Aumentar la ISO no aumenta los niveles de ruido en la imagen

Fecha: Mar, 09/01/2018 - 21:00 Autor: Jesus de Baldoma
via lactea
Texto adaptado a partir del original «How to Find the Best ISO for Astrophotography: Dynamic Range and Noise» publicado por Ian Norman en Lonely Speck bajo una licencia Creative Commons (CC BY-SA 4.0).

La ISO es uno de los tres vértices del triángulo de exposición de una cámara digital. De los tres (tiempo de exposición, apertura del diafragma, e ISO), quizás sea la ISO el que menos se comprende. Incluso menos que la apertura. De hecho, es un error común creer que, a mayor valor de ISO, las imágenes se vuelven más «ruidosas».

En este artículo veremos que las configuraciones elevadas de la ISO, por sí solas, no aumentan el ruido de la imagen. Es más, una ISO más elevada puede incluso ser beneficiosa para la fotografía con poca luz.

ISO

En fotografía digital, ISO es un estándar (específicamente ISO 12232:2006) para el brillo de la exposición desarrollado por la Organización Internacional de Normalización (ISO). Los diferentes modelos de sensores de cámaras tienen diferentes sensibilidades, por lo que necesitamos correlacionarlos de alguna forma, de modo que las exposiciones se produzcan como brillos.

Señal

La señal es la parte de la fotografía que queremos. La luz es señal. La señal es la imagen. Sin la señal (sin luz), no podemos tener ninguna imagen. Cuanta más luz podamos reunir, más señal tendremos. En general, cuanto más señal, más alta es la calidad de la foto.

Ruido

El ruido es la parte de la fotografía que no queremos. El ruido es una interferencia que aparece como un grano moteado que oscurece la señal y, por lo tanto, los detalles de la fotografía. El ruido generalmente se genera por el calor o las imperfecciones en el comportamiento de la electrónica de nuestras cámaras digitales. Algunos ruidos son aleatorios en cada disparo (ruido de disparo) y el sensor de la cámara produce un ruido consistente (ruido de lectura en sentido ascendente) o es producido por la electrónica después de que la señal del sensor ha sido amplificada (ruido de lectura). En general, cuanto más ruido, menor es la calidad de la foto.

Relación señal-ruido (SNR)

La SNR es la relación entre la señal y el ruido en una imagen. Cuanto mayor sea la SNR, mayor será la calidad de la imagen. Más luz = más señal → bueno. Más ruido → malo. Recoger más luz es la mejor manera de aumentar la SNR.

Rango dinámico

Es el rango de luminosidad de una escena, desde los oscuros más oscuros hasta los más brillantes. Una escena de alto rango dinámico tendrá simultáneamente luces extremadamente altas (como el sol) y oscuros extremadamente oscuros (como una roca negra totalmente a la sombra). Una escena de rango dinámico bajo tiene una luz relativamente uniforme en toda la escena donde las partes más brillantes de la imagen no son mucho más brillantes que las partes más oscuras. Las cámaras solo capturan un rango dinámico limitado de luz. Si el rango dinámico de una escena es lo suficientemente alto, cualquier elemento fuera del rango del sensor de la cámara se expulsará a blanco puro (en el caso de áreas muy brillantes) o se aplastará a negro puro (en el caso de áreas muy oscuras). En general, es preferible un sensor de cámara capaz de capturar un mayor rango dinámico de luz.

ISO es amplificación o ganancia

Es un error bastante común creer que el aumento de la ISO aumenta la sensibilidad del sensor de cámara. La ISO no cambia la sensibilidad. Aumentar la ISO simplemente aumenta el brillo de una foto al amplificar la señal del sensor. En el mundo de la electrónica, la amplificación a veces se llama «ganancia». Al igual que podemos «ganar» peso si aumentamos nuestra alimentación, podemos «ganar» brillo si aumentamos nuestra ISO.

