INTRODUCCIÓN

Vimos en el artículo Fotografía con cero ruido que realizando dos capturas sobre una misma escena y aplicando una generosa sobreexposición a una de ellas, puede lograrse una gran reducción del ruido visible si se realiza una fusión adecuada de la información.

En este principio se basa el funcionamiento de Zero Noise, el cual permite fusionar un número arbitrario de archivos RAW en una imagen TIFF resultante de mínimo ruido y máxima nitidez. La mejora de relación señal a ruido tiene como consecuencia una expansión del rango dinámico captado.

Sin embargo uno de los problemas de Zero Noise y hasta la fecha de todos los programas que permiten realizar la fusión de varios archivos RAW tales como Photomatix o el propio HDR de Photoshop, es que condicionan el revelado de los archivos RAW haciendo perder al usuario el control sobre este proceso.

Los reveladores RAW actuales, por sus funcionalidades para realizar ajustes sobre la imagen así como tareas no directamente relacionadas con la edición como la clasificación de fotografías, tienen un gran peso en el flujo de trabajo. Es lógico por tanto que el fotógrafo no se encuentre cómodo si ha de abordar la fusión de imágenes con un software externo que le obliga a dejar de lado su revelador RAW habitual.

El problema se resolvería si la salida del programa de fusión fuera otro archivo RAW, que cada usuario pudiera procesar con su revelador o programa de mapeo de tonos HDR favorito. Y esto es precisamente lo que hemos buscado en Byte Delight con una nueva versión de Zero Noise que genere una salida RAW no procesada.

Para construir este archivo RAW virtual se ha de hacer una fusión óptima y sin pérdida, de modo que ninguna información útil se desestime en el proceso. Solo así el archivo de salida sustituirá completamente al conjunto de archivos RAW de entrada:


Fig. 1 Fusión de la información de varios archivos RAW en un único RAW virtual.

PROCESO DE FUSIÓN RAW

A continuación se comentarán las etapas del proceso de fusión de archivos RAW en un archivo RAW virtual final:

1. EXTRACCIÓN DE INFORMACIÓN RAW

Para extraer los datos contenidos en los archivos RAW de entrada usaremos DCRAW, que permite obtener los datos 100% crudos con la opción -D, o bien aplicándoles con la opción -d un reescalado lineal desde el número de bits nativo de los RAW originales hasta el rango de 16 bits.

Usaremos el comando -d que además de convertir a 16 bits corrige el punto negro cuando se requiera (típico en cámaras Canon), y ajusta el punto de saturación que en algunas cámaras es algo menor al máximo de su escala de bits. Ambos, procesos necesarios y que además no suponen ninguna pérdida.

Podría incluso aplicarse el balance de blancos, pero en este caso no nos interesa pues sí implicaría perder información. Así el comando DCRAW utilizado finalmente sería:

dcraw -v -d -r 1 1 1 1 -4 -T
Vamos a usar como ejemplo de fusión dos archivos RAW obtenidos con la Canon 350D, aplicando 4 pasos de diafragma de diferencia en exposición entre ambos. Corresponden a la siguiente escena:


Fig. 2 Escena utilizada como ejemplo para la fusión de RAWs.

Se trata de una escena de alto rango dinámico imposible de capturar con una sola toma. En caso de preservar las vistas exteriores, las sombras del interior presentarían excesivo ruido para ser utilizables. Y una exposición correcta para el interior quemaría la información de las ventanas.

Se ha usado un esquema de exposición {0EV, +4EV}, donde la captura menos expuesta consiste en una toma derecheada justo antes de empezar a quemar las altas luces de la escena, y la otra una toma 4 pasos sobreexpuesta respecto a la primera.

Aunque los datos RAW brutos por sí mismos no constituyen una imagen visualizable, podemos representarlos en forma de mosaico para observar el patrón de Bayer del sensor. Fijándonos en la zona del campanario que se veía a través de la ventana se tiene:


Fig. 3 Recorte al 300% del patrón de Bayer en uno de los RAW originales.

2. FUSIÓN ÓPTIMA EN RAW

FUSIÓN RAW vs FUSIÓN TIFF

Una vez tenemos todos los datos necesarios para generar el RAW virtual de salida, procedemos a la fusión de las imágenes para lo cual se ha adaptado Zero Noise de modo que funcione con datos RAW.

