El Ruido ¿ pero eso que es ?

• ¿ Que es el ruido ?

La verdad es que tengo cierta dificultad para explicaros que es. Se me ocurre empezar diciendo que:

El RUIDO es en el mundo digital lo que el GRANO de la película era en la fotografía química.

• El ruido es esa especie de degradación que da a la imagen un aspecto granulado y falto de detalle.

Lo mejor serán un par de ejemplos:

Os pongo aquí un recorte al 100% de dos imágenes tomadas con mi primera cámara digital, una Canon Power Shot S60 de 5 Mpixels y con tecnología del cretácico inferior.

La primera está tomada a 50 ISO, la sensibilidad base del sensor, y la segunda está tomada a sensibilidad 400 ISO, la máxima de esta cámara (no os riáis, era del 2005).

La primera, no es que sea ninguna maravilla, pero al menos se ven algunos detalles. La segunda es un «pastiche» que ni siquiera tendría valor como cuadro impresionista.

La diferencia entre ambas es el ruido.

 

 

 

PROCESO DE CREACIÓN DE LA IMAGEN:

Antes de comentar cuales son las fuentes del ruido, dejadme que os explique un poco por encima cual es el proceso de formación de una imagen digital.

Hemos dicho que el ruido varía con la sensibilidad. Al aumentar el ISO, indefectiblemente también lo hace el ruido.

Esto ocurre porque la variación de la sensibilidad se consigue amplificando analógicamente la señal  analógica que genera el sensor. Se amplifica la señal, pero también el ruido.

Veamos este esquema en el que se representa muy básicamente el proceso de creación de la imagen final en JPG o TIF. Supongamos un sensor teórico con matriz de filtrado Bayer RGB de 1000 pixels. Los pasos que sufre la señal para producir la imagen son estos:

 

• Partimos de un sensor RGB de 1000 píxeles, donde la configuración «Bayer» nos indica que habrá 250 píxeles R, 500 píxeles G, y 250 píxeles B. Una vez tomada la imagen, cada uno de estos píxeles tendrá almacenado un valor de «luminancia», en forma de carga eléctrica. Tendrá un «voltaje» proporcional a la cantidad de luz que le ha llegado.

• Este voltaje, se amplifica en un amplificador analógico en función del ISO seleccionado. Por ejemplo, si la sensibilidad base del sensor es 100 ISO, y estamos trabajando a 100 ISO, la señal analógica se amplificará x1. Si trabajamos a 200 ISO, se amplificará x2, a ISO 400, x4 y así sucesivamente…………, a ISO 3200, x32, etc……

• Esa señal amplificada (que también será un voltaje), de la que seguirá habiendo 250 píxeles R, 500 píxeles G, y 250 píxeles B, se aplica a un conversor Analógico – Digital (A/D). La señal analógica se «cuantifica» en él y da como resultado un número binario para cada uno de los valores de las señales de entrada. Habrá, por tanto, 250 números binarios (NºB) para R, 500 (NºB) para G, y 250 (NºB) para B. Según la precisión del conversor, la cuantificación se puede haber hecho a 8, 10, 12 ó 14 bits. Cuanto más precisión tenga el conversor, mas «fiel» será el número binario que representa al valor analógico de entrada.

Para simplificar, diremos que el conjunto de todos esos números binarios es lo que constituye el fichero bruto o crudo de imagen, que normalmente se llama RAW.

Ya sabemos que ese fichero no contiene aún ninguna imagen directamente visualizable. Solo tiene su «embrión» y por eso muchas veces se le asocia con el «negativo digital». Para crear la imagen es necesario aplicarle un proceso de conversión donde se hacen muchas cosas. Este proceso se puede hacer directamente en la propia cámara, o también en un ordenador externo a partir del fichero RAW.

En este proceso se aplica el «espacio de color», se ajusta la temperatura de color y el equilibrio de blancos, se ajustan la nitidez, el contraste, la saturación, el tono y muchas cosas más, pero eso no es el objeto de esta píldora.

Aunque no tenga relación directa con el ruido, aprovechando que estamos aquí,  no quiero pasar por alto la primera fase de este proceso. Se trata del proceso «demosaico» y en él se asignan valores de luminosidad a todos los puntos de la imagen.

La reflexión que quiero que os hagáis es la siguiente: El sensor tiene 1000 píxeles. Pero solo hay 250 R, 500 G y 250 B. Sin embargo, la imagen final tiene 1000 puntos de imagen, y cada uno de ellos tiene valores de luminosidad para los tres colores RGB. ¿ De donde han salido ?

¿ Que valores R o B tiene un punto de imagen que en el sensor es un pixel G ? o ¿ Que valor G tiene un punto de imagen que en el sensor es un pixel R o B ?

Pues bien, la respuesta es muy simple: «interpolación». El proceso «demosaico» es el que se encarga de asignar los dos valores que faltan en cada pixel R, o G, o B, para completar la terna de valores para cada punto de imagen. Esto se hace por interpolación, y el algoritmo exacto varía en cada caso y es uno de los secretos mejor guardados por los fabricantes.

Así pues el conjunto inicial de 1000 píxeles formado por 250 R, 500 G y 250 B, da como resultado final una imagen de 1000 puntos, con 3 valores RGB para cada uno de ellos.

• La imagen final, en un sensor Bayer es «inventada».

Bueno. Pues ya sabemos algo más. Y ahora.

 

• ¿ De donde viene el ruido ?

