INTRODUCCIÓN

Hace un par de días actualicé el tutorial Medición de ruido y rango dinámico. Canon 5D vs 5D2 vs 7D vs Pentax K5 para añadir a la comparativa precisamente esa última cámara, la Pentax K5.

Aunque la motivación de dicho tutorial no era estudiar ninguna cámara en concreto, sino exponer un método para analizar el rendimiento de cualquier sensor en lo que se refiere al ruido, los resultados obtenidos para la Pentax K5 merecen algunas reflexiones.

De ese modo voy a extraer y ampliar algunas consideraciones que se hacían allí, y que en realidad no tienen conexión directa con el procedimiento de medida que se trataba de describir.

Con el título de este artículo no se pretende ni mucho menos insinuar que el sensor analizado sea perfecto. Simplemente considero que supone una mejora cuantitativa y cualitativa importante respecto a lo precedente, y esto hace pensar que lo que se avecina pueda acercarse bastante a un sensor ideal en cuanto al ruido y el rango dinámico.

EL SENSOR PERFECTO

Sony ha diseñado recientemente un nuevo sensor APS-C de 16,2Mpx con denominación EXMOR IMX071, que en diferentes variantes ya llevan varias cámaras como la mencionada Pentax K5, la Nikon D7000 o la Sony A580.

Se trata de un sensor que según todos los indicios marca un salto importante en lo que se refiere al ruido y al rango dinámico con valores de ISO bajos, gracias a que a ISO80/100 su curva de relación S/N decrece muy lentamente conforme la exposición obtenida en el RAW va siendo más pobre:

Fig. 1 Curvas de relación S/N por píxel.

Si nos fijamos en la curva amarilla a ISO80, vemos que tiene una pendiente notablemente menor que las de las otras cámaras a ISO100. Esto condiciona que la relación S/N se deteriore más lentamente a medida que nos vamos a niveles de exposición bajos, de modo que se requerirá una subexposición más fuerte para que el ruido arruine la información útil.

Una respuesta del sensor con esa baja pendiente se logra con un diseño de muy bajo ruido de lectura (electrónica del sensor), de modo que en un amplio rango de exposiciones el ruido dominante sea el ruido fotónico (tamaño y eficiencia de los fotocaptores). En zonas donde el ruido fotónico es el dominante, la pendiente de la curva siempre es menor que cuando el ruido de lectura es el principal.

Que a ISOs bajos la relación S/N empeore más lentamente que en otras cámaras al reducir la exposición del RAW, hace que en este tipo de sensor el derecheo del histograma con estos valores bajos de ISO, sin dejar de ser la forma óptima para minimizar el ruido visible final, no sea tan crítico por tener un efecto menos determinante.

RANGO DINÁMICO

La inmediata consecuencia de lo visto es un menor ruido visible en las sombras profundas a bajo ISO, o lo que es lo mismo una mayor capacidad de captura de rango dinámico que otras cámaras.

Usando un mismo criterio de rango dinámico (umbral de relación S/N de 12dB y normalizando a la resolución de una Canon 5D clásica), se obtiene que pese a ser un sensor de tamaño APS-C, esta Pentax llega a superar en casi 2 pasos el rango dinámico de la Canon 5D Mark II con sensor FF:

Fig. 2 Rango dinámico medido sobre las curvas S/N (criterio S/N=12dB).

En lo que a rango dinámico se refiere, la Pentax K5 es una cámara bastante superior a toda una Canon 5D Mark II cuando las colocamos en un trípode (ISO bajo). Sin embargo disparando a pulso en aplicaciones con poca luz (ISO alto), el mayor sensor FF se hace valer y supera al de la Pentax.

La siguiente gráfica extraída de DxOMark muestra la evolución del rango dinámico máximo (menor ISO) de los sensores con el tiempo:

Fig. 3 Evolución del rango dinámico de los sensores.

Los valores siguen el criterio de rango dinámico propio de dicha web (relación S/N=0dB y normalizando a 8Mpx). Por esto son cifras absolutas bastante superiores a las que hemos obtenido en nuestro análisis, pero perfectamente válidas para comparar entre sí el histórico de cámaras.

Puede verse que el sensor de las Pentax K5/Nikon D7000 está en la cima, solo acercándose a su nivel de rendimiento sensores cuyo alto rango dinámico tiene una clara explicación:

Las Fuji S3 Pro y S5 Pro lo logran gracias a la especial tipología de su sensor, no exento de otras desventajas como vimos en el artículo Fuji Super CCD. HDR en la cámara
La Nikon D3X sorprendió en su día por un logrado sensor en cuanto al ruido, pero juega con ventaja por ser de formato FF
Ya a distancia los respaldos digitales Phase One, que obviamente por formato de sensor no podrían sino arrojar un buen rango dinámico

La comparación justa es con el resto de cámaras APS-C. Y respecto a las mejores de ellas, este nuevo sensor supone un aumento de entre 1,5 y 2 pasos completos de rango dinámico, salto muy por encima de lo esperable si atendemos a la progresiva y lentísima mejora tecnológica de este parámetro hasta la fecha.

