INTRODUCCIÓN

Como usuario de Canon, siempre he tendido a considerar el comportamiento típico de sus sensores como lo esperable en cualquier cámara. Sin embargo a medida que nos vamos encontrando con sensores de otras marcas y características, nos damos cuenta de que cada sensor es diferente, y por lo tanto la forma óptima de actuar con unos y con otros dependerá de las particularidades de cada uno.

En este artículo se estudiará el diferente comportamiento frente al ruido que tienen los sensores Canon respecto a los Nikon, y comparados con los sensores Sony que llevan las recientemente aparecidas Pentax K5, Nikon D7000 y Sony A580, las cuales se situarían en el extremo opuesto a Canon.

Para hacerlo no necesitaremos ejemplos reales de uso porque vamos a emplear únicamente las curvas de relación S/N calculadas por DxOMark para estas cámaras.

Para algunos esto será un inconveniente, sin embargo voy a tratar de convencer al lector de que con estas curvas podemos tener totalmente caracterizado el sensor de la cámara en lo que se refiere al ruido, pudiendo predecir su respuesta en cualquier situación real más allá de lo que ejemplos concretos nos permitirían conocer.

En general otras marcas tales como Olympus o Panasonic tendrán un comportamiento intermedio del estilo de los sensores de Nikon. En cualquier caso, y siguiendo los pasos descritos, el lector podrá reproducir el análisis realizado para su cámara particular y sacar las conclusiones para ella.

CURVAS DE RELACIÓN S/N

Las curvas de relación S/N muestran cuál es la relación S/N que un determinado sensor produce en función del nivel de exposición obtenido en el archivo RAW y del valor de ISO empleado:

Fig. 1 Curvas de relación S/N de la Pentax K5.

En el eje X tenemos la exposición del archivo RAW en pasos respecto a la saturación, cuya referencia se fija en 0EV. En el eje Y se representa la relación S/N en dB, donde aprox. 6dB = 1 EV (para hacernos una idea, una relación S/N de 12dB puede considerarse el máximo ruido admisible para que no se pierdan las texturas). Existirá además una curva diferenciada para cada valor de ISO.

Como es lógico, vemos que la relación S/N empeora (disminuye) a medida que la exposición del archivo RAW resulta menor. Éste es el motivo por el que cuando se procesa un archivo RAW subexpuesto o se levantan las sombras profundas de un archivo RAW correspondiente a una escena de alto rango dinámico, inevitablemente el ruido hace aparición.

Por otro lado para una exposición del archivo RAW (valor en el eje X), vemos que cuanto mayor fuera el ISO empleado para lograrla tendremos una peor relación S/N. Éste es el motivo por el que cuanto mayor ISO usemos para lograr una exposición correcta, más ruido tendrá la imagen.

CÁLCULO DE LAS CURVAS DE RELACIÓN S/N

Antes se ha mencionado que las curvas proceden de DxOMark. Sin embargo dado que no disponemos de los valores numéricos que generan dichas gráficas, y que las magnitudes que han elegido los chicos de DxOMark para representar el nivel de exposición del RAW, en lugar de en pasos (log₂) vienen en una incómoda escala porcentual (log₁₀), hemos tomado una ruta alternativa para llegar a ellas.

Así me he basado en los datos de la web Sensorgen.info, donde a partir de las curvas de relación S/N de DxOMark, han calculado por ajuste numérico a un modelo matemático de ruido los parámetros fundamentales que definen la respuesta de un sensor respecto al ruido:

Ruido de lectura (en e^-): r
Saturación del sensor (en e^-): s

Con ambos parámetros es posible reproducir la respuesta del sensor en lo tocante al ruido para cada nivel de exposición RAW y para cada valor de ISO, y es precisamente esto lo que representaba la Fig. 1.

La fórmula para obtener la relación S/N en dB a partir de los dos parámetros anteriores es la siguiente:

SNR_dB = 20 * log₁₀ [ s / 2^-EV / (r² + s / 2^-EV)^1/2 ]
Donde EV es el nivel de exposición RAW en pasos respecto a la saturación (0EV).

