Consejos para Fotografos VII - Especial ISO

Sensibilidad ISO: Cuando Apertura y Velocidad no son

Suficientes

Tres son los elementos que permiten ajustar la exposición en fotografía: apertura del diafragma, velocidad de obturación y sensibilidad ISO. Una vez repasada la apertura y la velocidad, nos queda el tercero: la sensibilidad ISO.



La sensibilidad ISO es uno de los factores de los que depende la exposición. Los otros dos son la apertura del diafragma y la velocidad de obturación.

Como norma, deberíamos trabajar con el valor ISO más bajo que tenga nuestra cámara que nos garantice que la foto sale correctamente expuesta para los valores de velocidad de obturación y apertura de diafragma deseados.

Y es que, mientras que el uso de la velocidad y de la apertura permiten añadir elementos compositivos a una foto capturando el movimiento o permitiendo definir la zona nítida en la escena, el valor ISO únicamente va a aportar mayor o menor ruído.

Que es el ISO en una camara digital

Es habitual oir que en imagen digital el ajuste ISO controla la sensibilidad del sensor. Con esta definición se mantiene en el mundo digital la terminología propia de la fotografía tradicional ("sensibilidad de la película", pero conceptualmente no es del todo correcto.

En fotografía analógica sí que existen diferentes sensibilidades que van a provocar que ante una misma radiación luminosa incidente la película alcance niveles diferentes de exposición debido a su diferente composición química, así como diferentes formas de ruido (grano).

En cambio el sensor digital, entendiendo por sensor exclusivamente el elemento captor de la luz, tiene una única sensibilidad que viene dada por su eficiencia cuántica (capacidad de convertir fotones incidentes en electrones, y estos en una corriente eléctrica). Para tener otras verdaderas sensibilidades necesitaríamos cámaras con fotocaptores intercambiables.

La exposición alcanzada por el sensor y en consecuencia el nivel de señal (voltaje) y de ruido generados por el mismo solo dependen de la cantidad de luz (fotones) recibida, y esto lo controlamos mediante la apertura de diafragma y el tiempo de exposición, no con el ISO. Y el grano del ruido es el mismo, no cambia con el ISO (habéis visto alguna cámara con un grano de ruido grueso?), porque el ruido se produce individualmente en cada píxel.

Entonces qué es el ISO? pues es básicamente una amplificación de la señal entregada por el sensor previamente a su digitalización. Se trata del mismo procedimiento que realiza nuestro equipo de música solo que en lugar de amplificar el voltaje correspondiente a un sonido la cámara lo hace con el proveniente de una señal luminosa.

Esta amplificación no representa sino una corrección de la exposición lograda en el sensor que como veremos tendrá ciertas ventajas. La señal amplificada por el ISO será la que se digitalice dando lugar a la exposición final del archivo RAW.

Podremos hablar así de 3 exposiciones diferentes:

* Exposición en el sensor: solo dependiente de los parámetros de apertura y tiempo ajustados, así como de las características electrónicas del sensor
* Exposición en el arhivo RAW: es a la que nos referimos cuando hablamos de la exposición en la cámara, y sí refleja el efecto del ISO ajustado
* Exposición en el postprocesado: será la que finalmente obtengamos al hacer uso del control de exposición en el revelador RAW

El grado de amplificación o ISO escogido será equivalente a un control de sensibilidad, pero del sistema completo formado por sensor + ajuste ISO + conversor A/D, no del sensor propiamente como elemento más o menos sensible a la luz.

El funcionamiento del sensor



Para entender cómo funciona el ISO, debemos remitirnos al funcionamiento del sensor de nuestra cámara.

El sensor es el chip que se encarga de capturar la imagen. Está compuesto por una malla de miles de celdas fotosensibles en las que se recibe la imagen que forma el paso de la luz por el objetivo.