FIN DEL AHORQUILLADO PARA HACER HDR

Haciendo un cálculo rápido con nuestro criterio de rango dinámico, más realista fotográficamente hablando que el de DxOMark, una cámara FF con igual densidad y tecnología de fotocaptores que la Pentax K5 tendría una resolución de 38Mpx, y un rango dinámico que alcanzaría los 12 pasos efectivos plenamente utilizables.

Para hacernos idea de qué supone esta cantidad en el mundo real, la siguiente escena tiene precisamente 12 pasos de rango dinámico. Por ello al capturarla con una Canon 350D (de 8 pasos rango dinámico efectivo) fueron necesarias dos tomas separadas 4EV:

Fig. 4 Escena de 12 pasos de rango dinámico.

En cambio con una cámara como la hipotética FF antes descrita podríamos capturarla en una sola toma, consiguiendo una cantidad de ruido aceptable en las sombras profundas a la vez que preservamos las vistas a través de las ventanas.

Así pareciera acercarse el día en que deje de ser necesario hacer varias tomas en escenas de alto rango dinámico. Ocurrirá cuando a juicio del usuario, las ventajas de ahorquillar (menor ruido en las sombras), no compensen el engorro de hacerlo (consumo de recursos de tiempo, memoria y procesado, posibles problemas de alineamiento, y probable ghosting en escenas no estáticas).

Las técnicas y programas de mapeo de tonos HDR seguirán sin embargo vigentes, pues la problemática de las escenas de alto rango dinámico no es tanto la captura sino el procesado requerido para comprimir el contraste original.

Como se explica en el artículo Rango dinámico del monitor y el papel, los dispositivos de salida al ser limitados en rango dinámico dificultan la obtención de imágenes finales de aspecto natural y realista cuando la información se extiende a lo largo de un amplio rango de luminosidades en la fuente.

De ese modo, lo que hoy se hace introduciendo en el programa de turno varios archivos de diferente exposición, se logrará con uno solo. Y lo que se obtenga será un HDR igual de genuino que el que hoy se consigue a partir de varias capturas, en contra de la creencia errónea de que HDR implique por definición hacer más de una toma.

EL ISO NO IMPORTA

Como consecuencia de las cualidades de bajo ruido de lectura descritas, el comportamiento de este sensor tiene la peculiaridad de que para una determinada apertura y velocidad, la relación S/N apenas mejora por aumentar el ISO como sí ocurre habitualmente en otros sensores.

En una cámara réflex típica, si en una captura subexpuesta aumentamos el ISO para obtener una exposición correcta, el ruido visible final será menor que si hacemos la toma subexpuesta y la sobreexponemos en el revelado RAW.

Con este sensor esto no ocurrirá. Por ejemplo si pasamos de ISO80 a ISO1600 obtendremos un archivo RAW 4,3 pasos más expuesto, pero la relación S/N será prácticamente la misma como puede verse en la gráfica:

Fig. 5 Mejora en la relación S/N al subir el ISO.

Mejorar la relación S/N en 6dB implica reducir el ruido visible a la mitad, cuando la mejora que vemos por pasar de ISO80 a ISO1600 ni siquiera llega a 1dB, una cantidad insignificante.

Esto quiere decir que cuando disparamos en RAW, subir el ISO para exponer mejor resulta innecesario y hasta contraproducente con esta cámara. Si lo hacemos no ganaremos nada en las sombras, porque ya hemos visto que el ruido visible no va a disminuir apenas, pero podremos quemar información de altas luces si la hubiera en la escena.

Una reflexión muy interesante de Emil Martinec sobre este hecho es que un sensor así podría funcionar siempre al ISO nativo más bajo, independientemente del ajuste ISO elegido por el usuario, y codificar dicho ajuste como un mero metadato en el archivo RAW que deberá ser interpretado por el revelador, tal y como ya ocurre por ejemplo con el balance de blancos.

Es típico en los sensores de respaldos digitales tener este tipo de funcionamiento. Por este hecho, además de por el tipo de aplicaciones a que están orientados, no suelen tener demasiados valores ISO disponibles, consistiendo muchas veces en ISOs forzados por software. Por su particular electrónica, implementar ISOs reales no aportaría nada en estos sensores.

