¿Cómo se relaciona la ganancia al ISO?

Cuando incrementamos el valor ISO en nuestra cámara digital, estamos sencillamente aumentando la ganancia. En el mundo digital, ISO es una forma simple de renombrar los incrementos de ganancia desde su medición en decibeles (dB) a una terminología más habitual para usuarios de película. En ganancia, +6dB equivalen a duplicar la señal eléctrica, lo que equivale a aumentar 1 paso de luz. En ISO, cada tercio de paso – o duplicación del ISO anterior – representa duplicar la ganancia de la señal, o el equivalente a 1 paso de diafragma. Es decir que cambiar de 100 ISO a 200 ISO equivale virtualmente a agregar +6dB de ganancia a la imagen. Amplificamos la señal en un factor de 2; o incrementamos la exposición en 1 punto.

Al cambiar a 400 ISO agregamos +12dB de ganancia y 2 puntos; 800 nos da +18dB y 3 puntos y así sucesivamente.

Dos Imágenes de un conector, una tomada a 160 ISO y la otra a 6400 ISO. Ambas tienen el mismo resultado de exposición, pero la segunda tiene mucho más ruido en la imagen. En una imagen en movimiento, este ruido estático degrada considerablemente la calidad de la imagen.

La mayoría de las cámaras digitales que miden su amplificación en dB de ganancia no nos permitirán amplificar sus imágenes más allá de los +18dB o +21dB, lo que típicamente resulta muy ruidoso. Sin embargo, muchas de las nuevas cámaras – DSLR tales como la Canon 5D Mark III y EOS 1D X, o Nikon D4 y D800 – continúan empujando su ganancia más allá de un rango de 3 a 4 pasos, desde una base de 100/200 ISO hasta tan lejos como 204800 ISO, lo que representa un incremento de 8 pasos o el equivalente de una ganancia de +40dB.

Resulta importante notar que estas súper altas ISO de 204800, 102400 e inclusive 51200, 25600, 12800 y 10000 no están pensadas para utilizar bajo condiciones normales. En muchas cámaras, los ISO’s súper altos forman parte de un “rango extendido” (mi Canon 7D llega hasta 12800, pero lo llama simplemente “Hi”) – denotando claramente que se su utilización queda librada a la cautela del usuario.

Sin embargo, con nuevas cámaras que ofrecen ISO’s más extremos, generalmente se entiende que los ISO’s más bajos y comunes estarán más “limpios” (menos ruidosos) y que este avance es el resultado del rango extendido y las mejoras tecnológicas que lo hacen posible.

Es decir que el truco es grabar siempre a los ISO más bajos posible para obtener las imágenes más limpias, ¿cierto?

No vayamos tan rápido.

Esta declaración era absolutamente cierta cuando se trataba de película: cuanto más bajo fuera el ISO, la estructura de partículas fotosensibles era más pequeña y apretada y por lo tanto, la imagen correctamente expuesta resultaba más definida y con granos menos visibles.

En el mundo digital, como ya lo sabrán, la mayoría de los fabricantes no informan el ISO base de sus sensores. ¿Qué ocurre si grabamos a un ISO más bajo que el nivel base? Otra forma de formular la pregunta es ¿qué ocurre cuando grabamos a ganancia negativa?

Para explicar el funcionamiento de un sensor recurrimos a la analogía de una serie de baldes (foto sitios) que van acumulando líquido (luz). ¿Qué ocurre si un balde se llena y seguimos agregando agua? El agua se desparrama todo alrededor. Esto es lo que ocurre cuando llegan demasiados fotones a un foto sitio: cuando llega a su límite, las cargas tienden a derramarse hacia los foto sitios circundantes. Este fenómeno produce ruido, limitando los detalles en las altas luces de la imagen. En el mundo digital – una vez que se llega al límite de la cantidad de bits para un pixel (264 bits en un sistema de 8 bit) no queda espacio para agregar más. Se llega al blanco puro y no existe más detalle: una vez que la imagen se “clipea”1 y llega a blanco, no hay retorno.

1 “Clipear”: se dice de una imagen en video donde hay zonas que exceden el límite de carga admisible y que, por lo tanto, pierden detalle y quedan totalmente blancas.

Es decir que capturar a un ISO más bajo que el básico de una cámara puede agregar ruido y un rango dinámico limitado. Ciertos fabricantes, en sus menús de ISO “extendido” ofrecen opciones más bajas, por ejemplo de 100 o 50 ISO, pero dejando bien claro que no son las mejores opciones de ajuste de la cámara.

¿Algunos ISO son mejores que otros?

Hay otra pequeña trampa: no todos los ISO se crean de igual manera. He leído y escuchado excitados comentarios acerca de “solamente deben utilizarse números ISO completos: 100, 200, 400, 800, etc.” Y “nunca deben usarse ISO en incrementos de 1/3: 125, 160, 320, 500, 640, etc.”.

Estas afirmaciones no me sonaban demasiado razonables, hasta que comencé a hacer pruebas en distintas cámaras – y depende fuertemente de la cámara específica sobre la que discutamos.