Cada una de esas celdas genera una corriente eléctrica en presencia de la luz. Esa corriente eléctrica es convertida en valores numéricos que se almacenan en la memoria de la cámara, lo que conocemos como pixeles.

En ausencia de luz, y en relación a la temperatura, cada una de esas celdas genera una cantidad más o menos fija de corriente eléctrica (y datos) al azar.

La sensibilidad de cada uno de los elementos del sensor es fija para el valor ISO más bajo que tenga nuestra cámara.

A partir de ese valor, los índices ISO superiores que nos ofrece la cámara digital se logran, no por un incremento en la sensibilidad de los elementos captores, sino por una amplificación posterior de la señal que estos emiten.

Debido a que estos elementos tienen una emisión de señal de base mas o menos fija, al capturar una señal lumínica débil y amplificarla, también se amplifica una buena parte de la emisión de datos aleatoria del chip, con lo que se mezcla una cantidad de señal aleatoria sin contenido a la señal correspondiente a la imagen.

En física, señal es toda información significativa para construir un mensaje, y ruído es cualquier otro dato que acompañe a la señal dificultando su transmisión, almacenamiento y comprensión. Por tanto, y según la explicación que acabamos de ver, al incrementar el ISO en nuestra cámara se aumenta la relación señal-ruído o la proporción de ruído en nuestra señal.

La sensibilidad ISO en ejemplos

Para ilustrar el funcionamiento descrito y el nivel de ruído en la señal, he utilizado una serie de fotos de Betty y Baffy iguales, realizadas con un trípode en las que he mantenido la misma apertura del diafragma (misma profundidad de campo) y he ido variando el ISO, con la variación correspondiente del tiempo de exposición para que las fotos quedaran correctamente expuestas.

He realizado tres recortes en las fotos resultantes para que puedas apreciar la aparición de ruído a medida que aumento el valor del ISO. En el caso del ejemplo, he utilizado valores ISO de 100, 400, 800 y 1600 en mi cámara.

En esta primera foto se puede ver el resultado de disparar a sensibilidad ISO 100 (la más baja que permite mi cámara). La imagen se ha reescalado para mostrarla en la pantalla.



Esta segunda foto muestra el resultado obtenido de la misma escena, esta vez con un valor ISO 1600. Aunque la foto se encuentra también reescalada, se puede apreciar la pérdida de calidad.



Los cuadrados rojos marcan los recortes que he realizado para los distintos valores ISO. He recortado en tres zonas distintas, ya que la aparición de ruído también depende de la luminosidad de cada punto, lo que hace que en las zonas más oscuras el ruído se aprecie de forma más notable.

Resultado del primer recorte:


Resultado del segundo recorte:


Resultado del tercer recorte:


Dependiendo de cada tipo de cámara, los niveles de ruído serán mayores o menores, pero lo que es seguro es que cuanto más alta sea la sensibilidad ISO seleccionada, mayor será el nivel de ruído apreciable.

La sensibilidad ISO y la Importancia de una Correcta

Exposición

Un Poco de Teoría

En la fotografía tradicional poníamos un carrete en la cámara y hacíamos las fotos hasta que se nos terminara. No teníamos (teóricamente) que preocuparnos por estas cosas. Pero en fotografía digital la posibilidad de configurar el ISO en cualquier momento nos da más posibilidades... y más dudas.

Siempre que hablo de los elementos técnicos de una foto recomiendo ajustar la apertura y la velocidad. Estas son las dos variables que me afectan a nivel compositivo dentro de la exposición.

Una vez tengo los parámetros como deseo, pudiendo recoger el movimiento en la foto y la profundidad de campo deseada, paso al ISO. Y siempre recomiendo lo mismo: utiliza el ISO más bajo que puedas.

Bien. Ha llegado la hora de extenderme en esta explicación y matizar la frase: utiliza el ISO más bajo que puedas mientras la foto quede correctamente expuesta.