Se trata de una simplificación del modelo de ruido en un sensor donde no se ha incluído el término debido a la Pixel response non-uniformity (PRNU). Este modelo se explica en detalle en varias fuentes:

En la citada referencia de Sensorgen.info
En el artículo de Emil Martinec: Noise, Dynamic Range and Bit Depth in Digital SLRs
En la web de DxOMark: Noise characterization

Esta simplificación motiva que las curvas que aquí vamos a calcular tengan una pendiente perfecta de 3dB/EV en zonas cercanas a la saturación, cuando las curvas reales que obtuvimos en el tutorial Medición de ruido y rango dinámico. Canon 5D vs 5D2 vs 7D vs Pentax K5 derivaban en una pendiente aún menor debido al efecto de la PRNU.

La siguiente gráfica compara las curvas de relación S/N obtenidas para la Pentax K5 en aquel tutorial (en amarillo) vs las obtenidas aquí con los datos de Sensorgen.info extraídos de las curvas de DxOMark:

Fig. 2 Curvas de relación S/N de la Pentax K5 (modelo vs mediciones).

La curva ISO80 real (en amarillo) se aleja del modelo conforme nos acercamos a la saturación, supuestamente debido a la PRNU. En cambio en las zonas de sombras profundas, que es donde se mide el rango dinámico, las mediciones se ajustan muy bien al modelo y de ahí que las valoraciones de rango dinámico que hicimos en el tutorial casen perfectamente con las que obtendremos aquí.

COMPORTAMIENTO DEL ISO

En este apartado vamos a ver cómo a partir de las anteriores curvas de relación S/N, es posible predecir el comportamiento que tendrá una cámara en situaciones donde se plantee el dilema de tirar de ISO para lograr una mayor exposición del archivo RAW.

Si con los parámetros de apertura y velocidad que podemos permitirnos en nuestra aplicación (entendiendo por estos los que nos proporcionan una velocidad lo bastante alta para congelar el movimiento de la escena y evitar la trepidación, así como una PDC de acuerdo con nuestras necesidades) no logramos una exposición suficiente en el archivo final, el impulso lógico será subir el ISO para lograr una mayor exposición.

Es algo que de manera obligatoria deberemos hacer siempre si estamos disparando en JPEG, pues en este entorno la imagen obtenida no debería ser procesada y por tanto nos esforzaremos en lograr una exposición correctamente ajustada en la propia cámara.

Sin embargo disparando en RAW la decisión no estará tan clara y dependerá bastante de la cámara usada. En principio no habría que tener miedo a subir el ISO para lograr una mayor exposición ya que hacerlo mejoraría el ruido visible final.

Sin embargo esta mejora no será igual en todas las cámaras, ni se producirá hasta el mismo valor de ISO. Lo que vamos a estudiar a continuación es precisamente en qué cámaras es más conveniente subir el ISO para mejorar el ruido, y hasta qué valor es efectivo hacerlo.

CUANDO LA EXPOSICIÓN ES INSUFICIENTE

Para estudiar el fenómeno hemos calculado las curvas de relación S/N para tres modelos de cámaras representativos de tres comportamientos de sensor bien diferentes: Canon 5D Mark II, Nikon D700 y Pentax K5:

Fig. 3 Curvas de relación S/N Canon 5D Mark II, Nikon D700 y Pentax K5.

Pasando el ratón por encima de la gráfica anterior se superpondrá a la misma una curva negra indicando la mejora en la relación S/N que tendremos en las sombras profundas si, manteniendo la apertura y velocidad constantes, aumentamos en hasta 5 pasos el ajuste ISO desde el menor valor de ISO real disponible. La curva se dibuja en color gris cuando un aumento de ISO ya no supone reducción alguna del ruido visible.