Uno de los métodos para probar la combinación ganancia/ruido en nuestra cámara puede realizarse colocando la tapa en el lente y realizar disparos en diferentes ajustes de ISO y ganancia. Luego llevar las tomas a postproducción, crear un negativo (invertir la imagen para que las zonas oscuras queden claras y viceversa) y ajustar la gamma hasta que se acentúe el ruido lo más posible. Aplique el mismo procedimiento a todos los clips – para

poder compararlos – y verán que los resultados son sorprendentes. Este ruido está representado por manchas magenta (el negativo del verde) sobre la imagen. Recuerden que el ruido es una amplificación de la propia señal del sensor – es decir que es posible visualizarlo aunque no llegue luz al sensor.

Aquí incluyo algunos resultados obtenidos con mi Canon 7D; las imágenes se obtuvieron con el método explicado (sin dejar llegar luz al sensor); además fotografié una superficie de color uniforme con luz natural, en distintos ISO y ganancias; después los superpuse a las tomas realizadas (sin ningún tratamiento de postproducción) para poder comparar el efecto del ruido en imágenes reales.

Si observamos estos resultados vemos algo muy interesante. La toma a 100ISO se ve muy limpia, al igual que 200ISO, pero 125ISO se ve bastante ruidosa. En realidad, se ve peor que 400ISO e inclusive 800ISO. La toma a 160ISO es la más limpia. Y 640ISO es la siguiente anomalía del grupo, ya que resultó más ruidosa que 800ISO y apenas mejor que la de 1250ISO.

Esto nos muestra una realidad contraria a la popular noción de que un menor ISO siempre produce imágenes más limpias que un mayor ISO.

La razón por la que se produce éste fenómeno es por la manera en que las cámaras digitales crean cada nivel de ISO. Comenzando por el ISO base – que es en principio un misterio para cada cámara – los incrementos enteros (pasos completos o duplicar la ganancia) desde aquí es una simple cuestión de agregar ganancia. Asumiendo que 100ISO es la base de la cámara, 200, 400, 800 y 1600 se alcanzan con la simple aplicación de ganancia (es decir, amplificar la señal duplicando el nivel en cada paso). 

Los incrementos de 1/3 se consiguen de forma diferente, utilizando ganancia y procesado a través del procesador de la cámara. De 200 a 400 hay un paso completo. De 200 a 250 es un paso más un procesado adicional, que pueden relacionarse con el revelado forzado en el mundo de la película. Tomamos la señal amplificada y la forzamos un poco más allá. Por ejemplo, 320ISO es el resultado de tomar una señal con ganancia de 400ISO y someterla a un procesado forzado, procesarla “un poco hacia atrás” a fin de conseguir ese ISO más bajo. Esto se supone que produce menos ruido pero también una leve pérdida de detalle en las altas luces en el rango dinámico de la cámara. El proceso forzado desliza hacia abajo la ventana del rango dinámico haciendo que ganemos detalle levemente en las sombras y perdamos detalle levemente en las altas luces.

Es, sin duda, simple magia electrónica.

A partir de éste ensayo, se puede comprobar que una determinada amplificación de la señal – aumentar el ISO – resulta en un considerable aumento del ruido, pero que hay determinados escalones de la escala que son peores que otros. Esto puede ser totalmente diferente en cualquier cámara elegida. Aún en cámaras con el mismo sensor, pero procesadores diferentes, pueden tratar en forma diferente con la amplificación y el ruido.

Por ejemplo, la nueva Canon EOS 300 ha publicado un nivel base de 640ISO. Se puede elegir un valor inferior de 320ISO (que es el menor que permite la cámara) y por supuesto, niveles superiores. Aunque Canon reporta 640 como ISO base, recomienda 850ISO (un pequeño incremento a partir de 800) como la elección óptima para la cámara, en términos de menor ruido, la mejor fidelidad de color y mejor rango dinámico. Esto tiene mucho que ver con los procesadores de la señal en la cámara y cómo calculan las matemáticas para crear la imagen final.

Recuerden que los ISO’s “extras” afectan el rango dinámico. Con mi Canon 7D, luego de cuidadosas pruebas, llegué a la conclusión que con ISO160 se obtiene la imagen más “limpia” y el rango dinámico más amplio que puede representar esa cámara. En la 7D, la diferencia en rango dinámico entre los distintos ISO’s es realmente ínfima – pero en ISO160 se obtiene una leve mejora en el detalle de las sombras que en ISO100. Eso es lo que me lleva a pensar que, en realidad, el ISO base de la cámara es 160. De todas formas, es posible que en la Canon 7D, el ISO base sea 100, pero se obtienen resultados óptimos en ISO160.

Adicionalmente, una comparación cuidadosa entre 250 y 320ISO nos muestra como resultado un menos ruido en 320ISO que en 250ISO. Basado en éstas pruebas – e imágenes capturadas en el mundo real de cartas y patrones de textura – determiné que mis mejores elecciones de ISO para la 7D eran 160, 200, 320, 400 y 800. Evité usar ISO100 y especialmente, ISO125 y 640. Consecuentemente, ISO1600 es sorprendentemente menos ruidoso que 1250ISO, pero más allá de eso, los resultados son más bien lineales (y bastante malos).