En fotografía digital la exposición se debe realizar recogiendo toda la información que se pueda de las luces. Es lo que se conoce como derechear el histograma. Esto es debido a que en la parte derecha del histograma se recoge la mayor cantidad de información.

Aunque podemos jugar con los niveles de una foto para poder aclarar u oscurecer el resultado, si una foto está inicialmente subexpuesta habremos perdido parte de esa información.

Un Caso Práctico

Para poder comprobarlo he realizado un experimiento con una Nikon D80. He realizado diferentes fotos consecutivas en las mismas condiciones, sujetando la cámara con un trípode y variando la velocidad de obturación y el ISO para que las exposiciones fueran equivalentes.

En esta secuencia he recogido fotos bien expuestas y otras subexpuestas, todas ellas en formato RAW, pudiendo recuperar parte de la información.



Te pido que no te fijes en la calidad compositiva ni técnica de las imágenes: quédate simplemente con el ruído.

Prueba #1. Diferentes ISOs con fotos correctamente expuestas

La primera prueba que he realizado recoge distintas fotos con diferentes ISO, variando la velocidad de obturación para que la exposición fuera correcta en cada una de las tomas.

Haciendo recortes y ampliándolos al 100% podemos ver cómo, efectivamente y como era de esperar, cuanto menor es el ISO utilizado el nivel de ruído es menor.



Esto demuestra algo obvio, y es que, si las condiciones lo permiten y podemos realizar una correcta exposición con un ISO bajo, debemos utilizar el ISO más bajo.

Prueba #2. Diferentes ISOs manteniendo la velocidad de obturación

Aquí es donde vienen los problemas. Como he comentado al principio del artículo, es probable que deseemos trabajar con una velocidad y una apertura fijas, con lo que lo que nos queda es ajustar la sensibilidad y jugar con el rango de exposición de la cámara, derecheando más o menos el histograma.

Por tanto, tendríamos dos opciones:

* Mantener un ISO bajo, subexponiendo la foto para luego intemtar recuperarla.
* Subir el ISO y exponer correctamente la foto.

En este ejemplo voy a comparar los niveles de ruído de las fotos conseguidas con ISO 100 y 800, a la misma velocidad. A la hora de hacerlas, la tomada con ISO 800 estaba correctamente expuesta, mientras que la de ISO 100 quedo subexpuesta, aunque he ajustado los valores de la exposición en el fichero RAW.

Estos son los resultados.




Creo que está claro el ganador.

Así que la conclusión es: realiza una exposición correcta de la foto con un ISO más alto antes de subexponer la foto por tratar de utilizar un ISO bajo.

Conclusiones



La primera conclusión de lo expuesto sería que si nos vemos en la obligación de emplear unos parámetros de apertura de diafragma y tiempo de exposición con los cuales no logramos una exposición correcta de la escena, típicamente en situaciones de baja iluminación, minimizaremos el ruido visible final ajustando un valor de ISO tan elevado como nos sea posible antes de empezar a quemar la imagen.

Deben ser descartados no obstante todos aquellos ISO que no constituyen una amplificación analógica sino una simple corrección final de niveles sobre el archivo RAW. Esto ocurre así en muchas cámaras compactas y en valores ISO muy elevados, especialmente reducidos (ISO50) o intermedios de ciertas cámaras réflex. Estos ISO "de mentira" son equivalentes a modificar la exposición en el revelador RAW por lo que no tendrían ninguna de las ventajas expuestas debiéndose evitar su uso.

Dada la relación directa existente entre el ruido en las sombras y el rango dinámico que podemos captar, la técnica de reducción de ruido mediante el aumento del valor ISO nos brinda un aumento del rango dinámico de la imagen captada, por paradójico que pueda parecer. La interdependencia entre ruido y rango dinámico se estudia en detalle en el artículo Rango dinámico.

