INTRODUCCIÓN

En el presente artículo vamos a tratar de cuantificar de una manera lo más rigurosa posible el ruido y el rango dinámico de un sensor de imagen digital.

Sin quitar valor a las comparativas que enfrentan imágenes de una misma escena donde contrastar visualmente el ruido que produce una u otra cámara, haremos mediciones numéricas para calcular de una forma repetible el ruido real capturado por el sensor.

Al no estar sujetos a ninguna imagen de prueba particular, ni a los procesos de ningún revelador RAW concreto (ya que los datos se van a analizar en el dominio Bayer, es decir sin revelarlos), creo que ésta es la forma que mejor permite extrapolar resultados a lo esperable en una situación real genérica.

Para dar animación al asunto compararemos las mediciones de ruido y rango dinámico realizadas sobre archivos RAW de las siguientes tres cámaras: Canon 5D, Canon 5D Mark II y Canon 7D. Con ellas estamos contrastando tecnologías ya muy maduras (2005) con las más recientes (2009), tamaños de sensor APS-C y FF, así como resoluciones en el rango de 13Mpx con resoluciones del orden de 21Mpx.

A la anterior colección de cámaras del artículo original, se ha añadido la recién aparecida Pentax K5. Su sensor APS-C de Sony, compartido con otras cámaras como la Nikon D7000 y la Sony A580, está dando mucho que hablar por el alto rango dinámico que está obteniendo en diferentes pruebas y mediciones de ruido.

Los métodos usados serán aplicables a cualquier modelo de cámara, de modo que el que lo desee se anime a hacer sus propias mediciones de ruido con herramientas de fácil disponibilidad.

Como es obvio los resultados que van a obtenerse hacen referencia única y exclusivamente al ruido, no pretendiendo establecer en modo alguno cuál de las cámaras analizadas será la mejor para una aplicación determinada donde muchas otras variables deberán ser sopesadas.

Incluso centrado el análisis en el tema del ruido, éste puede abordarse de diferente modo según los usos finales. Así la cámara menos ruidosa para una determinada aplicación no necesariamente será la mejor para otra aplicación diferente. A este respecto recomiendo no dejar de leer las reflexiones finales sobre la "cámara ruidosa".

Mi agradecimiento a Pascual Pérez (laucsap60 en Ojo Digital) por los archivos RAW de la Canon 5D Mark II, a Juan Zas (Juan55 en Canonistas) por los correspondientes de la Canon 7D y a Ion Such (mersault en Ojo Digital) por las capturas para la Pentax K5.

Empecemos el ruidoso viaje...

RELACIÓN S/N EN FUNCIÓN DE EXPOSICIÓN RAW

La percepción del ruido que se tiene en una imagen, no depende del nivel absoluto de ruido sino de la relación existente entre el nivel de ruido y el nivel de señal útil. Es lo que se conoce como relación señal a ruido (en adelante relación S/N), y nos viene a indicar cuántas veces más grande es el nivel de señal presente en una zona de la imagen respecto al nivel de ruido existente en el mismo área.

En un sensor la relación S/N depende fundamentalmente del nivel de exposición logrado en el RAW y del ajuste ISO empleado, por lo que una buena forma de caracterizar completamente el comportamiento de un sensor en cuanto al ruido es calcular qué relación S/N produce para cada posible nivel de exposición RAW, replicando el proceso para cada valor de ISO.

A partir de la correspondencia anterior, determinar el rango dinámico útil de una cámara es fácil calculando el número de pasos existentes entre la saturación del sensor, y aquel nivel de exposición RAW en el que la relación S/N cae por debajo de cierto umbral usado como criterio.

METODOLOGÍA

La metodología que vamos a seguir consistirá en hacer mediciones de ruido sobre parches de luminosidad y color uniformes, obtenidos a partir de capturas sobre cartas de color.

