla.

DE QUÉ NO TRATA ESTE ARTÍCULO

Por si en la introducción no queda claro y dado el confuso título del artículo (elegido para que resulte manejable), quisiera resaltar de qué no trata el mismo: no vamos a estudiar si cambiar la exposición a secas de una imagen (ya sea en la captura o en el procesado) supone alterar los colores que percibiremos en la misma.

Estudiar si al modificar la exposición de una imagen, y en general si al aplicar cualquier tipo de proceso tonal (contraste, brillo,...), se van a modificar los colores percibidos es algo sumamente complejo, y seguramente la respuesta más corta y a la vez correcta sea que cualquier tipo de procesado tonal conlleva en mayor o menor medida un cambio en los colores percibidos, por la discrepancia entre cómo funciona nuestro sistema visual y los medios de representación digitales.

Incluso aunque uno trabaje en Modo Lab y ajuste solo la luminosidad (y podemos extender esta reflexión a la luminosidad de cualquier otro modelo de color: HSL/HSV/HSB/HSI, modos de fusión de Photoshop,...), Lab no deja de ser un modelo, un intento de emular la luminosidad percibida pero con las limitaciones propias de todo sistema numérico digital. Así que grabémonos a fuego que la L* de Lab no es la luminosidad de la imagen, es solo un modelo de luminosidad percibida (probablemente el más logrado hasta la fecha).

En el mundo real, si añadimos más fuentes de luz roja tendremos más fotones rojos de las mismas longitudes de onda impactando en nuestros ojos. Lab hace lo que puede para emular lo que nuestro sistema visual esperaría recibir, pero incurre en inevitables desaturaciones al comprimir las altas luces por estar limitado en su extremo (no hay luminosidades más allá de L*=100):


Fig. 1 Luminosidad L* de Lab vs lo que ocurre en el mundo real.

~~~
El recorrido del artículo sin embargo es mucho menor que todo eso. Se trata solo de ver si cambiar la exposición en la captura para luego restaurarla en la misma medida en procesado, va a alterar el color de nuestra imagen final respecto a exponer directamente en la cámara con la exposición final buscada.

Las conclusiones a sacar sin embargo sí serán importantes porque permitirán, o no, disociar sin complejos la exposición de la toma respecto a la exposición deseada para la imagen final, cosa que no ocurría en fotografía analógica. Con ello responderemos preguntas clave tales como:

• Cambian los colores si cometo un error de exposición y corrijo en revelado RAW?
• Y si derecheo el histograma para reducir el ruido?
• Y si deliberadamente subexpongo para salvar mejor las altas luces?
• Van a cambiar los colores si hago un ahorquillado para HDR y el algoritmo de fusión usa la captura más expuesta posible corrigiéndola a la baja en procesado?

UN EJEMPLO PRÁCTICO

Antes de empezar con las demostraciones, vamos a ver un ejemplo que puede dar pistas de que corregir la exposición en postprocesado sin incurrir en cambios de tono parece algo alcanzable. Se trata de una fusión HDR de 3 capturas separadas 2 pasos entre sí realizada con Zero Noise sobre la siguiente escena para obtener una imagen muy limpia de ruido:


Fig. 2 Imagen obtenida con un ahorquillado {0EV, +2EV, +4EV}.

La peculiaridad de la fusión es que se ha hecho deliberadamente con progresividad nula. Es decir, se ha forzado que cada píxel de la imagen final provenga de una sola captura origen, con el fin de resaltar al máximo las posibles transiciones entre las áreas obtenidas de cada una de la 3 tomas. Pese a ello, por mucho que se mire en el siguiente recorte al 100% es imposible encontrar ningún salto visible de color ni exposición:


Fig. 3 Recorte al 100% de la imagen anterior.

Pasando el ratón por la imagen aparecerá el mapa de fusión, que indica en un tono de gris diferenciado cuál de los 3 archivos RAW fue el escogido para suministrar cada píxel de la región correspondiente. Podemos ver que en las zonas frontera entre una captura y otra la transición es perfecta pese a la fusión abrupta realizada.

