INTRODUCCIÓN

He querido aprovechar la coincidencia en el mercado de tres auténticos pesos pesados de la fotografía digital FF, para enfrentarlos en una comparación de rango dinámico basada en la información de DxOMark.

Los contendientes no podían ser otros que la Canon 5DS R, la Nikon D810 y la Sony A7R II, por muchos motivos mi preferida de la tres aunque por supuesto esto no supondrá ninguna diferencia en el análisis.

Fig. 1 Duelo de titanes: Canon 5DS R, Nikon D810 y Sony A7R II.

Aprovechando el tirón hemos sumado a la fiesta la Sony A7 II (que acabo de adquirir) y la Sony A7S II, para tener la trilogía A7 al completo.

Por el camino introduciremos algunos conceptos como el de rango dinámico fotográfico de los sensores, y comentaremos el fundamento del sistema de mejora de rango dinámico conseguido con el modo Dual ISO del software Magic Lantern para ciertas afortunadas cámaras Canon. También daremos pistas sobre lo determinante que puede ser o no el rango dinámico del sensor en la calidad de los HDR's.

RANGO DINÁMICO FOTOGRÁFICO

Es reconocida la página DxOMark como una referencia en mediciones del rendimiento de sensores y ópticas. Uno de los parámetros más importantes que calculan en dicha web es el rango dinámico, definido como la cantidad de pasos desde las luces hasta las sombras que un sensor es capaz de capturar con unos parámetros mínimos de calidad.

Como ya explicamos en el artículo Rango dinámico, el criterio usado por DxOMark aunque totalmente correcto desde un punto de vista ingenieril y válido para enfrentar unos sensores a otros, es poco útil para el fotógrafo si de lo que se trata es de conocer el contraste absoluto de las escenas a las que puede enfrentarse:

DxOMark establece como umbral para el cálculo del rango dinámico una relación S/N=0dB (nivel de señal = nivel de ruido), que resulta en unos niveles de ruido inadmisibles en prácticamente cualquier aplicación fotográfica. En consecuencia sus cifras de rango dinámico son excesivamente optimistas para un fotógrafo.

Sin cambiar el modo de cuantificar este rango dinámico, vamos a proponer aquí un umbral de relación S/N=12dB (nivel de señal = 4 veces el nivel de ruido) para obtener unas cifras mucho más realistas. A estos nuevos valores los denominaremos rango dinámico fotográfico.

Para hacernos idea de la conveniencia de este cambio de baremo, nada mejor que ver el nivel de ruido visible que suponen los umbrales usados en ambos criterios:

Fig. 2 Umbrales de relación S/N como criterio de rango dinámico.

Puede verse que con una relación S/N de 0dB se enmascara la información de tal modo que ésta se hace irreconocible, cuando 12dB parece un buen nivel de ruido máximo admisible en las sombras de cualquier imagen.

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Para realizar el cálculo de nuestro rango dinámico renovado vamos a tomar directamente la información de las curvas de relación S/N de DxOMark. Este dato resulta poco conocido porque no se muestra cuando se comparan sensores, que es lo habitual en dicha web, sino que hay que entrar de forma individual en el detalle de cada cámara. Hecho esto las curvas se tienen en la pestaña "Full SNR" (hacer clic para ver una versión ampliada):

Fig. 3 Curvas de relación S/N de DxOMark para la Sony A7R II.

Las anteriores gráficas modelan completamente el rendimiento del sensor en cuanto al ruido en cualquier situación, existiendo una curva para cada ganancia ISO. En el eje X se tiene el nivel de exposición del RAW respecto a la saturación (100%), y en el eje Y la relación S/N alcanzada por el sensor. Como regla general podemos quedarnos con que mejorar la relación S/N en 6dB equivale a reducir el ruido visible a la mitad.

En nuestro caso, como lo que nos interesa es el rango dinámico, atenderemos a la curva al ISO base de cada sensor, la que mejor relación S/N proporciona para un determinado nivel RAW y que por lo tanto siempre proporciona el máximo rango dinámico.