Para asegurar la uniformidad de la iluminación intentaremos emplear fuentes alejadas de la carta y todas del mismo color, así como lentes con el menor viñeteo posible. Además procuraremos desenfocar ligeramente la carta para que la textura de la misma no sea en ningún caso interpretada como ruido en las medidas:

Fig. 1 Captura de carta de color para mediciones de ruido.

La temperatura de color de la iluminación empleada o el balance de blancos ajustado en la cámara son irrelevantes. Lo único que importa es que cada parche quede lo más uniformemente iluminado posible.

Haremos varias capturas muy subexpuestas (que aparezcan casi negras en el display de la cámara), o de lo contrario no podremos caracterizar el ruido del sensor en las sombras profundas que es donde nos interesa para poder calcular el rango dinámico.

El motivo de emplear capturas sobre cartas de color es que con ellas nos bastará analizar los datos RAW en cada uno de los parches para obtener tanto el nivel de Señal, como el nivel de Ruido correspondiente a dicho nivel de señal:

El nivel de Señal lo obtendremos calculando el valor medio de los niveles RAW del parche considerado

El nivel de Ruido lo obtendremos a partir de la desviación típica de los niveles RAW del parche considerado

Esto lo podemos hacer así gracias a que el ruido de un sensor sigue una distribución gaussiana de media nula y por lo tanto:

Como la luminosidad de cada parche es uniforme, el valor medio de exposición obtenido en él se corresponde con el nivel de señal teórico esperado a pesar de la presencia de ruido

Por otro lado el ruido supone desviaciones alrededor de este nivel medio de señal, y su potencia se mide con la varianza de la señal (obtendremos la desviacion típica, que es la raíz positiva de la varianza)

El siguiente histograma RAW muestra cómo una captura sobre una superficie de color e iluminación uniformes genera en cada canal un histograma en forma de campana de Gauss, siendo el valor medio de cada campana el nivel de señal que podíamos esperar y debiéndose el ensanchamiento de la misma al ruido:

Fig. 2 Histograma RAW de parche con iluminación uniforme.

Solo nos falta una herramienta con la que extraer los datos RAW sin realizar la interpolación de Bayer y el posterior cálculo del nivel medio de señal y desviación típica para el ruido.

Una opción válida sería emplear DCRAW para extraer los datos RAW, y usar el mismo Photoshop para calcular los estadísticos requeridos. El valor medio en un parche seleccionado y la desviacion típica son valores que Photoshop proporciona junto a sus histogramas.

Sin embargo para tener una mayor precisión y comodidad he empleado un programa de análisis de archivos RAW creado por el ya desaparecido Gabor Schorr, llamado Rawnalyze.

Esta herramienta visualiza el contenido de un archivo RAW y permite seleccionar áreas rectangulares sobre las que hará los cálculos estadísticos que precisamos para nuestras medidas: nivel RAW medio en el área seleccionada (señal), y desviación típica en la misma (ruido).

Además realizará el cálculo de manera independiente en cada uno de los tres canales del RAW, permitiéndonos así obtener tres mediciones de señal y ruido diferentes en cada parche. Y es que lo normal será que cada canal obtenga una exposición diferenciada de los otros dos.

Como se explica en detalle en el artículo El grano digital, la amplitud y la naturaleza del ruido no depende del canal considerado, sino solo del nivel de exposición logrado en cada fotocaptor. Por eso no tiene sentido hacer un análisis de ruido diferenciado para cada canal, sino que de los tres podemos obtener exactamente el mismo tipo de medidas y combinarlas todas ellas.

NIVEL DE SATURACIÓN DEL RAW

Para poder obtener toda la información capturada en el archivo RAW ha de conocerse el nivel máximo en el cual la cámara codifica información.

Como se explica en el artículo El nivel de saturación del RAW, ese valor varía de una cámara a otra y en una misma cámara puede cambiar con el ISO. Siguiendo los pasos explicados en dicho artículo se han obtenido los siguientes valores de saturación RAW para las cámaras estudiadas:

CÁMARA	ISO100/80	ISO1600	MÁX.
Canon 5D	3692	3692	4095
Canon 5D Mark II	15758	15763	16383
Canon 7D	13582	15299	16383
Pentax K5	16383	16383	16383

Fig. 3 Niveles de saturación RAW de las cámaras estudiadas.