Relacionando ISO con rango dinámico, lo comentado dará lugar a que por cada paso de ISO que subimos en esta cámara perderemos prácticamente un paso completo de capacidad de capturar rango dinámico.

Esto explica porqué si bien a ISO80 la Pentax K5 supera claramente en rango dinámico a la Canon 5D Mark II a ISO100, llegados a ISO1600 la cámara de Canon es superior (ver Fig. 2). El motivo es que el sensor de esta última pierde mucho menos rango dinámico al ir subiendo el ISO que la Pentax.

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Veamos un ejemplo real de alto rango dinámico preparado por Ion Such (mersault en Ojo Digital).

La escena se capturó con la Pentax K5 dos veces, una a ISO100 preservando las altas luces lo que subexpuso la escena en conjunto, y otra manteniendo apertura y velocidad pero a ISO1600 para tener una mejor exposición media. Se trata de comparar qué ganamos y qué perdimos en cada caso:

Fig. 6 Escena de alto rango dinámico.

Pasando el ratón por encima de la imagen puede verse cómo era el JPEG de la cámara correspondiente a la captura ISO100, para hacernos idea del rango dinámico que tenía la escena y lo profundas que eran las sombras que vamos a "levantar".

Comparando recortes de las imágenes resultantes de las dos capturas:

Fig. 7 Recortes de las capturas a ISO100 e ISO1600

Analizando las imágenes puede decirse que:

Altas luces: como era obvio la captura a ISO100 preservó hasta 4 pasos más de información en la zona de la lámpara y la ventana
Sombras medias: el nivel de ruido en ambas capturas es similar, con lo que aquí no hemos ganado nada por subir el ISO
Sombras profundas: en la captura a ISO100 se nota algo más de ruido (indicio de que el ruido de lectura ha cobrado protagonismo en esas zonas tan sumamente oscuras), y por otro lado los 14 bits del RAW parece que se quedan cortos proporcionando una riqueza tonal insuficiente y recortando muchos píxeles a negro (por eso se ven zonas oscurecidas en la imagen ISO100). Este ruido, la falta de riqueza tonal y el recorte a negro hace que queden peor definidas las texturas que en la captura a ISO1600

Como conclusión, el ruido apenas se reduce por aumentar el ISO en este sensor, lo que sí habría ocurrido en otros modelos de cámara (ver ejemplo Canon 350D). Sí mejora la definición de texturas en las sombras muy profundas, pero más por disponer de niveles tonales extra (falta de bits en el RAW) que por tener algo menos de ruido. Y en cualquier caso la mejora no compensa la pérdida de altas luces.

Así solo tendrá sentido subir el ISO para exponer correctamente, si estamos totalmente seguros de no perder información de altas luces que pudiera existir en la escena (especialmente fuentes luminosas que aparezcan en el encuadre y las zonas influídas por ellas). De lo contrario es mejor dejar la captura globalmente subexpuesta a un ISO bajo, y sobreexponer en el revelado RAW haciendo un procesado adecuado para preservar localmente las altas luces.

Esto no quiere decir que en esta cámara no sea óptimo derechear el histograma para reducir el ruido. Ya dijimos que sí lo es (si bien a ISOs bajos no tanto como en otros modelos), solo que no vale la pena lograrlo recurriendo a un aumento de ISO.

CAPTURAS SUBEXPUESTAS E "IZQUIERDEO" DEL HISTOGRAMA

Una ventaja colateral de tener una cámara con mucho rango dinámico, es que permite cometer un error grande en la exposición sin que la imagen final se resienta en exceso.

La siguiente fotografía que ha aparecido en los foros, muestra un ejemplo de captura a ISO80 tremendamente subexpuesta de la Pentax K5. En concreto 6 pasos por debajo de lo que habría sido óptimo como puede verse en el histograma RAW:

Fig. 8 Histograma RAW de captura subexpuesta 6 pasos.

Lo que en el display de la cámara era un negro casi absoluto (imagen izq.), se convierte en una imagen con algo de ruido pero utilizable cuando corregimos la exposición en postproceso por 6 pasos (imagen der.):

Fig. 9 Imagen antes y después de ajuste de exposición.

Pasando el ratón por la imagen puede verse el nivel de ruido que encontramos en un recorte al 100% de las sombras profundas de la imagen.

Enlazando con los comentarios hechos sobre el ISO, aquí obtener una exposición correcta subiendo el ISO en 6 pasos apenas habría servido de nada. La forma de reducir el ruido de forma palpable en esta imagen, consistiría en hacer llegar más luz al sensor aumentando la apertura y/o el tiempo de exposición.