Y por qué he empezado con este ejemplo? pues porque las tripas de Zero Noise las ideé consciente de que el programa no funcionaría, o al menos no en fusiones tan radicales en cuanto a progresividad como la anterior, si no era posible corregir la exposición por software sin alteraciones visibles del color. Vamos a ver cómo gracias a la linealidad de los sensores hacerlo no solo es posible sino que además resulta trivial de implementar.

EL SENSOR COMO CONTADOR DE FOTONES

Solo con la teoría sobre el funcionamiento de un sensor digital podemos anticipar todo lo que veremos después. Un sensor no es en esencia más que un contador lineal de fotones. Contador porque convierte los fotones capturados en una señal eléctrica que una vez digitalizada da lugar a un valor numérico en el RAW. Y lineal porque ese valor numérico sigue una proporcionalidad directa muy precisa con el número de fotones recibidos.

Si aumentar la exposición en un paso supone duplicar la cantidad de fotones recolectados en el sensor, por la proporcionalidad descrita los valores numéricos RGB codificados en el RAW también se doblarán:


Fig. 4 Efecto de aumento de exposición de un paso en valores numéricos RAW.

Siendo esto así, obtener en el revelado un RAW "equivalente" al primero resultará tan sencillo como dividir entre 2 todos esos niveles.

Si con una corrección tan básica podemos llegar a los valores RAW que habríamos obtenido con una exposición diferente en la captura, estamos en disposición de afirmar que ambos RAW son en potencia intercambiables, lo cual quiere decir que modificando la exposición en el procesado, podemos obtener un RAW "equivalente" con las mismas características en cuanto a contraste y color que habría tenido alterando la exposición en la cámara.

La siguiente gráfica es fruto de analizar una serie continua de capturas RAW hechas con una Canon 350D sobre un motivo de color uniforme con exposición creciente. En el eje X se representa la exposión respecto al gris medio (0EV), y en el eje Y se muestran los niveles acanzados por cada canal en el archivo RAW respecto a la saturación (0EV):


Fig. 5 Respuesta lineal del sensor.

Su pendiente recta unidad demuestra la gran linealidad del sensor en un amplio rango de niveles de exposición, desde las sombras donde el ruido arruina la precisión de las medidas, hasta la misma saturación de los fotositos del sensor. Este comportamiento es suficiente para pensar, al menos sobre el papel, que los cambios de exposición en la cámara y en el procesado deben ser equivalentes.

En un caso real sí habrá diferencias. A mayor exposición en la captura mejora la relación S/N, fundamento del derecheo del histograma. Y como contrapartida una toma más expuesta podrá tener obviamente menos información de altas luces. Pero en lo que respecta al color capturado en zonas no saturadas, el cual solo depende de las proporciones entre los 3 canales del RAW, el resultado debe ser el mismo cuando se modifica la exposición en la captura y se restaura en el procesado.

CORRECCIÓN LINEAL DE EXPOSICIÓN

Veamos si lo anterior se sostiene en la práctica. Para comprobarlo he realizado con mi Olympus E-P5 una serie de 5 capturas a intervalos de un paso de exposición (modificando la velocidad), sobre una escena de bajo contraste lo más colorida posible, y de forma que en la toma más expuesta ninguna zona del archivo RAW resulte saturada.

Después hemos aprovechado las capacidades de cálculo y corrección de exposición de Zero Noise (últimamente lo uso para todo menos HDR) con el fin de igualar la exposición de las 5 capturas a la de la toma menos expuesta, y así hacer una comparación de color:


Fig. 6 Cálculo exacto de exposiciones relativas de las 5 capturas.

En los anteriores histogramas pueden verse las correcciones aplicadas: la toma +1EV se corrigió por -0,93EV, la toma +2EV por -0,93-1,04 = -1,97EV, y así sucesivamente. Dado que la captura de refencia (0EV) ya resultaba bastante oscura, se aplicó finalmente a todas ellas una misma curva global para levantar las sombras obteniendo las siguientes imágenes:


Fig. 7a Captura con exposición 0EV.