El resultado difiere mucho de una cámara a otra:

Canon 5D Mark II: la mejora de relación S/N es de unos 2,1EV, y se produce hasta ISO1600 y sobre todo en los ISOs más bajos
Nikon D700: la mejora de relación S/N es de aprox. 1EV, y se produce hasta ISO800
Pentax K5: la mejora de relación S/N es de aprox. 1/3EV, y se produce progresivamente hasta ISO1600

Las conclusiones inmediatas que podemos sacar serían:

Canon 5D Mark II: es muy recomendable abandonar los valores de ISO más bajos tan pronto exista riesgo de dejar el RAW subexpuesto, pues la mejora en ruido va a ser muy notoria por subir el ISO. La mejora sucede solo hasta ISO1600.
Nikon D700: también es recomendable subir el ISO si el RAW resultara subexpuesto al ISO base, pero con una urgencia mucho menor que en Canon ya que la mejora obtenida por hacerlo es bastante más modesta. Además en este caso solo hasta ISO800 se gana algo por lo que emplear ISOs mayores no nos aportaría nada.
Pentax K5: en esta cámara la disminución de ruido es tan escasa, que prácticamente puede decirse que no vale la pena esforzarse en subir el ISO para exponer mejor. A poco que la escena tenga altas luces que pudiéramos tener interés en preservar, tendremos un mejor resultado con un RAW subexpuesto a ISO80/100 que las preservará y apenas tendrá más ruido que si subimos el ISO. Según las gráficas la mejora sería progresiva, no destacando a ningún ISO concreto.

El comportamiento deducido para la Canon concuerda con lo ya expuesto en el artículo Mejora en ruido subiendo el ISO, donde veíamos un ejemplo real en el que una Canon 350D se beneficiaba enormemente de subir el ISO para lograr una exposición más correcta.

Del mismo modo la conclusión de las curvas de la Pentax K5 corrobora lo que ya vimos en otro caso real en el artículo Pentax K5. El sensor perfecto?, donde subir el ISO en hasta 4 pasos apenas mejoraba el ruido visible en las sombras profundas y nos hacía perder información de altas luces.

La respuesta de los sensores Nikon respecto al ruido se situaría en un punto intermedio entre los anteriores comportamientos. No son cámaras donde un ajuste ISO preciso sea tan crítico como en Canon para maximizar la calidad de la captura, pero todavía logran una mejora considerable si subiendo el ISO se consigue una mayor exposición.

CÁMARAS "SIN ISO"

El siguiente gráfico trata de colocar cada marca vista en un eje según la mejora de relación S/N obtenida con un aumento del ajuste ISO:

Fig. 4 Diferencia entre cámaras sin ISO (izq) y cámaras con ISO (der).

Cuanto más a la izquierda esté situada una cámara, menos interesante será en ella subir el ISO para lograr una mejor exposición cuando se dispara en RAW.

Las cámaras donde este tipo de comportamiento se lleva al extremo pueden considerarse cámaras sin ISO (ISOless cameras). Desde el punto de vista del hardware, aumentar la ganancia ISO en ellas no tiene repercusión en la calidad de la imagen final para una determinada apertura y velocidad.

Así este valor podría convertirse en un metadato como lo es el balance de blancos, realizándose todas las capturas al ISO base independientemente del ajuste fijado por el usuario. Eso permitiría exponer correctamente a ojos del fotógrafo, pero preservando internamente el máximo de información de altas luces en cada captura RAW y sin perjuicio del ruido en las sombras, ya que éste no habría mejorado por subir el ISO.

Cuanto más a la derecha se sitúe la respuesta de una cámara en cambio tendremos aquellos sensores donde es muy importante aumentar el ISO si con valores bajos del ajuste el archivo RAW resultase subexpuesto. En este sentido hablaríamos de sensores que requieren un comportamiento más delicado por parte del usuario para sacarles todo el partido.

RANGO DINÁMICO

Además del rendimiento de un sensor en cuanto al ruido frente a un aumento del ISO, las curvas de relación S/N permiten calcular su rango dinámico. Como ya hemos explicado en otros artículos, basta ver cuántos pasos de exposición existen entre la saturación y el nivel de exposición RAW en que la relación S/N cae por debajo de un umbral.

Como criterio de umbral escogeremos una relación S/N de 12dB, marcada con una línea horizontal naranja en las gráficas anteriores. Y para hacer los resultados de rango dinámico comparables entre las tres cámaras analizadas, normalizaremos sus curvas de relación S/N a una resolución de 12,7 Mpx (la de la Canon 5D clásica), como ya hiciéramos en el tutorial Medición de ruido y rango dinámico. Canon 5D vs 5D2 vs 7D vs Pentax K5. Allí se explica en detalle el motivo y la forma de proceder.