Con esta cámara, en un tipo de fotografía de acción donde el contraste de las escenas no sea demasiado exigente, cobra sentido aplicar una subexposición sistemática en la captura, es decir, el "izquierdeo" del histograma. De ese modo se tendrá mayor seguridad de no arruinar en ningún caso las altas luces (cuyo impacto visual es siempre grande), a sabiendas de que el alto rango dinámico del sensor permitirá salvar detalle en las sombras.

CARRERA DE LOS Mpx vs RANGO DINÁMICO

La lectura que saco de la aparición de este nuevo sensor, independientemente de quién lo haya diseñado (porque otros fabricantes para seguir siendo competitivos deberán ponerse a la altura), es doble:

Por un lado parece haberse dejado de lado la carrera de los Mpx (este sensor tiene 16Mpx en APS-C, lo que representa una cantidad razonable). Sensores de muy alta resolución crean archivos RAW enormes incómodos de almacenar y procesar. Por otro lado no siempre es fácil disfrutar de sus hipotéticas ventajas ya que requieren ópticas muy resolutivas que, o son carísimas o directamente no existen para la cámara en cuestión. Además en ciertas aplicaciones, como por ejemplo cuando se requiere una gran PDC, la difracción impone un compromiso infranqueable que puede hacer inútil la resolución extra teórica. A partir de un determinado requisito de PDC/resolución del archivo final, la física impondrá la necesidad ineludible de hacer varias capturas a diferentes distancias de enfoque (focus stacking), porque con una sola captura será materialmente imposible obtener una nitidez aceptable en tal cantidad de Mpx.

Por otro lado parece haberse puesto foco en crear nuevas tecnologías de verdadero bajo ruido. Y no hablo de cámaras que pueden disparar a ISOs muy altos y aún obtener imágenes aceptables (aplicaciones con luz escasa), sino del ruido al ISO nativo más bajo de la cámara, imprescindible en aplicaciones donde el impedimento no sea la falta de luz sino la exigencia en rango dinámico de las escenas. Este tipo de fotografía "de trípode" (paisaje, arquitectura, interiorismo,...) ha sido dejada de lado durante bastante tiempo en lo que respecta a la evolución tecnológica de los sensores, al menos en las cámaras réflex. Mi percepción es que la necesidad de realizar varias capturas para salvar situaciones de alto contraste está cercana a su fin.

Si atendemos a la evolución del rango dinámico de los sensores entre las dos marcas líderes, Canon y Nikon, podemos ver rápidamente cuál se ha dormido en los laureles en los últimos tiempos (las líneas representan el sensor APS-C de mayor rango dinámico de cada marca):

Fig. 10 Evolución rango dinámico APS-C Canon vs Nikon.

Quizá debido a la priorización del número de Mpx o el vídeo, Canon ha dejado de ser competitiva en rango dinámico. Si quiere mantenerse en la cresta de la tecnología de captores tendrá que plantearse un giro, especialmente tras el golpe de efecto de este nuevo sensor Sony.

CONCLUSIONES

Como consecuencia de un estudio de ruido sobre el sensor Sony de la nueva Pentax K5 (que emplean también otros modelos como la Nikon D7000 y la Sony A580), se ha observado una importante mejora en lo que respecta al ruido y rango dinámico con bajos valores de ISO, superando en casi 2 pasos el rango dinámico de cámaras FF como la Canon 5D Mark II y alcanzando las cifras de referencia que en su día impusieran los sensores Super CCD de Fuji.

Con valores de ISO altos sin embargo, el rendimiento del sensor no es tan brillante igualando el nivel de ruido y rango dinámico de las cámaras APS-C de referencia del momento, y siendo superada por sensores de formato FF.

Este sensor tiene además una respuesta tal que hace que en él resulte inútil y hasta contraproducente subir el ISO para exponer mejor, ya que apenas ganaremos nada con ello en cuanto al ruido de las sombras, pero podremos perder información de altas luces. Así en escenas con información en las altas luces, es preferible dejar las capturas subexpuestas a un ISO bajo que aumentar el ISO para obtener una exposición global más correcta.

En este tipo de sensor sigue vigente el derecheo del histograma para obtener la máxima calidad de captura, pero siempre aumentando la exposición en el dominio óptico con mayores aperturas o tiempos de exposición. Derechear aumentando el ISO, que tiene todo el sentido en otros modelos de cámara, deja aquí de ser una opción efectiva.

Por otro lado, en escenas de acción pero con poco contraste, el alto rango dinámico de este sensor admite un "izquierdeo" del histograma por sistema, con el fin de que nunca se nos quemen las altas luces a la vez que mantenemos un ruido aceptable en las sombras.

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