Fig. 7b Captura con exposición +1EV.


Fig. 7c Captura con exposición +2EV.


Fig. 7d Captura con exposición +3EV.


Fig. 7e Captura con exposición +4EV.

Puede verse que el cromatismo es idéntico en tono y saturación, y las mínimas diferencias se deben al ruido creciente a medida que comparamos tomas de menor exposición. Pasando el ratón por encima de la última imagen podremos alternarla con la correspondiente a la captura +2EV, separadas dos pasos de exposición en la toma. Al estar ambas libres de ruido se hacen prácticamente indistinguibles.

Los amantes del pixel peeping pueden ver las imágenes anteriores a más resolución en los enlaces: Captura +2EV y Captura +4EV, y constatar poniéndolas en sendas capas de Photoshop que la única diferencia entre ambas se debe al ruido. Una animación mostrando un composite arbitrario de las dos imágenes: Corrección lineal indetectable.

La única leve discrepancia de tonalidad se da en las zonas más oscuras, especialmente los negros, de la toma menos expuesta. Es una dominante azulada que no está causada por la corrección de exposición, sino que se debe a la contaminación del ruido del sensor en el canal azul por exposición insuficiente. Los ya de por sí habitualmente bajos niveles B del RAW, sufrieron de manera especial al hacer capturas bajo luz de tungsteno que requirieron una fuerte amplificación del canal azul al hacer el balance de blancos.

En otras palabras, las capturas más expuestas, cuyos niveles se corrigieron a la baja, son precisamente las que tienen el color más correcto en las zonas de sombra, además de mostrar mejor los detalles como era esperable:


Fig. 8 Recorte al 100% con dominante azul por ruido de subexposición.

Por si el lector no lo ha imaginado ya, esto permite desmentir que técnicas como el derecheo del histograma o los ahorquillados HDR deban descartarse por miedo a trastocar los colores. De hecho es al contrario! las capturas más expuestas sin quemar información están en disposición de suministrar tonos más correctos, sin desviaciones ni dominantes debidas al ruido, incluso aunque su exposición sea superior a la deseada para la imagen final:

MAYOR EXPOSICIÓN DE LA CAPTURA → MAYOR FIDELIDAD DE COLOR

ANÁLISIS SOBRE UNA CARTA COLORCHECKER

Por cortesía de José Pereira, experto en gestión de color bien conocido en el mundo fotográfico, he repetido el experimento de igualar en exposición dos capturas separadas 2 pasos hechas por él sobre una carta ColorChecker, con el fin de poder medir desviaciones cromáticas en los distintos parches de color.

La diferencia de exposición entre las capturas de la Nikon D90 de José fue muy precisa, estando el RAW más expuesto a punto de empezar a saturar información en los parches más luminosos pero sin llegar a hacerlo:


Fig. 9 Cálculo exacto de exposición relativa de las 2 capturas.

Y aquí el resultado de igualar linealmente la exposición a la de la toma menos expuesta, con balance de blancos sobre la tarjeta gris neutro:


Fig. 10a Captura con exposición 0EV.


Fig. 10b Captura con exposición +2EV.

Pasando el ratón por la última imagen podemos alternarla con la de la captura menos expuesta (0EV). Ambas imágenes fueron analizadas por José hallando las siguientes diferencias de color en los parches normalizados:


Fig. 11a Comparación colorimétrica de dos capturas igualadas en exposición.


Fig. 11b Comparación colorimétrica de dos capturas igualadas en exposición.

Según comenta José, desviaciones de color (deltas E*) por debajo de 3,0 resultan indistinguibles para nuestro sistema visual, cuando en la prueba el delta máximo resultó de 0,77 (26% del mínimo detectable) siendo el promedio 0,3 (10% del mínimo). Así puede decirse que ambas capturas produjeron imágenes colorimétricamente idénticas en todos los parches y con sobrado margen respecto a nuestra capacidad perceptiva.