En realidad los cambios requeridos fueron pocos, básicamente eliminar del proceso aquellos pasos que con una salida RAW en mente dejan de tener sentido: el balance de blancos y la selección del perfil de color de salida, así como del algoritmo de interpolación RAW.

Una ventaja de trabajar sin balance de blancos es que somos más precisos en los umbrales para dar por válido el nivel de un píxel. En la versión de Zero Noise con salida en formato TIFF, el balance de blancos puede hacernos involuntariamente más conservadores en la evaluación de canales sobreexpuestos.

También podía pensarse que fusionar datos RAW no interpolados permitiría tratar por separado los canales R, G₁, G₂ y B, de modo que la saturación parcial de alguno de ellos no inutilizara los valores de canales en píxeles adyacentes. Así se tendrían mapas de fusión más afinados, independientes para cada canal.

No ha sido así. Se comprueba que si los canales G y R por ejemplo se encuentran saturados, el canal B arroja en píxeles adyacentes valores erróneamente altos que de utilizarse provocan saltos visibles de exposición. En esta situación no hay mejora posible respecto a los mapas de fusión de la versión TIFF de Zero Noise.

Este comportamiento del sensor cuadra con lo obtenido al calcular su curva de respuesta en Fotografía analógica vs digital, donde en la Fig. 3 podía verse como el canal B presentaba una pequeña alinealidad en el tramo final de la gráfica, coincidiendo con la saturación de los canales G y R.

Está por ver la posibilidad de guardar el RAW final en forma no lineal, es decir, con una curva gamma aplicada. Esto hace la versión TIFF de Zero Noise y supone disponer de más niveles tonales en las sombras profundas que serán útiles para evitar posterización si éstas se van a "levantar" fuertemente. Un ejemplo real de la mejora obtenida puede verse en el artículo TIFF con más de 16 pasos de rango dinámico.


CÁLCULO DE EXPOSICIONES RELATIVAS Y MAPA DE FUSIÓN

Tras lo observado con las saturaciones parciales, se ha mejorado el algoritmo de cálculo de exposiciones relativas robusteciéndolo frente a alinealidades provocadas por tales saturaciones.

En el caso de los dos archivos RAW tomados para el ejemplo, la exposición relativa calculada fue de exactamente 4 pasos de diafragma, cosa poco habitual ya que suelen producirse ligeras desviaciones:


Fig. 4 Histograma de la exposición relativa entre los dos RAW del ejemplo.

Los algoritmos de fusión son los originales de Zero Noise y están orientados a minimizar la progresividad de la mezcla, es decir, lograr que la mayoría de píxeles de la imagen final vengan de una sola de las imágenes originales para que no haya pérdida de nitidez y la reducción de ruido sea máxima.

En este caso concreto la fusión se ha realizado con un radio de progresividad de 2 píxeles, dando lugar al siguiente mapa de fusión (pasar el ratón sobre la imagen para ver la escena):


Fig. 5 Mapa de fusión empleado para la escena ejemplo.

La captura más expuesta (el RAW 2) aportó el 84% de la información final de salida, marcada en negro en el mapa de fusión; y la menos expuesta (el RAW 1) el 16% de información, en blanco en el mapa de fusión. La exposición del RAW 2 se redujo en 4 pasos para igualarla a la del RAW 1.

Pese a la considerable fragmentación del mapa, la progresividad introducida solo afectó al 4,6% del total de píxeles viniendo el resto de una sola de las imágenes origen.


RAW VIRTUAL DE 16 BITS Y RANGO DINÁMICO

Comparando los histogramas RAW podemos constatar que la profundidad tonal del RAW virtual es de 16 bits reales. Esto proporciona muchos más niveles en los diafragmas bajos (sombras) de los que tiene el RAW menos expuesto, que tiene un histograma típico de 12 bits.

Así en el diafragma 12º respecto a la saturación (marcado como -11EV) el RAW 1 tiene un único nivel, mientras el RAW final tiene 16 niveles, los que obtiene del diafragma 8º del RAW 2 (marcado como -7EV).


Fig. 6 Histogramas RAW de las dos capturas y el RAW virtual resultante.

El canal verde contabiliza el doble de píxeles que los canales rojo o azul por la estructura RGGB de la matriz de Bayer. Los dos canales verdes G₁ y G₂ se han representado conjuntamente por simplicidad.

En cuanto al rango dinámico, y dado que la Canon 350D puede capturar aceptablemente libres de ruido 8 pasos de diafragma, la sobreexposición por 4 pasos nos habrá permitido capturar hasta 12 que es todo el rango dinámico que tenía la escena según se desprende del propio histograma.