Con todo lo visto deberíamos desterrar el miedo a emplear valores de ISO altos cuando la exposición lograda a ISO100 no sea suficiente. Aumentando la exposición mediante el ISO no solo no estamos introduciendo ruido en nuestra imagen sino que lo estamos reduciendo de forma notable respecto al que obtendríamos con una imagen subexpuesta y corregida en el revelado.

El derecheo del histograma puede considerarse por lo tanto la "exposición correcta" no solo en las circunstancias ideales en que podamos lograrlo con el ISO más bajo de la cámara sino en cualquier circunstancia, utilizando si es preciso el ajuste ISO como recurso para conseguirlo. Resumiendo, la regla general sería: derechear siempre, y hacerlo empleando el menor ISO posible.

Mediciones reales de relación señal a ruido en distintas cámaras hechas por Emil Martinec revelan que pasar de ISO1600 tiene ya poco o nulo efecto en la mejora del ruido en cualquier cámara digital, y sí puede en cambio provocar pérdida de información útil de altas luces. La jugada lógica es por tanto que el fotógrafo RAW se abstenga de emplear valores ISO por encima de 1600, incluso aunque su cámara disponga de ellos de modo nativo.

La mayor calidad de imagen con una cámara digital se obtendrá usándola a su menor sensibilidad ISO equivalente.

El uso de sensibilidades ISO mayores se traducirá en un aumento de pixeles distribuidos al azar, principalmente en las zonas de sombra de la imagen. El ruido, a diferencia del grano, no será proporcional en toda la imagen, sino que se manifestará de forma más evidente en las zonas oscuras.

El ruido se manifiesta más en alguno canales que en otros. Normalmente el canal azul suele ser el que contiene más ruido. Se puede editar este canal posteriormente con algún programa de edición para reducir el ruido mediante una aplicación de filtros.

Pero cuidado: es fundamental realizar una correcta exposición en nuestra foto indiependientemente del ISO que tengamos seleccionado, ya que utilizar ISOs bajos a costa de subexponer en exceso una foto puede dar como resultado fotos de peor calidad que las equivalentes bien expuestas con ISOS más altos.

Derecheo en escenas con baja iluminacion

En este caso vamos a ver un ejemplo mucho más práctico de derecheo, y es la situación opuesta donde la iluminación es escasa a la vez que nos enfrentamos a un contraste considerablemente alto. Estudiaremos un caso en el que la baja iluminación nos va a impedir lograr una exposición correctamenente derecheada a ISO100.

En efecto, aún fijando la apertura máxima que estamos dispuestos a emplear para garantizar una determinada nitidez y profundidad de campo, y con el tiempo de exposición más largo posible para no trepidar la escena, la cantidad de luz que entra en la cámara será insuficiente para conseguir un derecheo al ISO electrónico más bajo de la cámara.

Como se comentó en el artículo Mejora en ruido subiendo el ISO, en estos casos lo idóneo para minimizar el ruido y capturar por lo tanto el máximo rango dinámico es aumentar el ISO todo lo que sea posible para derechear la exposición en el RAW, justo antes de quemar las altas luces.

ESCENA DE BAJA ILUMINACIÓN: RETRATO EN INTERIORES

Este fin de semana pude disfrutar de la compañía de mi sobrina segunda Zsara (a los que no tenemos hermanos no nos queda más remedio que llamar sobrinos a los hijos de nuestros primos). Zsara decidió hacerme caritas en el sofá mientras veíamos la tele, con lo que no dudé en coger la cámara a ver si salía algún retrato decente.

Con un 50mm f/1.4 seleccioné una apertura de f/1.8 para obtener una buena luminosidad sin comprometer al límite la nitidez ni la profundidad de campo. Como velocidad seleccioné 1/40 que consideré factible dado lo relativamente estático de la escena.

Con esos valores de apertura y velocidad, y dada la escasez de luz ambiente, a ISO100 la imagen obtenida resultaba muy subexpuesta así que para obtener una exposición adecuada que derechease el histograma no podíamos sino emplear la tercera variable: aumentar la ganancia ISO.