La diferencia de orden de magnitud entre la 5D y las otras tres cámaras se debe a que la 5D clásica es una cámara de 12 bits, cuando las otras son de 14 bits. La última columna indica el valor máximo de la escala de N bits correspondiente (2^N-1).

Es más que probable que no todos los reveladores RAW tengan en cuenta al milímetro cuál será el nivel de saturación óptimo para cada cámara y para cada valor de ISO, pero ya que disponemos de la información en el presente análisis sí afinaremos al máximo posible.

Es bastante notorio el salto en el nivel de saturación en la Canon 7D entre ISO100 e ISO1600, lo que puede llevar a perder información interesante de altas luces en caso de que el revelador RAW use un valor genérico para todos los ISO.

Por ejemplo DCRAW para la Canon 7D usa un valor constante de 13584 en cualquier ISO. Puede comprobarse el valor tomando un RAW de dicha cámara y revelándolo con este revelador:


   C:\>dcraw -v 7d_iso1600.cr2

   Loading Canon EOS 7D image from 7d_iso1600.cr2 ...

   Scaling with darkness 2047, saturation 13584, and

   multipliers 2.013765 1.000000 1.439772 1.000000

La pérdida de rango dinámico en las luces respecto a un revelado óptimo con un nivel de saturación 15299 la podemos cuantificar comparando el número de niveles con información útil en cada caso.

Restando 2047 que es el nivel de negro en ese archivo RAW obtenemos: log₂((13584-2047) / (15299-2047)) = -0,2EV, cantidad que sin ser muy grande no viene de gusto tirar por la borda sin motivo.

Parece por lo tanto la Canon 7D una cámara candidata a requerir un procesado bastante fino por parte del revelador RAW, si se quiere lograr extraer absolutamente toda la información de altas luces de sus archivos.

ASUNCIÓN DE LINEALIDAD DEL SENSOR

Por la forma en que vamos a realizar las mediciones de señal y ruido, una condición de la que vamos a echar mano es aproximar que la respuesta del sensor sea perfectamente lineal. Es decir, que los niveles generados en el RAW son directamente proporcionales a la cantidad de luz recibida, para cualquier nivel de exposición y para cualquier valor de ISO.

Hasta donde he podido comprobar, esto en cámaras Canon se cumple más que aceptablemente bien para un amplio rango de valores de exposición. Solo en archivos RAW con fuerte saturación la respuesta pierde su linealidad, lo que no nos afectará pues los RAWs empleados en el estudio serán archivos subexpuestos para medir el ruido preferentemente en el rango donde éste puede suponer un problema.

A continuacion se muestran medidas reales realizadas sobre una Canon 350D donde puede observarse una respuesta muy lineal en un rango de niveles de exposición del archivo RAW de hasta 9 pasos, suficiente para el estudio de ruido:

Fig. 4 Curvas de respuesta de Canon 350D.

MEDICIONES DE SEÑAL Y RUIDO

Explicados los preámbulos y la metodología, vamos a hacer las mediciones de señal y ruido que nos permitan obtener las curvas de relación S/N.

Con Rawnalyze vamos a seleccionar rectángulos sobre los distintos parches de las capturas RAW obtenidas sobre cartas fotográficas con la Canon 5D, Canon 5D Mark II, Canon 7D y Pentax K5.

En ellos obtendremos parejas de valores de exposición (señal) y desviación típica (ruido), que pueden leerse en los lugares recuadrados:

Fig. 5 Medición de señal (avrg) y ruido (StDev) con Rawnalyze.

El nivel de señal lineal se obtendrá restando al anterior nivel medio del parche (avrg) el nivel de negro (BLACK) del archivo RAW, que puede obtenerse también en Rawnalyze en la opción de Histograma, donde se indica su valor medio:

S_lin = avrg - BLACK
Las cámaras Canon tienen en general un nivel de negro distinto de 0, pero habitualmente en otras marcas esta corrección no será precisa y Rawnalyze nos proporcionará directamente S_lin.