Como paso previo a la conversión final a un archivo de formato RAW, se han añadido rótulos que delatarán el origen artificial del fichero de salida.

3. ENCAPSULADO EN DNG DE 16 BITS

Una vez tenemos la información producto de la fusión en forma de niveles enteros de 16 bits, vamos a incrustarla en un archivo RAW estándar DNG de 16 bits que necesitará ser revelado para visualizarse.

Sobre los detalles técnicos de este paso poco puedo decir porque lo ha realizado íntegramente Egon, como ya hiciera para generar un archivo RAW sintético sin demasiados problemas en RAW. El mito del negativo digital.

REVELADO RAW Y RESULTADOS FINALES

El objetivo buscado era que el archivo RAW resultante pudiera procesarse con cualquier revelador que soporte el formato DNG, por lo que emplearemos ACR para realizar todos los revelados.


SOMBRAS PROFUNDAS Y ALTAS LUCES

Si comparamos el RAW virtual con los originales, vemos que el RAW 1 presentaba una gran cantidad de ruido en las sombras y el RAW 2 tenía completamente quemadas las luces, con lo que como ya dijimos ninguno de los dos por sí solo habría servido para capturar completamente el rango dinámico de la escena.

El RAW virtual en cambio, al contener toda la información de los otros dos, mantiene preservadas las altas luces a la vez que libres de ruido las sombras.

A continuación se muestran recortes al 50% de las sombras profundas y al 25% de las altas luces, comparando la información contenida en el RAW virtual con la de los RAWs originales:


Fig. 7 Comparación sombras profundas y altas luces RAWs originales y RAW virtual.

Con dos disparos en una modesta Canon 350D, hemos obtenido un RAW virtual de mayor calidad en cuanto a ruido y rango dinámico de lo que se habría logrado con una única toma en cualquier réflex digital actual, incluyendo las últimas Nikon y las Fuji con sensor Super CCD en modo de alto rango dinámico.

A riesgo de resultar grandilocuente, posiblemente estemos ante el RAW con menos ruido del mundo. Posiblemente....


PECULIARIDADES DE LA FUSIÓN RAW

Una mejora interesante derivada de fusionar en el dominio RAW en lugar de hacerlo con archivos TIFF, es que en las hojas de los árboles sometidas a la acción del viento, y contra cuyo movimiento no se tomó ninguna precaución en el mapa de fusión, no llega ni a advertirse la existencia de tal movimiento.

Intuyo que al fusionar en el dominio de Bayer, la interpretación en el revelado de las zonas movidas es más natural y progresiva que cuando se revelan los RAW por separado y luego se fusionan.

Además una ventaja curiosa que se tiene al revelar el RAW virtual respecto a revelar los originales, ha sido que ACR no elimina en el primero aquellos píxeles del borde que sí descarta en los RAW de Canon.

Mientras los RAW 1 y 2 revelados en ACR generan imágenes de 3456x2304 píxeles, el DNG virtual produce una imagen de 3474x2314 píxeles, con 18 píxeles extra en la dimensión mayor y 10 en la menor:


Fig. 8 Píxeles adicionales en los bordes del RAW virtual respecto a los RAWs originales.

Puede observarse que la lente usada (Canon 10-22 a 10mm) dio lugar a considerables aberraciones cromáticas en los bordes silueteados contra el cielo, que lógicamente se transmiteron de los RAW originales al RAW virtual. No tienen nada que ver por tanto con el procedimiento de fusión.


FUSIÓN RAW vs MAPEO DE TONOS

La fusión de RAWs realizada no incluye, ni tampoco lo pretende, el mapeo de tonos necesario para lograr sacar a relucir el rango dinámico captado. Se trata de etapas diferenciadas del proceso:

1. Zero Noise fusiona las imágenes produciendo un RAW (o un TIFF) de la máxima calidad, pero sin ningún procesado:
   
FUSIÓN RAW = CAPTURA VIRTUAL

2. Entonces el usuario utilizará sus herramientas habituales de revelado, mapeo de tonos HDR,... para llegar a la imagen final:
   
MAPEO DE TONOS = PROCESADO

Si abrimos el RAW virtual en ACR con todos los ajustes a cero, el resultado es idéntico al de fusionar con la versión TIFF de Zero Noise, una imagen sin procesado alguno:


Fig. 9 Resultado de revelar en ACR con todos los ajustes a cero.