La ISO no afecta en ningún modo a la cantidad de señal (luz) que el sensor puede recolectar. Si realmente queremos más sensibilidad con una cámara, necesitamos aumentar el tiempo de exposición o la apertura del diafragma (reducir el número f/).

ISOs más altas no aumentan el ruido

Esto puede contradecir lo que probablemente uno cree saber sobre la ISO, pero lo cierto es que, si todo lo demás (tiempo de exposición y apertura) sigue igual, una ISO más alta hará lo siguiente:

  • Aumentar el brillo de la imagen.
  • Disminuir el rango dinámico total de la imagen.
  • En muchos casos (como en astrofotografía), disminuir el ruido visible.

A la vista de esto, uno se puede preguntar ¿Cómo es que cuando utilizo una ISO más alta, recibo más ruido? He aquí por qué:

En los modos de exposición semiautomática P (Programa), S / Tv (Prioridad a la velocidad de obturación) o A / Av (Prioridad a la apertura), usar una ISO más alta dará como resultado una imagen con más ruido relativo. De lo que la mayoría no se da cuenta es que el aumento del ruido no se debe al aumento de la ISO. El aumento del ruido relativo en los modos de exposición semiautomática se debe realmente a la disminución recíproca del tiempo de obturación o de la apertura. La mayoría atribuye erróneamente el aumento de ruido a la ISO cuando en realidad se debe a una menor SNR debido a que, en estas condiciones, entra menos cantidad de luz en el sensor.

Cuando en uno de estos modos de exposición semiautomática se establece una ISO más alta, la cámara intentará compensar ese aumento de la ISO con una disminución de la cantidad de luz que entra a la cámara. Esta reducción de la luz se realiza automáticamente disminuyendo el tiempo de exposición (cuando está en el modo A / Av), reduciendo el tamaño del diafragma (cuando está en modo S / Tv), o por una combinación de ambos (cuando está en modo P).

Una reducción en la entrada de luz, por cualquiera de los motivos indicados, es la razón por la que la imagen parece ser más ruidosa. Y no lo es debido a que la ISO más alta. Esa reducción en la cantidad de luz que llega al sensor supone una reducción de la señal, y una reducción de la señal produce una SNR más baja y, por lo tanto, una imagen más ruidosa.

Cómo varía el ruido en función de la apertura, el tiempo de exposición y la ISO

Una simple comparación puede mostrar que los niveles de ruido relativos se ven afectados principalmente por la velocidad de obturación y la apertura, y no se ven apenas afectados por la ISO. En las pruebas que siguen, todas las configuraciones se mantienen idénticas excepto la que queremos probar, que se ajusta en dos pasos. Luego, en el procesamiento posterior, las imágenes se ecualizan en brillo y se comparan.

La que sigue es la toma de prueba que usaremos en este artículo. Se trata de un disparo RAW realizado con una Nikon D7000 y una óptica Nikon 50mm:

Detalle que vamos a ampliar para comparar
Imagen tomada con el detalle que se va a ampliar para realizar la comparación

Para apreciar con mayor detalle como el cambio de los parámetros afecta al ruido, tomaremos como referencia la ampliación de un fragmento de la imagen. Fijaremos 2 de los 3 parámetros (ISO, Apertura, Tiempo de exposición) y observaremos como le afecta el ruido al variar el tercer parámetro.

Tomaremos 4 fotos para cada caso y luego, en postproducción, compensaremos el exceso (defecto) de luz restando (añadiendo) los correspondientes pasos de luz de exposición.

• Cómo varía el ruido en función del tiempo de exposición

Se han tomado cuatro imágenes con los parámetros que se indican. En cada imagen se reduce el tiempo de exposición a la mitad, con lo que la cantidad de luz que entra es exactamente la mitad. Para solucionar el problema de la luz se realiza la correspondiente compensación de la exposición en postproducción.