En este sentido la Nikon D810 por ser la única que dispone de un ISO64, parte con ventaja frente al ISO100 de las restantes cámaras. Es no obstante una ventaja merecida ya que lograr disponer de ISOs bajos que saquen todo el partido de un sensor no es solo una decisión de marketing, sino fruto de un diseño electrónico mejorado.

Para conocer este rango dinámico fotográfico vamos a recalcular las curvas anteriores para todas las cámaras analizadas, normalizándolas a un tamaño de salida de 8Mpx. Normalizar a un mismo tamaño final es imprescindible para comparar peras con peras cuando se cotejan cámaras con resoluciones de partida muy diferentes, ya que en caso de considerar valores a nivel de píxel estaríamos penalizando injustamente las cámaras de mayor resolución. Escogemos 8Mpx por ser el mismo criterio que usa a tal fin DxOMark en todas sus mediciones "Print", las únicas válidas al comparar sensores.

También hemos cambiado el eje X a una escala por pasos de exposición más intuitiva para el fotógrafo (hacer clic sobre la imagen para verla con mayor detalle):

Fig. 4 Curvas de relación S/N a ISO base normalizadas a 8Mpx.

En el archivo Curvassnr.xls están los cálculos hechos para quien tenga interés en conocerlos. Replicarlos para cualquier otra cámara solo requiere tomar unas cuantas muestras de las curvas de DxOMark (pasando el ratón por encima de ellas se proporcionan parejas abscisa/ordenada).

Para conocer el rango dinámico de cada sensor no hay más que contar cuántos pasos hay desde la saturación (0EV) hasta el punto en que cada curva cruza la ordenada establecida como criterio de relación S/N, en nuestro caso 12dB. Ampliando para estimar con más precisión:

Fig. 5 Ampliación en las curvas de relación S/N para medir el rango dinámico.

Recopilando estos valores estimados obtenemos la siguiente tabla en la que diferencias de hasta medio paso apenas se notarán en la práctica, pudiéndose a partir de ahí hablar de una mejora real:

Fig. 6 Ranking de rango dinámico fotográfico.

Como es ya una costumbre la Canon es la que sale peor parada, aunque podemos ver que no está tan lejos de las A7 como los "2 pasos" de ventaja que de forma general se suelen atribuir a los sensores Sony frente a los Canon. Esto quiere decir que con la 5DS se han hecho avances para recuperar parte del terreno perdido en rango dinámico en los últimos años, y que tantas críticas ha generado.

Las Sony quedan en los puestos intermedios, siendo la mejor la A7R II con sensor retroiluminado y ello pese a tener la mayor densidad de fotocaptores del trío con diferencia. La que menos rango dinámico arroja es la A7S II lo cual resulta comprensible por tratarse de un sensor orientado a rendir a sensibilidades altas, y no tanto al ISO base.

Por último la justa ganadora es la Nikon, suponiendo los 2 pasos largos que la separan de la 5DS una diferencia muy notable (negada en los foros por los fanboys de Canon). Pese a llevar un sensor de procedencia Sony, Nikon se caracteriza por saber sacar lo mejor de ellos incluso por encima de la propia Sony. El exclusivo ISO64 que permite a la D810 repuntar en rango dinámico es una buena muestra.

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Estos rangos dinámicos fotográficos utilizables en la práctica, coinciden con gran exactitud con los resultantes de restar 2 pasos a las cifras de rango dinámico de DxOMark como puede verse en la siguiente tabla:

CÁMARA	RD DxOMark (0dB)	RD fotográfico (12dB)	Dif. (EV)
Nikon D810	14,76	12,66	2,1
Sony A7R II	13,90	11,82	2,1
Sony A7 II	13,62	11,50	2,1
Sony A7S II	13,06	11,28	2,0
Canon 5DS R	12,39	10,38	2,0

Fig. 7 Tabla de rangos dinámicos para salida de 8Mpx.