El valor de desviación típica (StDev) es el ruido sin más, así la relación S/N lineal medida en cada parche se obtendrá como cociente directo entre el nivel de señal anterior y la desviación típica del ruido:

SNR_lin = S_lin / StDev
Para pasar este valor de relación S/N lineal a dB, que será la unidad que emplearemos en las gráficas, basta hacer el siguiente cálculo:

SNR_dB = 20 * log₁₀(SNR_lin)
Por último para expresar el nivel de señal en pasos (EV) de exposición respecto a la saturación, no tendremos más que emplear los valores de saturación (SAT) de la Fig. 3 y el nivel de negro (BLACK) ya obtenido en Rawnalyze, haciendo:

S_EV = log₂(S_lin / (SAT-BLACK)) = log₁₀(S_lin / (SAT-BLACK)) / log₁₀(2)
Para más claridad en el archivo Excel RuidoYRangoDinamico.xls pueden verse todas las medidas y cálculos realizados hasta obtener las curvas.

CURVAS DE RELACIÓN S/N

Con todos los datos recopilados obtener las curvas de relación S/N para cada cámara e ISO es inmediato: representaremos en el eje X el nivel de exposición RAW respecto a la saturación del sensor en pasos (EV), y en el eje Y la relación S/N en dB (aprox. 6dB = 1EV).

Se eligieron los valores de ISO100 (ISO80 en la Pentax) e ISO1600 en el estudio por ser ISO100 el menor ISO real (y por lo tanto el que nos propocionará el menor ruido visible a igual exposición RAW, así como la mayor capacidad de captura de rango dinámico), y ser ISO1600 el mayor ISO real con el que se obtiene alguna ventaja disparando en RAW en condiciones de baja iluminación.

Para entender el porqué de esta última afirmación nada gratuita, recomiendo la lectura de los artículos relacionados Mejora en ruido subiendo el ISO y Los ISOs astronómicos. ISOs de la Canon 5D Mark II.

Las gráficas de relación S/N en dB para un determinado nivel de exposición RAW respecto a la saturación del sensor en pasos (EV) son las que siguen:

Fig. 6 Curvas de relación S/N por píxel.

NOTA: en las zonas cercanas a la saturación las curvas deberían tender a una pendiente mínima de 3dB/EV por predominio del ruido fotónico, cuando se ve claramente que muchas de ellas alcanzan pendientes menores. El motivo es que al estar midiendo el ruido como la desviación típica de la señal, la respuesta no 100% uniforme de los fotocaptores contribuye arrojando una relación S/N menor de la real conforme vamos a niveles de exposición mayores.

El origen de este hecho se explica en este artículo de Emil Martinec: Pixel response non-uniformity (PRNU), y no afecta a las estimaciones de rango dinámico que haremos pues éstas se calcularán en base a valores de relación S/N obtenidos en zonas donde la PRNU es despreciable frente a los ruidos fotónico y de lectura.

De estas curvas ya podríamos hacer varias lecturas y hallar el rango dinámico, pero en mi opinión sería un error por un motivo fundamental: los cálculos que hemos hecho son de relación S/N por píxel.

Sin embargo las cámaras que estamos comparando tienen resoluciones (número total de píxeles) muy diferentes, y este hecho debe ser tenido en cuenta en una comparación justa.

Una cámara de mayor resolución, va a disfrutar por puro promediado estadístico de una mejora de la relación S/N percibida para un determinado tamaño de copia final respecto a otra de menor resolución.

De ahí que sea incorrecto, o como poco haya que considerar con reservas, comparar recortes al 100% de imágenes en busca de la cámara con menos ruido, ya que estaríamos siendo injustos con la que tuviera mayor resolución.