  • 8s, f/4, ISO 3200
  • 4s, f/4, ISO 3200 (+1 paso de luz en post)
  • 2s, f/4, ISO 3200 (+2 pasos de luz en post)
  • 1s, f/4, ISO 3200 (+3 pasos de luz en post)
Fotografías procesadas y ampliadas
Fotografías tomadas a ISO 3200, apertura f/4 y el tiempo de exposición indicado [Nikon D7000, 50mm]

Conclusión: cuanto menor es el tiempo de exposición, menor es la cantidad de luz (señal) que entra en el sensor. Eso hace que la SNR disminuya y que la imagen sea más «ruidosa».

• Cómo varía el ruido en función de la apertura (número f/)

Se han tomado cuatro imágenes con los parámetros que se indican. En cada imagen se reduce el diafragma en un paso de luz completo, con lo que la cantidad de luz que entra es exactamente la mitad. Para solucionar el problema de la falta de luz se realiza la correspondiente compensación de la exposición en postproducción.

    • 8s, f/4, ISO 3200
    • 8s, f/5,6, ISO 3200 (+1 paso de luz en post)
    • 8s, f/8, ISO 3200 (+2 pasos de luz en post)
    • 8s, f/11, ISO3200 (+3 pasos de luz en post)
    Fotografías procesadas y ampliadas
    Fotografías tomadas a ISO3200, tiempo de exposición de 8s y la apertura indicada [Nikon D7000, 50mm]

    Conclusión: cuanto mayor sea el número f/, menor será la apertura y menor será la cantidad de luz que entre al sensor. Como el caso anterior, la SNR también será menor y la imagen será más «ruidosa».

    • Cómo varía el ruido en función de la ISO

    Se han tomado cuatro imágenes con los parámetros que se indican. En cada imagen se aumenta la ISO al doble del valor anterior, con lo que la cantidad de luz necesaria para formar la imagen es exactamente la mitad. Para solucionar el problema de la falta de luz se realiza la correspondiente compensación de la exposición en postproducción.

      • 1s, f/4, ISO 3200 (-3 pasos de luz en post)
      • 1s, f/4, ISO 6400 (-2 pasos de luz en post)
      • 1s, f/4, ISO 12800 (-1 paso de luz en post)
      • 1s, f/4, ISO 25600
      Fotografías procesadas y ampliadas
      Fotografías tomadas con apertura f/4, tiempo de exposición de 1s y la ISO indicada [Nikon D7000, 50mm]

      Conclusión: Manteniendo fijo el resto de parámetros, el aumento de la ISO no introduce más ruido relativo en la imagen.

      De las tres pruebas realizadas en mi Nikon D7000, el tiempo de exposición y la apertura del diafragma obviamente afectan directamente a los niveles aparentes de ruido en la imagen, mientras que la ISO casi no tiene efecto. Este es un comportamiento totalmente distinto a lo que mucha gente espera cuando piensan en una ISO más alta.

      En fotografía con poca luz, hay un aspecto de ISO que puede afectar en gran medida la cantidad de ruido percibido para cualquier configuración ISO determinada: el ruido electrónico inherente.

      Conclusión

      Lo que en realidad está ocurriendo en los ejemplos de más arriba es que cuando le llega menos luz al sensor (ya sea por un menor tiempo de exposición o por un menor diámetro del diafragma), también le está llegando menos señal y, consecuentemente, disminuye la relación señal-ruido y aumenta el nivel de ruido.

      Contrariamente a la creencia popular, una ISO más elevada no crea más ruido y usar una ISO más alta puede llegar a ser realmente beneficioso cuando se dispara en escenarios de poca luz. Ejecute una prueba de invarianza de ISO en su cámara para determinar la mejor configuración de ISO que debería usar cuando dispare astrofotografía. El comportamiento ISO varía para cada modelo de cámara y la prueba de cada configuración ISO puede ayudar a determinar la mejor ISO a utilizar para el mejor rendimiento de ruido en astrofotografía.

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      Para saber más:

      La imagen principal es de Aperture Vintage (Licencia de uso) y es cortesía de Unsplash
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