Por lo que ya tenemos una regla sencillísima y en cristiano para convertir las cifras de DxOMark en valores de uso práctico:

RANGO DINÁMICO FOTOGRÁFICO
"Para saber el contraste de las escenas del mundo real
que un fotógrafo puede capturar con una determinada cámara,
basta restar 2 pasos a las cifras de rango dinámico de DxOMark"
El motivo de que esa corrección sea constante es que en la región donde se mide el rango dinámico domina el ruido de lectura (electrónico) sobre el fotónico (estadística de la luz), y como el nivel absoluto del ruido de lectura para un ISO dado es constante e independiente de la exposición, la relación S/N aumenta en la misma cantidad que lo haga dicha exposición. Así como entre los 0dB de DxOMark y los 12dB de relación S/N propuestos hay 2 pasos de exposición, los hay también de diferencia en rango dinámico.

DUAL ISO DE MAGIC LANTERN

Canon llevaba ya tiempo herida en el orgullo por el pobre rango dinámico que sus sensores mostraban al compararlos con los de la competencia (cierto es que con la 5DS se ha empezado a cerrar la brecha), cuando apareció un caballero andante dispuesto a hacer justicia. A1ex, creador y principal desarrollador de Magic Lantern, implementó hace dos años una función de extensión de rango dinámico para Canon: Dual ISO.

Si bien la solución no está libre de contrapartidas, los resultados son espectaculares y me parece una de las formas más ingeniosas que se hayan visto de exprimir al máximo la tecnología existente basándose en la teoría sobre cómo funciona un sensor.

Fig. 8 Mejora en rango dinámico (ruido en las sombras) con Dual ISO.

En el documento Dynamic range improvement for some Canon dSLRs, el autor explica el fundamento del Dual ISO con todo detalle y a un nivel propio de cualquier artículo publicado en el IEEE.

Básicamente Dual ISO aprovecha una característica de la electrónica de los sensores Canon, y es que en ellos la relación S/N mejora notablemente al aumentar la ganancia ISO para una misma exposición (apertura/velocidad). Esto hace que en un sensor Canon antes de dejar una captura subexpuesta sea muy conveniente subir el ISO para reducir el ruido visible final. Es algo que ya estudiamos hace tiempo en Mejora en ruido subiendo el ISO.

Retomando el ejemplo de entonces, las siguientes dos imágenes fueron capturadas con la misma exposición (apertura/velocidad), pero una a ISO100 y la otra a ISO1600. Igualados los niveles de exposición en postproceso la captura a ISO1600 muestra mucho menos ruido:

Fig. 9 Reducción de ruido visible subiendo el ISO a exposición constante.

Este fenómeno no se da en los sensores Sony, que a diferencia de los Canon tienen un comportamiento invariante o quasi invariante con el ISO, lo que hace que en ellos esta técnica no sea replicable. Ya estudiamos también el comportamiento sin ISO de los sensores Sony en Pentax K5. El sensor perfecto.

El Dual ISO aprovecha la anterior cualidad para hacer una lectura doble del sensor: una con ganancia ISO100, y otra a un ISO superior elegido por el usuario, p.ej. ISO1600 en el caso extremo. El software manipula internamente la lectura (readout) del sensor para leer dos filas de fotocaptores a ISO100, el siguente par de filas a ISO1600, y así sucesivamente antes de guardar los datos en el RAW:

Fig. 10 Diferentes ganancias ISO de lectura del sensor con Dual ISO.

El motivo de leer pares de filas contiguas con cada valor ISO en lugar de alternar filas individuales para obtener más granularidad, es que en cada ISO se perdería toda la información del canal R o del canal B debido a la estructura de la matriz de Bayer. Esto haría muy difícil sino imposible la interpolación del canal inexistente en las regiones donde solo se tuviera información útil de un valor ISO.