Del mismo modo es un error afirmar de forma genérica que sea contraproducente disponer de muchos Mpx en el sensor porque eso vaya a producir más ruido. Puede ocurrir que una cámara presente más ruido por píxel (es decir, en recortes al 100%) que otra de menor resolución, pero el promediado estadístico de este ruido una vez las imágenes obtenidas con ambas hayan sido reescaladas a una misma resolución final, haga que el nivel de ruido percibido sea similar.

"Las fotografías no se contemplan en recortes al 100%
sino reescaladas a un determinado tamaño de copia final
(ya sea en papel, en una página web o en cualquier otro soporte)"
Como se explica en el artículo Rango dinámico, una forma razonable de normalizar los resultados de relación S/N y hacerlos verdaderamente comparables entre sí es escalarlos por un factor proporcional a la raíz de la resolución de cada sensor.

En este caso vamos a referenciarlos a la resolución de la Canon 5D, de modo que normalizaremos respecto a 12,7Mpx los valores de relación S/N obtenidos para la Canon 5D Mark II, la Canon 7D y la Pentax K5:

SNR_norm = SNR_{por píxel} * (Mpx / 12,7)^1/2
O en escala logarítmica:

SNR_{norm dB} = SNR_{por píxel dB} + 20 * log₁₀ (Mpx / 12,7)^1/2
Así por relación de resoluciones los valores de relación S/N de la Canon 5D Mark II se corrigen por +2,18dB, los de la 7D por +1,49dB y los de la Pentax K5 por +1,10dB, obteniendo las siguientes curvas de relación S/N normalizadas que, ahora sí, suponen una comparación justa entre todas estas cámaras:

Fig. 7 Curvas de relación S/N normalizadas a la 5D.

A la vista de las curvas, y antes de añadir la Pentax K5 a la comparativa, los comentarios más revelantes que pueden hacerse sobre las Canon son:
(NOTA: 6dB = 1EV)

La 5D Mark II supera a las otras dos cámaras en aproximadamente 2/3EV de mejora en la relación S/N para los dos ISOs analizados, y presumiblemente para cualquier ISO intermedio entre ambos
La 5D y la 7D tienen un rendimiento muy similar en cuanto al ruido, lo que hace pensar que la mejora tecnológica ha venido a compensar la diferencia de tamaño del sensor
A ISO100 la 7D llegaría a superar muy ligeramente a la 5D en las sombras profundas (rango dinámico), no así en zonas de correcta exposición donde la 5D se comporta ligeramente mejor
En cambio al subir a ISO1600 el mayor tamaño del sensor de la 5D se impone dando una respuesta ligeramente mejor en la 5D que en la 7D para cualquier nivel de exposición

Sin embargo al introducir en la comparativa el sensor de la Pentax K5, que no olvidemos es de formato APS-C, los anteriores esquemas se rompen:

A ISO80 en niveles de exposición medios y altos, y a ISO1600 en todo el rango, el sensor de la Pentax K5 rinde de modo similar al de las Canon 7D y 5D siendo claramente superada por la Canon 5D Mark II
Pero si nos vamos a niveles de exposición bajos, a ISO80 el rendimiento de la Pentax K5 es sorprendente, superando con claridad incluso a la Canon 5D Mark II que es una cámara FF relativamente moderna

Esta buena respuesta de la curva de relación S/N a medida que nos vamos a zonas de pobre exposición (ver señal parpadeante en la Fig. 7), significa que a ISO80 el sensor de la Pentax K5 tendrá poco ruido en las sombras profundas.

Esto es equivalente a afirmar que trabajando a ISOs bajos (ISO80 en la prueba), estamos ante una cámara de alto rango dinámico. Por tanto podrá hacer frente en mejores condiciones que otros modelos a escenas con una gran diferencia de luminosidad entre luces y sombras.

RANGO DINÁMICO

El rango dinámico de un sensor se define como el número de pasos que éste es capaz de capturar desde las altas luces con detalle, hasta las sombras profundas lo suficientemente libres de ruido como para distinguir las texturas en ellas. Pero cómo definimos numéricamente lo que está "suficientemente libre de ruido"?.