No soy ningún experto en microelectrónica y menos en fotónica, pero por lo que he leído por ahí y dado que el nivel de estos mini-tutoriales es solo de iniciación, me atrevo a contaros que podemos considerar tres tipos de ruido:

RUIDO FOTONICO: Estadísticamente los fotones que inciden en un fotodetector (el elemento más simple de detección) siguen una distribución de Poisson. Eso quiere decir, más o menos, que la raíz cuadrada del número de fotones capturados es puro ruido. No corresponden a los reflejados por la imagen que queremos captar.

También debemos considerar que, a igualdad de luz y tiempo, el nº de fotones capturados por un fotodetector es directamente proporcional al área de captura.

Así, por ejemplo, si se capturan 10.000 fotones, 100 son ruido (la raíz cuadrada), el 1%. Si se capturan 1000 fotones, 32 son ruido, el 3,2% . Si se capturan 100, 10 son ruido, el 10%.

Siguiendo con el ejemplo: a igualdad en Mpixels, un sensor de 1/1,8” (38 mm²) respecto a un APS-C (384 mm²) tiene (384/38)^1/2 = 3,17 ; algo más del triple de ruido, simplemente por el tamaño del área de captura.

• A igualdad de ISO, el ruido es directamente proporcional al tamaño del sensor. Más exactamente al área de captura, que depende del tamaño de celda.

 

RUIDO TERMICO: Los fotodetectores son semiconductores y tienen asociado un ruido intrínseco, inherente a su constitución física, que solo depende de la temperatura absoluta. (La temperatura absoluta se mide en grados Kelvin Kº, y el cero absoluto corresponde a -273 ºC).

• Un sensor dará más ruido cuanto más caliente esté.

Y un sensor se calienta tanto por la temperatura ambiente, como por su propio funcionamiento. De ahí las restricciones que aparecen en la grabación de secuencias largas de video, cosa que algunos fabricantes advierten más, y otros menos.

 

RUIDO DE CUANTIFICACIÓN: El propio proceso de cuantificación (conversión A/D  – lo he explicado un poco más arriba) por su propia naturaleza de magnitud discreta (no continua), supone un error o ruido adicional que se asocia a los otros dos.

El error o ruido será mayor cuanto mayor sea el escalón de cuantificación o menor sea la precisión. Convertir a 8 bits generará más error que hacerlo a 12, 14 ó 16 bits, porque nos aproximaremos al valor real de la señal analógica de forma más burda o grosera.

 

Ahora ya estamos en condiciones de entender porqué el ruido varía con la sensibilidad.

 

RUIDO DE AMPLIFICACIÓN – Proporcional a ISO:

Hemos dicho que la sensibilidad se consigue a base de una amplificación analógica de la señal analógica del sensor, y que al amplificar la señal, también se amplifica el ruido.

Veamos esta tabla para ver si nos hacemos una idea mejor de eso. Partimos de los supuestos explicados al principio:

• La raíz cuadrada del número de fotones capturados, son ruido
• Hay un ruido térmico asociado a la física del captador, que solo es proporcional a la temperatura absoluta del mismo.

• Pongamos como ejemplo que trabajando a sensibilidad 100 ISO, para tener una exposición correcta, capturamos 1000 fotones, y estamos trabajando a una temperatura en que el ruido térmico equivale a 10 fotones (Todo esto son números inventados, pero sirven para ilustrar la conclusión final).

• Sabemos que 32 fotones son ruido (raíz cuadrada de 1000). De 1000 fotones en total, habrá 32+10 = 42 que serán ruido. La relación señal/ruido en tanto por ciento será del 4,2%.

• Ahora supongamos que trabajamos a sensibilidad 200 ISO. Amplificaremos x2, y por tanto necesitaremos la mitad de los fotones para producir la misma señal de salida. De 500 fotones en total, habrá 22+10 = 32 que serán ruido. La relación señal/ruido en tanto por ciento será del 6,2%.

• Si llevamos esto al extremo de 3200 ISO, amplificaremos x32. Habrá 31 fotones en total, pero 16 serán de ruido, y la relación S/R subirá hasta un desafortunado 51,6 %. La imagen final será un verdadero «pastiche».

¿ Se entiende ? Yo creo que si.

 

Conclusiones:

• A mayor sensibilidad, mayor ruido. A menor sensibilidad, menor ruido y más detalle en la imagen.

• A mayor tamaño de celda fotocaptadora, menor ruido, y colateralmente mayor margen dinámico, pues el ruido la limita mucho menos.

 

Opinión particular:

La tecnología avanza continuamente y cada vez son más sofisticados los algoritmos para tratar el ruido, pero yo creo que no hay que perder el norte.

En cuanto sale una nueva cámara al mercado nos empeñamos en analizar con lupa las zonas de sombra de sus imágenes a sensibilidades de 3200 ISO para arriba. Es muy interesante las posibilidades que brinda la tecnología para trabajar así, pero pienso que es un poco exagerado. Los sensores tienen una sensibilidad nativa, la más baja, y todo lo que sea pasar de ahí es incrementar en mayor o menor medida el ruido.

En la época de la película, normalmente se trabajaba por debajo de 160 ISO. Subir a 400 era ya arriesgarse a «sacar» mucho grano. Pasar a 800 ISO era solo para situaciones excepcionales, y solo los más osados se atrevían a trabajar con películas de 3200 ISO, siempre en blanco y negro, y buscando aquella estética muy especial.

El digital nos da muchas más posibilidades, pero no hay que perder la cordura.

 

Bueno. Pues hasta aquí quería llegar. Confío, espero y deseo que esta pequeña «píldora» os haya ayudado a entender la naturaleza y las consecuencias de este esquivo concepto, del que muchos hablan sin saber muy bien de donde viene.