Es importante notar que estas pruebas se llevaron a cabo a fin de encontrar los peores resultados posibles en esa cámara. En la aplicación en el mundo real, las diferencias entre los pasos de ISO son prácticamente minúsculas. Hablando en general, cualquier nivel por debajo de los 800ISO en cualquier cámara moderna brinda imágenes increíbles.

En términos de video tradicional, eso significaría un incremento de +18dB de ganancia, lo que jamás hubiera generado resultados aceptables.

¿Cuál es la sensibilidad base de mi cámara?

Si nuestra cámara no representa la ganancia en términos de ISO, es posible determinar su ISO base siguiendo algunos simples pasos. Necesitaremos:

 Una carta de gris iluminada en forma pareja.

 Un fotómetro/exposímetro.

 Nuestra cámara.

Si la cámara (o el lente) en modo de auto iris nos muestra la apertura en número f, será muy sencillo. Si la cámara no muestra los números f en modo auto iris, necesitaremos un monitor de forma de onda.

Un Monitor de forma de onda representa gráficamente la intensidad de la señal producida por una cámara y muestra su intensidad en una escala de 0-100, donde 0 es el negro y 100 es el blanco. Estos pasos se denominan IRE (también se pueden visualizar en términos de porcentaje (%), de 0% a 100% de la intensidad de la señal) 

En ciertas cámaras, los niveles de ganancia se establecen en LOW, MEDIUM y HIGH (Bajo, Medio y Alto) y se pueden asignar a niveles de 0dB y +18dB. (Ciertas cámaras permiten elegir también niveles negativos, tales como -3dB y -6dB). 

Si la cámara le permite ver los números f en auto iris, siga los siguientes pasos:

1. Asegúrese que la cámara esté configurada con ganancia en cero, cadencia según su elección de PAL o NTSC (25 o 30 cuadros por segundo), obturador en 180° (si su cámara muestra los tiempos de obturación ajuste la velocidad cerca del doble de los cuadros por segundo; por ejemplo, en 25 cps, sería 1/50 de segundo, para 30 cps sería 1/60 de segundo), ajuste de gamma normal, sin filtros ND y demás ajustes en cero o neutro.

2. Ilumine la carta de gris en forma pareja.

3. Apunte la cámara a la carta y ajuste el cuadro hasta que llene el cuadro.

4. Elija auto iris y tome nota del número f que marca. Asegúrese de no elegir ajustes totalmente automático para que no cambie el nivel de ISO, la velocidad de obturación, solamente la apertura del iris.

5. Si tiene un fotómetro de luz incidente, realice una medición sobre la carta de gris, con la semiesfera blanca apuntando al lente. Si tiene un fotómetro de luz reflejada, tome una lectura sobre el centro de la carta desde la posición de cámara.

6. Ajuste el nivel de ISO en el fotómetro hasta que su número f coincida con el que marcó la cámara en automático. Esa será el ISO base de esa cámara.

Si la cámara no muestra el número f cuando se elige auto iris, necesitará conectar la cámara a un Monitor de forma de onda. Siga los pasos de 1 a 3, luego ajuste la apertura del iris hasta que la lectura del instrumento nos indique 50-55 IRE (o %) y tome nota del número f.

Finalmente siga los pasos 5 y 6 para determinar el ISO base de su cámara.

Finalmente dos factores más que influyen en la calidad de las imágenes: el tamaño de los foto sitios y el procesador de cada cámara.

Si comparamos el tamaño de los foto sitios de algunas DSLR más utilizadas, los fotositios del sensor de la Canon 7D tienen 4.3 micrones, en la Mark EOS 1D tienen 5.7 micrones y los de la Mark IV 1D tienen 6.4 micrones. Dichas diferencias hacen que a mayor superficie el sensor ofrece mayor sensibilidad y, por consiguiente, necesita menos amplificación para conseguir imágenes similares.

Es una cuestión de superficie: a mayor superficie, el foto sitio tiene la capacidad de capturar mayor cantidad de los fotones disponibles.

Otra cuestión que modifica notoriamente la respuesta al ruido de las cámaras es el avance en el diseño de los procesadores. La Canon Mark VI 1D tiene el procesador Dual Digic 4, mientras la Mark III 5D tiene un procesador Digic 4 simple.

Recuerde que todos los sensores tienen un ISO base. No existen los sensores mágicos que inventen la sensibilidad. Cualquier ajuste por encima del ISO base involucran alguna forma de manipulación de la señal, lo que seguramente no beneficiará la imagen final. La única manera de asegurar el resultado con cualquier cámara es comprobarla nosotros mismos. Los resultados de mi cámara Canon 7D no reflejan necesariamente los de otras cámaras HDSLR (ni siquiera de otras Canon 7D); cada combinación de sensor y procesador tiene sus propios atributos y singularidades.

Conocer el ISO base de su cámara le brindará una posición de poder para comprender como cualquier manipulación de la señal que se aleje de esa base puede afectar sus imágenes.

 

 

Autor: Sarv Kreindler – 2012 CREATIVE PLANET Traducción y adaptación: Carlos Wajsman

Autor: admin