Aumentando 3 pasos la exposición hasta ISO800 se alcanzó el correcto derecheo, justo antes de empezar a quemar las luces, pudiéndose comprobar este hecho con gran precisión gracias a tener anulado el balance de blancos mediante el UniWB.

INFORMACIÓN EN LA CÁMARA

Extraemos el JPEG incrustado en el RAW para ver la escena tal y como se mostraba en el display de la cámara:


Imagen mostrada en el display de la cámara tras hacer la foto.

La iluminación de la escena era realmente baja; si la cámara presentaba este aspecto relativamente luminoso se debió precisamente a que era una toma derecheada!. Sin ir más lejos los brillos sobre la cara de la modelo provienen de la televisión que podía considerarse en este caso como una fuente de luz dominante.

La cámara no mostraba ningún signo de zonas quemadas, lo que teniendo anulado el balance de blancos habría significado con toda seguridad una saturación irrecuperable del archivo RAW.

El tono amarillento verdoso se debe precisamente a la ausencia de balance de blancos y no afecta en absoluto a los datos del RAW.

ANÁLISIS DEL ARCHIVO RAW

En efecto, si analizamos el histograma del archivo RAW sin balance de blancos podemos ver que resultaron llenos todos los niveles hasta el extremo derecho del mismo.

Subir el ISO para exponer aún más habría supuesto empezar a quemar información de manera considerable en las altas luces (en concreto el pelo a contraluz). Del mismo modo bajar el ISO para exponer menos habría sido una torpeza pues no habría supuesto ninguna ventaja y habría aumentado el ruido visible en toda la imagen reduciendo el detalle captado especialemnte en las sombras.


Histograma lineal de revelado lineal sin balance de blancos.

Haciendo un conteo preciso del número de píxels quemados en cada canal, solo el canal G resultó saturado en aprox. 750 píxels, cantidad totalmente despreciable por lo que podemos concluir que la exposición resultó correctamente derecheada justo antes de quemar las luces.

ANÁLISIS DEL RANGO DINÁMICO

Midamos ahora de manera cuantitativa el contraste de la escena. Para ello calculamos el histograma logarítmico del revelado lineal:


Histograma logarítmico de revelado lineal sin balance de blancos.

La escena supuso un rango dinámico considerable de unos 9 diafragmas, y dado que la Canon 350D es capaz de captar un rango dinámico máximo de 8 diafragmas a ISO100, que se reduce por la mayor presencia de ruido en las sombras a ISOs mayores, está claro que no pudimos capturar todo el rango dinámico de la escena. Este hecho se traducirá en una presencia de ruido considerable en las sombras más profundas.

El sujeto de interés no se situaba sin embargo en zonas tan bajas del rango dinámico por lo que como veremos fue perfectamente captado con un ruido asimilable y en cualquier caso no mejorable con ningún otro ISO salvo que decidiéramos quemar las altas luces.

EL DERECHEO HA MEJORADO LA IMAGEN?

Por supuesto. En caso de no haber aumentado el ajuste ISO desde ISO100 hasta ISO800, la imagen habría tenido un ruido visible final todavía mucho mayor. La diferencia habría sido muy similar a la que se podía observar entre las muestras a ISO100 e ISO800 en las Figs. 2 y 3 de Mejora en ruido subiendo el ISO.

A ISO100 habríamos dejado vacíos de información los tres diafragmas más altos del rango dinámico del sensor lo que habría ocasionado una cantidad de ruido visible mucho mayor en la zona del sujeto.

La imagen de la derecha representa la subexposición que habría sufrido la imagen captada en caso de haber disparado a ISO100 por miedo a subir el ISO, ambas imágenes sin balance de blancos ni procesado alguno:


Comparación de exposición con hipotética imagen a ISO100.