La forma habitual de hacerlo es establecer un criterio umbral de relación S/N, considerando que todo lo que tenga una relación S/N por debajo de dicho umbral no es información válida.

Un buen criterio de umbral a considerar es 12dB, que en las curvas de la Fig. 7 queda representado por la línea horizontal naranja. En esta imagen podemos hacernos una idea del nivel de ruido que supone una relación S/N de 12dB.

Considerando ese criterio de 12dB obtenemos el rango dinámico para cada cámara y valor de ISO contando el número de pasos desde la saturación hasta la intersección de la curva y la línea de 12dB:

Fig. 8 Rango dinámico medido sobre las curvas S/N (criterio S/N=12dB).

De nuevo hacemos primero unas consideraciones sobre las Canon:

El rango dinámico de la 5D Mark II es superior entre 1/2EV y 1EV a ISO100, y cerca de 1EV a ISO1600 al de las otras dos Canon
La 5D y la 7D tienen un rendimiento similar en rango dinámico, ganando ligeramente la 7D a ISO100 y la 5D a ISO1600
La pérdida de capacidad de capturar rango dinámico que supone subir el ISO, es mayor en el sensor más pequeño de la 7D

Sin embargo cuando el sensor de la Pentax K5 entra en juego:

A ISO1600 su rango dinámico es similar al de la Canon 7D y 5D como se deduce de lo que ya dijimos
A ISO80 en cambio está por encima de todas las demás cámaras, superando a la Canon 5D Mark II en casi 2 pasos completos de rango dinámico

Estamos así ante una cámara que con su ISO80 parece haber logrado romper por fin la cota de rango dinámico que impusiera a principios de 2004 Fuji con sus sensores Super CCD, pero en este caso con un sensor de tipología convencional.

Para conocer algo más en profundidad algunas de las cualidades de este sensor, puede leerse el artículo Pentax K5. El sensor perfecto?.

Debemos tener claro que todas las cifras de rango dinámico obtenidas están sujetas por un lado al criterio de relación S/N=12dB, y en el caso de las Canon 5D Mark II, 7D y Pentax K5 a la corrección por su resolución para normalizarlas a los 12,7Mpx de la 5D clásica.

Por lo tanto no son cifras directamente comparables con otras que hayan sido obtenidas bajo otros supuestos. Se calcularon de esta manera para que fueran conceptualmente comparables entre sí en este análisis particular.

PROCESADO DE RUIDO EN EL RAW

Por la forma en que hemos hecho la medición del ruido y del rango dinámico, una reducción de ruido software llevada a cabo por la cámara antes de guardar el RAW definitivo arrojaría valores de relación S/N superiores a los verdaderos, y por lo tanto un rango dinámico ficticio más alto del real.

Por suerte no es habitual que las cámaras realicen este tipo de reducciones de ruido, y cuando lo hacen es en general mediante la activación de la opción correspondiente por parte del usuario.

Bastante revuelo hubo cuando se descubrió que algunos modelos de cámaras réflex digitales Sony aplicaban reducciones de ruido clandestinas, lo que obligó a la marca a reconocer el hecho y dar al usuario la posibilidad de desactivarlas vía un nuevo firmware.

Pese a que los archivos RAW de Canon siempre han sido considerados entre los más genuinamente "crudos", es decir, no preprocesados por la cámara, vamos a tratar de dar fiabilidad a esta hipótesis haciendo uso de una herramienda denominada Transformada de Fourier (FFT).

Para saber más en detalle sobre ella puede acudirse al tutorial de Eliminación de tramas mediante FFT, en cuya parte final se exponen algunos ejemplos sobre cómo detectar que han sido aplicados procesos de reducción de ruido sobre imágenes.

Tomando diferentes parches de 50x50 píxeles en las capturas hechas para las Canon bajo estudio en el dominio RAW (en concreto hemos elegido el canal azul), se obtienen las siguientes distribuciones del módulo de la FFT:

Fig. 9 Ausencia de evidencias de reducción de ruido RAW en la FFT.