Con los criterios expuestos, y haciendo uso de los valores de ISO real para cada cámara también suministrados por Sensorgen.info, se tiene la siguiente comparativa de rango dinámico en función del ISO:

Fig. 5 Rango dinámico en función del ISO.

Se comprueba lo que ya vimos en los otros artículos, que la Pentax K5 supera a las dos cámaras FF clásicas en rango dinámico a bajo ISO pero sin embargo pierde la batalla en aplicaciones con escasa iluminación donde los ISOs elevados de los sensores FF se imponen. El punto de cruce donde las tres cámaras rinden de manera muy similar en rango dinámico se situaría en ISO400.

Comparando las dos FF entre sí, la Nikon D700 superaría ligeramente en rango dinámico a la Canon 5D Mark II a bajo ISO pues el ISO200 de la Nikon llega a ser mejor que el ISO100 de la Canon. A altos ISO rinden de forma equivalente, lo que supone un cierto mérito para la Canon dada su mayor resolución.

Una consecuencia del distinto comportamiento frente al ISO de los sensores vistos, es que los sensores "sin ISO" pierden un paso completo de rango dinámico por cada paso incremental en el ISO. Puede verse cómo la gráfica del rango dinámico de la Pentax es una recta de pendiente muy cercana a -1 paso de rango dinámico por cada paso incremental de ISO.

En cambio los sensores tipo Canon en sus valores de ISO inferiores, apenas pierden rango dinámico al subir el ISO. Por ello su gráfica de rango dinámico en función del ISO arranca con una perezosa línea casi horizontal, que empieza a decaer a medida que subimos el ajuste. Pasado ISO1600, la cámara ya empieza a perder un paso de rango dinámico completo por paso de ISO como ocurre con una cámara "sin ISO".

Así en una Canon, disparando a ISO 200 tenemos prácticamente la misma capacidad de captura de rango dinámico que haciéndolo a ISO100, y comparado con ISO400 la pérdida sigue siendo razonable. En aplicaciones que requieran alta velocidad/PDC, esto permite subir el ISO a la vez que se reduce en la misma medida el tiempo de exposición/apertura, obteniendo un resultado prácticamente igual de bueno en cuanto al ruido.

Bien es cierto que como la Pentax tiene un margen de superioridad importante sobre el sensor FF de la Canon 5D Mark II, en ella podremos reducir el tiempo de exposición o la apertura manteniendo ISO80/100, y el resultado aún será mejor que aplicando la maniobra anterior en ISOs no excesivamente altos de la Canon (hasta ISO400).

CONCLUSIONES

En el presente artículo se ha pretendido hacer uso de las curvas de relación S/N de los sensores para predecir cuál será el comportamiento de estos frente al ruido y al ISO en situaciones reales.

El cálculo de dichas curvas se ha realizado partiendo de los parámetros del modelo de ruido de un sensor recopilados en la web Sensorgen.info, obtenidos a su vez de las curvas de relación S/N de la página DxOMark.

Ha podido constatarse que no tiene nada que ver el modo en que responde un sensor Canon, de uno Nikon o del sensor Sony que llevan las últimas cámaras APS-C aparecidas como la Pentax K5, la Nikon D7000 o la Sony A580:

Los sensores Canon son muy sensibles en su rendimiento a un aumento del ISO, lo que hace muy recomendable en ellos subir este ajuste antes que contentarse con un RAW subexpuesto.
El sensor Sony puede sin embargo considerarse un sensor sin ISO, donde apenas merece la pena exponer mejor el archivo RAW a través de un aumento de ISO porque no vamos a ganar nada en cuanto al ruido de las sombras, pero de haberla podremos perder información de altas luces.
Por último los sensores Nikon se situarían en un punto intermedio, siendo en ellos aconsejable subir el ISO para optimizar la calidad de la captura si no conseguimos exponer correctamente el RAW, pero de forma menos crítica que en Canon.

Finalmente se ha calculado el rango dinámico de los sensores estudiados para cada valor de ISO, viendo cómo un sensor sin ISO pierde un paso completo de capacidad de captura de rango dinámico con cada paso incremental del ajuste. En el extremo opuesto los sensores Canon apenas pierden rango dinámico por subir el ISO en los ISOs más bajos.

~~~

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.