Por lo tanto derechear a golpe de ISO nos ha permitido obtener la mejor de las exposiciones posibles dados los parámetros de apertura y velocidad impuestos por la escena.

PROCESADO FINAL DE LA IMAGEN

A continuación se muestra un procesado con curvas de la imagen previamente balanceada en blancos, a la que sin embargo no se ha aplicado ningún proceso de reducción de ruido. Se han corregido además ciertos defectos de la foto original que no tienen la menor influencia en los aspectos tratados.

En los siguientes recortes puede notarse la presencia de ruido, notable sobre todo en las zonas más oscuras, pero que no inutiliza en ningún momento la textura del sujeto de interés.

Recortes al 100% de diferentes zonas de la imagen.

Al reescalar la imagen a un tamaño asequible para la Web, el mismo proceso de interpolación para cambiar el tamaño reduce el ruido visible hasta hacerlo prácticamente imperceptible dando lugar a una imagen plenamente válida tanto para Web como en copias impresas:

Imagen final resultante a ISO800.

No hay que olvidar que estamos hablando de una imagen capturada a ISO800 con una modesta Canon 350D, que ha resultado sin embargo de una calidad plenamente utilizable gracias precisamente al valor ISO escogido.

OTRO EJEMPLO

A continuación otro caso de exposición con ISO alto para minimizar el ruido visible final.

La escena era el interior de un museo con iluminación limitada: a la máxima apertura de la lente (f/2.8) y a la velocidad más lenta a la que nos queremos permitir disparar (1/60 para una focal de 42mm), si empleamos ISO100 la toma queda subexpuesta.

La solución es no dudar en subir el ISO para minimizar el ruido final obtenido. Elegimos ISO800 como en el otro ejemplo y el resultado sin ningún tipo de reducción de ruido no inutiliza las texturas de la foto ni siquiera en las áreas más oscuras y por tanto ruidosas de la misma:

Recorte al 100% de la zona más ruidosa de la imagen a ISO800.

La imagen global resultante fue muy buena. En la mayor parte de la misma el ruido presente era muy inferior al visto en la figura anterior lo que la hace totalmente válida:

Imagen final resultante a ISO800.

Se trataba de una escena bastante menos exigente que la de la niña ya que en este caso el rango dinámico rondaba los 7 diafragmas:

Histograma logarítmico de revelado lineal sin balance de blancos.

Puede verse como podríamos incluso haber derecheado más la toma usando ISO1600, ya que el último diafragma resultó prácticamente vacío de información pudiéndose considerar sacrificable.

En cualquier caso el grueso de la información se encontraba en los diafragmas más altos del rango dinámico por lo que el resultado fue muy bueno con la exposición lograda a ISO800.

CONCLUSIONES

La principal conclusión que se puede sacar del ejercicio realizado es que en escenas donde la velocidad y apertura nos vengan impuestas debido a la escasa iluminación, no se ha de tener miedo a subir el valor del ajuste ISO para lograr una exposición adecuada. No solo no va a aumentar el ruido visible sino que éste se va a reducir notoriamente.

En concreto, deberemos aumentar el valor de ISO todo lo que sea necesario hasta lograr el derecheo del histograma, porque es de esta forma de la que lograremos la exposición óptima que minimice el ruido visible final y permita captar el mayor rango dinámico.

Debe quedar claro que no hay valores ISO inutilizables, sino más bien RAWs mal expuestos. La presencia visible de ruido final se deberá en general mucho más a la falta de una exposición adecuada, que al hecho de emplear valores de ISO altos o bajos.

En cualquier caso, siempre que hablamos de subir el ISO nos estamos refiriendo a los ISO electrónicos de cada cámara. Los ISO no nativos simulados por software deben evitarse a toda costa.

De manera indirecta se ha planteado la anulación del balance de blancos UniWB como una herramienta útil para lograr una gran precisión en el derecheo.