Las lecturas a ISO1600 tendrán una mejor relación S/N que las hechas a ISO100, y deberán corregirse 4 pasos a la baja en exposición para igualarse a las muestras hechas a ISO100 con el fin de constituir un conjunto coherente de datos lineales de imagen. El archivo RAW deberá ser procesado para obtener otro fichero donde se obtenga por interpolación toda la información no capturada.

En función de los niveles alcanzados en cada canal del RAW, la información para construir la imagen final tendrá un diferente origen:

Las LUCES provendrán de la lectura a ISO100, porque en los 4 últimos pasos la lectura a ISO1600 estará saturada
Las SOMBRAS serán una combinación de ambas lecturas, en la que la lectura a ISO1600 aportará una reducción de ruido extra a la lectura estándar a ISO100
Las SOMBRAS PROFUNDAS provendrán de la lectura a ISO1600, porque en ellas la lectura a ISO100 tendrá tal ruido que será inutilizable

El resultado es una captura final con un rango dinámico superior al de la captura estándar a ISO100. Podría calificarse conceptualmente de HDR, ya que aunque se realice una sola foto, la lectura del sensor a dos valores de ISO implica obtener dos juegos de datos RAW con diferentes características en cuanto a niveles y relación S/N, que han de ser fusionados. El mecanismo es similar al Super CCD de Fuji, solo que cambiando fotositos de diferente tamaño y sensibilidad real por fotositos leídos con diferentes ganancias ISO.

El precio a pagar es tener las luces degradadas en calidad. Las sombras profundas recuperadas tampoco tienen la calidad que tendrían en un sensor estándar con ese rango dinámico porque al igual que las luces, requieren interpolación adicional. Esa merma de calidad se puede traducir en pérdida de resolución, artefactos de color, etc... Además se añade a todo el proceso la complejidad del procesado de los peculiares RAW obtenidos.

Un modelo simple de cómo se reparte el rango dinámico de la Canon 5D Mark III y de la Sony A7R II alrededor de su gris medio (exposición "correcta" de acuerdo al exposímetro) sería el siguiente:

Fig. 11 Comparación de rango dinámico Canon 5D III vs Sony A7R II.

De manera aproximada podemos decir que la Sony tiene 2 pasos más de rango dinámico que la Canon, materializados en las sombras profundas. Eso quiere decir que en dichas sombras la Sony presenta la cuarta parte de ruido que la Canon (el ruido se reduce a la mitad por cada paso extra de rango dinámico).

Sin embargo cuando se usa Magic Lantern en la Canon con su Dual ISO, para el caso extremo ISO100/1600 tenemos el siguiente panorama:

Fig. 12 Ampliación teórica de rango dinámico con Dual ISO.

Atendiendo solo a las curvas de relacion S/N de la Canon 5D III, la extensión de rango dinámico a nivel fotosito en 3 pasos de la Canon con Dual ISO podría llegar a superar sobre el papel en un paso el rango dinámico de la A7R II.

En la práctica con la interpolación extra requerida se quedan parejas, es decir que un sensor Canon con Dual ISO100/1600 vendría a rendir en rango dinámico como un Sony de formato equivalente, aunque con los problemas comentados derivados de la interpolación extra requerida. Para valores de Dual ISO menos extremos, el aumento de rango dinámico total no será tan grande pero habrá menos degradación de calidad en los extremos.

En el siguiente hilo del foro Canon Rumors hay unas cuantas buenas comparativas reales: Exmor vs DualISO.

RANGO DINÁMICO DEL SENSOR Y HDR

En el artículo Para qué sirve el rango dinámico? hacíamos un repaso bastante exhaustivo de qué ventajas tiene en la práctica disponer del máximo rango dinámico posible en nuestro sensor. Sin embargo no se hablaba nada de cómo de conveniente es disponer de un sensor con mucho rango dinámico a la hora de hacer HDR, entendiendo éste como la fusión de varias capturas con diferente exposición.

A priori parece razonable pensar que, ya metidos en el mundo de las aplicaciones fotográficas de alto contraste, cuanto más rango dinámico tenga nuestro sensor más garantías de obtener HDR's de calidad habrá. Veamos si tal cosa se cumple.