La subexposición inicial es inevitable en las capturas de alto rango dinámico cuando aún no se ha hecho el mapeo de tonos. Sin esa subexposición general las altas luces estarían quemadas, es así de simple. Puede verse aquí otro ejemplo de alto rango dinámico procedente de un RAF de Fuji.

En el tutorial Mapeo de tonos HDR se hace una propuesta para procesar estas imágenes subexpuestas. Sin embargo ahora con el nuevo RAW virtual podemos hacer uso del revelador o programa de HDR para (pre)procesarlo, que era precisamente el objetivo de hacer una fusión con salida RAW.

Así se han realizado ajustes para tratar de obtener directamente en ACR una salida HDR lo más acabada posible y con un aspecto natural. La clave es la curva de tonos aplicada con la finalidad de reducir el contraste global, aclarando las sombras mientras se preservan las altas luces.

Todos los parámetros de ajuste están incrustados en el DNG listo para descargar, y proporcionan el siguiente resultado tal cual sale de ACR (pulsar sobre la imagen para verla a 1024px):


Fig. 10 Resultado de revelar en ACR con ajustes de mapeo de tonos.

Sería fácilmente mejorable con un procesado más adecuado, sobre todo por la pérdida de contraste local sufrida en los detalles del exterior. Solo pretendía mostrarse que es posible mapear los tonos de una escena de alto rango dinámico en el mismo revelador RAW, siempre claro está que se parta de un RAW libre de ruido.

DESCARGA DE ARCHIVOS RAW

Para el que desee hacer pruebas, los tres archivos RAW pueden descargarse de los enlaces siguientes:

• RAW 1 (7 MB)
• RAW 2 (8,5 MB)
• RAW virtual (14 MB)

Recomiendo descargar al menos el último. Un RAW de una escena con ese rango dinámico, y en el que se pueden "levantar" las sombras todo lo que se desee sin aparición de ruido resulta bastante impactante.

Haciendo lineal la curva de ajuste nos daremos cuenta rápidamente del gran contraste que poseía la escena, y el difícil reto que suponía por lo tanto dadas las limitaciones de la cámara.

CONCLUSIÓN Y APLICACIONES

Se ha llevado a cabo con éxito la fusión de archivos RAW preservando toda la información contenida en los mismos, y obteniendo como resultado un RAW de 16 bits reales y muy bajo ruido que puede procesarse con cualquier revelador que soporte el formato DNG. Que yo sepa es la primera vez que se realiza una fusión de archivos RAW sin salir del dominio Bayer.

Como efecto añadido de la reducción de ruido se tiene una expansión del rango dinámico captado lo que hace la fusión idónea en escenas de alto contraste (HDR). Lo expuesto no tiene nada que ver con el mapeo de tonos de dicho tipo de escenas, que habrá de abordarse en cualquier caso.

El archivo resultante es una fuente de información de la máxima calidad, y directamente utilizable con cualquier programa o método de mapeo de tonos que trabaje en RAW. Conceptualmente la fusión de RAWs genera información captada, no información procesada.

Las aplicaciones de esta técnica abarcarían campos diversos tales como:

• Arquitectura e interiorismo
• Bodegones de estudio
• Paisajes con fuerte contraste
• HDR sin ruido usando Photomatix, Enfuse,...
• Fotografía nocturna o con escasa iluminación
• Fotografía orientada a la edición por zonas
• Escaneo de negativos y diapositivas

Queda lógicamente excluida su utilidad en cualquier tipo de fotografía de acción, por la imposibilidad de emplear un trípode y disponer de una escena relativamente estática.

Se me ocurre que aplicando la fusión RAW en los sensores de gran resolución recientemente aparecidos en el mercado (Sony A900 y Canon 5D Mark II), junto con una óptica de calidad acorde, podrían obtenerse resultados de la misma o incluso superior calidad que con respaldos digitales de otro nivel de precio.

La fusión compensaría el mayor ruido por píxel de estos sensores debido a su alta resolución, en relación a cámaras de menor densidad de píxeles. Así podrían hacerse copias de escenas de alto rango dinámico en tamaños hasta ahora fuera del alcance de una réflex digital.

Intentaremos tener lista en cuanto sea posible una versión plenamente utilizable del programa, ya que la problemática en cuanto al método y la forma de implementarlo han quedado resueltos.


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