La imagen siguiente es un composite donde el centro de cada parche proviene de la captura menos expuesta y el resto de la otra. Las diferencias son indetectables como no podía ser de otro modo:


Fig. 12 Composite de parches ColorChecker con transiciones indistinguibles.

Pasando el ratón sobre ella se muestra sin corrección de exposición la captura menos expuesta, delatando los parches interiores. La única ligera diferencia observando recortes al 100% es el nivel de ruido, el cual hace que resulte preferible a efectos de fidelidad del color en los parches más oscuros la toma más expuesta, como ya ocurriera en la prueba anterior.

REVELADORES RAW COMERCIALES

Llegados a este punto queda preguntarse qué pasaría si para la corrección de exposición empleamos un revelador RAW comercial popular: se mantendrán fieles los colores?. Pasando el ratón por la siguiente imagen podemos comparar dos versiones de la misma escena igualadas en exposición a la toma más expuesta (dado que ésta ya tenía zonas quemadas) usando Adobe Camera Raw (ACR):


Fig. 13 Corrección de exposición con ACR.

Aunque los ajustes de revelado, salvo la exposición obviamente, se dispusieron del mismo modo con los dos archivos RAW, y se estableció a 0 cualquier ajuste de brillo, contraste o saturación, se aprecia un leve cambio de los colores, especialmente en la tarima. Por ejemplo la imagen procedente del RAW menos expuesto en la captura (0EV) tiene algo menos de saturación que la resultante del RAW expuesto 2 pasos más y presenta tonos algo más fríos.

La diferencia no es astronómica, pero existe, y por todo lo que hemos visto no podemos sino echarle la culpa a la forma interna en que ACR ha llevado a cabo el ajuste de la exposición.

En realidad esto no es nada nuevo ni motivo de alarma. Eric Chan, ingeniero de Adobe, ha comentado en varias ocasiones en los foros que por la forma en que está diseñado el flujo de revelado interno del motor de ACR, donde por ejemplo la corrección de exposición es posterior al balance de blancos, pueden producirse alteraciones del color al aplicar cambios en la exposición del archivo RAW.

En el revelado se me ocurren tres procesos obligatorios que según se lleven a cabo pudieran desvirtuar el carácter lineal de la captura RAW (el demosaicing no es uno de ellos, ya que solo es una interpolación basada en valores cercanos preexistentes), y por tanto producir cambios de color en el resultado aunque aparentemente se restaure la exposición:

• Balance de blancos: si se aplica como un escalado de cada canal por un valor constante no se rompe la linealidad. DCRAW lo hace así.


• Conversión a perfil de color: de nuevo si se lleva a cabo multiplicando cada terna {R, G, B} por una matriz 3x3 constante no se rompe la linealidad. DCRAW lo hace así también.


• Compensación Gamma: si la gamma es pura (potencia 1 / g), aunque ya no se puede hablar estrictamente de tener datos de salida lineales, sí lo son a efectos de poder realizar cambios de exposición genuinos sobre ellos mediante un posterior escalado de los valores RGB en gamma. Esto ocurre gracias a la siguiente propiedad de la función potencia:
  
  (f * N) ^ (1 / g) = f’ * N ^ (1 / g)
  Siendo N un valor RGB normalizado entre 0 y 1, y f el escalado constante para corregir la exposición, f’ = f ^ (1 / g) sería el factor a usar si la imagen ya estuviera en gamma g.

En los ejercicios que hicimos donde el color no resultaba alterado se cumplieron las tres premisas. Como Zero Noise revela con DCRAW, el balance de blancos y la conversión al perfil de color preservaron la linealidad. Por otro lado el programa aplica una gamma pura por lo que la imagen resultante podía ajustarse linealmente en exposición con un escalado de los canales sin alteración del color.