De forma general, realizando N capturas separadas M pasos de diafragma y con una cámara de C pasos de rango dinámico, deberíamos poder enfrentarnos a escenas con un contraste máximo de:

DR = C + (N-1) * M
Por ejemplo para una cámara con 10 pasos de rango dinámico (todas las comparadas los superan), en esquemas típicos de capturas HDR con separaciones de 2 pasos entre ellas podremos capturar escenas con los siguientes rangos dinámicos máximos:

ESQUEMA	RANGO DINÁMICO
{0EV, +2EV}	12EV
{0EV, +2EV, +4EV}	14EV
{0EV, +2EV, +4EV, +6EV}	16EV
{0EV, +2EV, +4EV, +6EV, +8EV}	18EV

Fig. 13 Esquemas de exposición HDR para cámara de 10 pasos de rango dinámico.

Pero si además garantizamos que la captura más expuesta de nuestro ahorquillado tiene una exposición generosa incluso en las sombras más profundas a preservar de la escena, la fusión HDR no tendrá necesidad de acudir a zonas con bajo nivel de exposición para obtener un solo píxel de la imagen final. En esta situacion, cómo se comporte el sensor trabajando con bajos niveles RAW, es decir, cuál sea su rango dinámico, no afectará en nada.

Veamos una escena de interiores que se capturó con un ahorquillado de 3 tomas separadas 2 pasos fusionándose con Zero Noise. El mapa de fusión indica en un tono de gris diferente el archivo RAW original del que proviene cada zona de la imagen resultante:

Fig. 14 Mapa de fusión HDR de 3 capturas.

En color blanco se indican las zonas provenientes del RAW menos expuesto (altas luces de la escena), en gris del RAW central (tonos medios de la escena), y en negro del RAW más expuesto (sombras de la escena).

Como es habital en Zero Noise, y deseable en cualquier programa óptimo de HDR, se obtiene la máxima información posible de las tomas más expuestas, incluso aunque se hubieran capturado con mayor exposición de la que deseamos para esas partes de la escena en la imagen final. Así se recurre a las fotos menos expuestas solo cuando todas las capturas superiores están saturadas.

Hace tiempo que quería hacer el siguiente ejercicio porque me parece muy gráfico. La siguiente imagen es el resultado de la fusión HDR que hizo Zero Noise, con la exposición de las dos tomas superiores igualada a la de la menos expuesta para poder fabricar el "Frankenstein" lineal de salida:

Fig. 15 Composición HDR con y sin correcciones parciales de exposición.

Si ahora pasamos el ratón por encima veremos en cambio todas las zonas de la escena con su nivel de exposición de captura, es decir, antes de realizar las correcciones de exposición a la baja. Resulta evidente que en la construcción de la imagen HDR solo participaron fotocaptores que recibieron una alta exposición.

La conclusión que sacamos es que aunque pueda sonar paradójico, para hacer HDR el rango dinámico del sensor es irrelevante ya que en el proceso de fusión de las capturas solo se usan zonas del RAW con altos niveles de exposición. Las regiones con muy bajos niveles de exposición del sensor, que son las que determinan el rango dinámico del mismo, no tienen papel alguno en la calidad de la imagen HDR final mientras se realicen capturas bien expuestas para las sombras profundas de la escena.

ZONAS DE INTERÉS EN LAS CURVAS DE RELACIÓN S/N

Por todo lo visto debería quedar claro que para averiguar qué cámara va a producir HDR's más limpios, hay que atender a las curvas de relación S/N en las zonas más próximas a la saturación, como contraposición a las regiones de muy baja exposición que definen el rango dinámico.

En este sentido el sensor que mejor calidad proporcionará al fotógrafo HDR, es el mismo que más convendrá al fotógrafo de estudio donde, con una iluminación controlada, no se requerirá subir el ISO por encima del ISO base ni realizar un procesado agresivo para "levantar sombras" en el archivo RAW obtenido.