Todos ellos presentan un punto luminoso en el centro (delta) correspondiente al valor medio de señal en el parche, pero no evidencian ningún patrón espacial que haga suponer la existencia de un procesado de la información.

Aplicando el mismo análisis sobre los RAW de la Pentax K5 a ISO80 e ISO1600 el resultado es equivalente, por lo que nada hace pensar que el sensor Sony esté haciendo trampas para lograr su alto rendimiento.

Esto apoya la tesis de que los archivos RAW de las cámaras estudiadas no han sido preprocesados, y por lo tanto de que las mediciones de ruido y rango dinámico hechas sean consistentes con las capacidades reales de cada sensor a esos valores de ISO.

LA "CÁMARA RUIDOSA"

Cuando se habla de comparar ruido en cámaras digitales, hay una tendencia a hablar de ruido a ISOs muy altos, considerando "ganadora" la cámara que menos ruido presenta cuando se dispara a valores ISO elevados.

Esto tiene lógica si la aplicación a la que vamos a destinar el equipo consiste precisamente en situaciones de muy poca luz, donde vamos a necesitar una velocidad de disparo relativamente elevada, bien porque el sujeto está en movimiento, porque deberemos disparar a pulso, o por ambas cosas.

Pero qué ocurre si mi aplicación consiste en hacer fotografía de interiorismo o paisaje, donde voy a disparar con un trípode sobre escenas estáticas? qué cámara será la menos ruidosa en este caso, aquélla que presente menos ruido disparando a pulso a ISO3200, o la que presente menos ruido en las sombras con una exposición derecheada al ISO más bajo?.

Con estos dos ejemplos antagónicos lo que quiero dar a entender es que la "cámara ruidosa", o mejor dicho la cámara menos ruidosa, lo será dependiendo de la aplicación a la que estemos enfocados.

Retomando las curvas de relación S/N normalizadas de la Fig. 7:

Fig. 10 Curvas de relación S/N normalizadas a la 5D.

Si vamos a usar la cámara disparando a pulso en entornos típicamente con una iluminación ambiental pobre (por ejemplo en aplicaciones de deportes, fotoperiodismo,...) sobre escenas de bajo rango dinámico (un sujeto principal básicamente), entre la Canon 5D Mark II y la Pentax K5 elegiremos en cuanto al tema del ruido la Canon, porque en esas condiciones de ISOs altos y escenas de poco contraste nos proporciona una mejor relación S/N.

Por el contrario si vamos a retratar escenas con trípode, donde no es problema obtener una buena exposición al menor ISO pero el contraste puede ser elevado (por ejemplo en interiorismo o arquitectura), la elección más favorable sería la Pentax K5 ya que es capaz de capturar más rango dinámico en esas condiciones.

En realidad si atendemos a otras variables la elección seguramente sería la contraria. Por ejemplo la Canon 5D Mark II por ser FF podrá usarse con un abanico más amplio de objetivos angulares para interiorismo y paisaje.

Era solo un ejemplo para ilustrar que, en lo que al ruido se refiere, no siempre la cámara mejor en una aplicación lo será en otra dada, sino que habrá que evaluar los requisitos particulares de cada caso y la respuesta de cada cámara en la aplicación de interés.

Hace tiempo que en los talleres de RAW que he podido impartir, incluyo el siguiente ejercicio teórico-conceptual consistente en elegir qué cámara será mejor para una aplicación dada solo mirando sus curvas de relación S/N:

Fig. 11 Ejercicio teórico de elección de la cámara más adecuada para una aplicación.

Comparando con la Fig. 10, podemos ver que esta disyuntiva en principio teórica es precisamente la que existe en un caso real a ISOs bajos entre la Canon 5D Mark II (que sería la cámara A) y la Pentax K5 (cámara B).