Aunque no es imprescindible hacerlo así, por simplicidad Zero Noise ejecuta la corrección de exposición antes de aplicar la gamma:

ROUT = (RIN / 65535 * rEC ) ^ ( 1/rG ) * 65535
GOUT = (GIN / 65535 * rEC ) ^ ( 1/rG ) * 65535
BOUT = (BIN / 65535 * rEC ) ^ ( 1/rG ) * 65535

Donde {RIN, GIN, BIN} es el color del píxel en formato entero de 16 bits lineales tal cual resulta del revelado con DCRAW, rEC<1 es el factor lineal de corrección de exposición a la baja y rG es la gamma del perfil de color de salida (típ. 2,2 en sRGB/AdobeRGB y 1,8 en ProphotoRGB). El resultado {ROUT, GOUT, BOUT} va directo al TIFF de salida.

ACR en cambio hace un balance de blancos más sofisticado (matricial), que ignoro si pudiera romper la linealidad. Su conversión al perfil de salida creo que sí es lineal porque es como la de DCRAW, de hecho David Coffin (autor de DCRAW) toma prestadas de Adobe las matrices de conversión, pero ACR luego puede aplicar un perfilado propietario (DCP). También la gamma de ACR es un misterio; por lo visto en el artículo Cómo afectan ACR y Photoshop a los niveles de la imagen pareciera que ocurren “cosas raras” en la región cercana al negro. Tampoco sabemos el efecto interno de sus recuperaciones de sombras y luces, que cada vez se hacen más difíciles de desactivar o de saber cuándo y dónde están actuando. Para más inri, ACR aplica correcciones clandestinas de exposición transparentes al usuario y adaptadas a cada cámara (codificadas ya sea en los metadatos del RAW o en el propio programa); así que cuál es la "exposición correcta" entonces? la que se obtiene cuando ponemos en ACR 0.0EV o aquélla con la que se cancelase la corrección oculta?.

Adonde quiero llegar es a que es comprensible que los reveladores RAW comerciales, con todas las funcionalidades que tienen, no logren mantener las condiciones de linealidad requeridas para realizar ajustes de exposición sin desplazamientos de color. Así no será de extrañar que sacrifiquen la cadena lineal teniendo como consecuencia que los cambios de exposición aplicados en ellos ya no sean 100% equivalentes a lo que se habría obtenido haciéndolo en la cámara.

CONCLUSIONES

En el presente artículo hemos pretendido desvelar si modificar la exposición en la cámara para llevar luego a cabo una corrección de la misma en postprocesado, conlleva necesariamente una alteración del color. Responder a esta cuestión tiene su importancia al darse de forma habitual en fotografía digital procesos que implican correcciones considerables de la exposición por software, tales como el derecheo del histograma, las capturas deliberadamente subexpuestas para asegurar las altas luces, o los ahorquillados para obtener imágenes HDR.

De acuerdo a la teoría de cómo funciona un sensor digital, y acompañada ésta de pruebas de revelado y corrección de exposición 100% lineales, hemos podido comprobar que es factible modificar la exposición por software sin sufrir ninguna alteración cromática. Esto tiene como consecuencia que el ajuste de exposición en la cámara y en procesado pueden ser intercambiables a efectos del color, existiendo como única diferencia entre ambos el nivel de ruido logrado. Éste será siempre menor en las capturas con mayor exposición en la cámara, permitiendo en ellas una reproducción de tonos más fiel al minimizarse las posibles dominantes de color debidas al ruido.

Al repetir el experimento con un revelador RAW comercial estándar (ACR), y ver que en ese caso sí se producen cambios leves de tono, concluímos que estos tienen su origen en una falta de linealidad del programa a la hora de corregir la exposición, no siendo atribuíbles a la naturaleza del sensor ni por lo tanto al hecho de alterar la exposición en la cámara. Las diferencias en cualquier caso con software comercial deberían ser muy pequeñas ya que, de no ser así, éste demostraría ser poco respetuoso con la captura a efectos de gestión del color.


~~~

Si este contenido te ha resultado útil, considera realizar una contribución para asegurar la continuidad de esta web. Mantenerla supone un importante esfuerzo, así como un espacio y ancho de banda considerables en el servidor. Es una operación sencilla y totalmente segura.