Veamos sobre las gráficas de la Fig. 4 cuál es la región de interés para el fotógrafo HDR:

Fig. 16 Zonas de interés en las curvas de relación S/N según la aplicación.

Según las gráficas, vemos que usadas al ISO base la mejor de las cinco cámaras analizadas para HDR resulta la Sony A7R II seguida muy de cerca por la Nikon D810, pero en cualquier caso con una ventaja sobre el resto de cámaras que no se notará en la práctica porque además de ser muy pequeña, ya estamos hablando de información capturada con una muy alta relación S/N en todos los casos (estar por encima de 36dB implica un ruido visualmente indetectable).

Para hacer HDR's decentes en realidad nos basta con el rango dinámico de una cámara compacta, siempre que cumplamos el requisito de capturar las sombras profundas de nuestra escena con una exposición generosa en al menos una de las tomas, y por supuesto que el software o método de fusión empleados sean mínimamente óptimos.

En la anterior gráfica se han indicado como referencia los niveles de gris medio (nivel del archivo RAW donde caería la exposición "correcta" atendiendo al exposímetro de la cámara) y lo que sería realmente un gris 18% respecto a la saturación del sensor (log₂(0,18) = -2,47EV). Aunque el primero varía de unas cámaras a otras siempre se sitúa bastante por debajo del 18%, y es correcto que sea así o los usuarios nos quejaríamos a menudo de la facilidad con que se queman las altas luces al exponer con el fotómetro de la cámara.

Los valores de relación S/N para el gris 18% son precisamente los que representan en DxOMark en sus gráficas "SNR 18%". Que sean mediciones representativas de la calidad centradas en plena zona de interés para HDR, hace de esa gráfica SNR 18% un dato mucho más útil para el fotógrafo que sistemáticamente hace HDR que las propias cifras de rango dinámico.

CONCLUSIONES

En el presente artículo hemos enfrentado a las tres reinas de la fotografía digital FF actual: Canon 5DS R, Nikon D810 y Sony A7R II, en la arena del rango dinámico. Se han añadido a ellas las otras dos cámaras de la serie A7: Sony A7 II y Sony A7S II.

Hemos dado una definición de rango dinámico fotográfico que represente de manera realista lo que el fotógrafo puede aspirar a capturar con su cámara en términos de contraste en el mundo real. Este rango dinámico fotográfico se ha calculado para las cámaras comparadas resultando ganadora como era de esperar la Nikon D810 gracias a su bajo ISO64, y quedando en último lugar la Canon 5DS R, pero con menos desventaja de la que normalmente se atribuye a sus sensores. Se ha llegado a la regla general de obtener el rango dinámico fotográfico restando 2 pasos a las cifras de rango dinámico calculadas en la web DxOMark.

Aprovechando la charla sobre rango dinámico, se han comentado los fundamentos teóricos en los que se basa la expansión de este parámetro en el modo Dual ISO de Magic Lantern. Con él una cámara Canon puede llegar a ponerse en rango dinámico al nivel de los sensores Sony de formato equivalente, si bien con contrapartidas de pérdida de calidad de imagen en las luces y en las sombras profundas recuperadas, amén de implicar una mayor complejidad de procesado RAW.

Finalmente hemos analizado el peso que el parámetro rango dinámico de un sensor pueda tener en la calidad de las imágenes HDR al fusionar tomas con diferente exposición. La conclusión es que su influencia es nula por ser intrínseca al proceso HDR la no utilización de información capturada en las zonas de menor exposición del sensor, precisamente donde se define el rango dinámico. La única condición para ello es garantizar que al menos una de las capturas tenga una buena exposición en las sombras profundas absolutas de la escena.

Como fuente de información del análisis se han usado las curvas de relación S/N de DxOMark, diferenciando en ellas las regiones de interés según la aplicación: zona de muy baja exposición RAW para el rango dinámico (aplicaciones de alto contraste con una sola captura), y zona de alta exposición RAW para el proceso HDR (aplicaciones con ahorquillado en exposición).

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