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En general los formatos grandes (FF) van a ser siempre imbatibles cuando los requisitos de iluminación condicionan el uso de valores ISO elevados. Sin embargo en aplicaciones que permiten exponer correctamente al ISO nativo más bajo, las cámaras de formatos menores (APS-C) pueden defenderse muy bien como hemos visto, reduciéndose la ventaja de pasar a un sensor FF mientras toman relevancia otros condicionantes.

ZONAS DE INTERÉS EN LAS CURVAS DE RELACIÓN S/N

Las curvas de relación S/N permiten de una manera bastante precisa deducir la idoneidad que tendrá un sensor en cualquier aplicación en lo que respecta al ruido, ya que contemplan todas las situaciones posibles: requisitos de luz y/o velocidad (valor de ISO) y requisitos de rango dinámico de las escenas (nivel de exposición respecto a la saturación).

Como vimos arriba, la región de las curvas donde habremos de buscar una buena respuesta del sensor dependerá de la aplicación. Situando los dos casos típicos sobre los que se hizo hincapié en las curvas de relación S/N para la Canon 40D obtenidas por Emil Martinec, diríamos que:

La zona A será la prioritaria en aplicaciones con ISOs altos (luz escasa y/o requisito de alta velocidad) en escenas de bajo o medio rango dinámico
La zona B será la prioritaria en aplicaciones con el menor ISO nativo (buena iluminación y/o empleo de trípode) en escenas de alto rango dinámico

Fig. 12 Zonas de interés en las curvas de relación S/N Canon 40D.

CONCLUSIONES

Se ha explicado la forma de caracterizar la respuesta de un sensor digital en cuanto al ruido mediante un procedimiento reproducible basado en capturas sobre parches de color e iluminación uniforme. Con estas mediciones se han obtenido las curvas de relación S/N en función del nivel de exposición RAW.

Para realizar comparaciones justas se ha incorporando al cálculo el efecto de la resolución del sensor que, caso de no hacerse, jugaría en contra de las cámaras de mayor resolución.

Hecha esta corrección, se han sacado conclusiones del comportamiento de las cámaras estudiadas y se ha calculado el rango dinámico de cada una en base a un criterio umbral de relación S/N=12dB adecuado en fotografía.

El estudio se ha hecho sobre cuatro cámaras, contemplando en el conjunto tecnologías relativamente antiguas (2005) con las más recientes (2010), formatos de sensor APS-C y FF, así como resoluciones desde 13Mpx hasta 21Mpx.

Resumiendo los resultados, y dejando por un momento de lado la Pentax K5, diremos que la Canon 5D Mark II supera claramente en cuanto al ruido a las otras dos cámaras de la misma marca, las cuales rendirían de manera muy similar. La brecha tecnológica de la 5D a la 7D ha logrado compensar la diferencia de tamaño del sensor.

La aparición reciente del nuevo sensor Sony que lleva la Pentax K5 (y que también usan otras cámaras tales como la Nikon D7000 y la Sony A580), ha supuesto un salto cualitativo muy grande pues logra superar en valores de ISO bajos la capacidad de capturar rango dinámico incluso del sensor FF de la Canon 5D Mark II.

El rendimiento de dicha cámara a ISOs altos sin embargo decrece notablemente, quedando al nivel de las APS-C de la competencia como la Canon 7D, y por debajo por lo tanto de la Canon 5D Mark II.

Con ayuda de la FFT no se obtiene evidencia alguna de procesado interno en los archivos RAW con el fin de reducir ruido en ninguna de las cámaras analizadas.

Por último se ha hecho un comentario para recalcar que en la consideración del ruido de una cámara digital, existe vida más allá del ruido a ISOs astronómicos. El ruido a considerar dependerá de la aplicación a la que va destinada la cámara y en ciertos usos por ejemplo el ruido al ISO nativo base será el importante, y no el que se tenga a altas sensibilidades.

A este respecto las curvas de relación S/N son una herramienta interesante por permitir estimar el comportamiento en cuanto al ruido que tendrá la cámara en cualquier aplicación posible. Solo habrá que tener buen criterio a la hora de elegir la zona de las curvas de relación S/N de interés para nosotros.

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