El ruido en fotografía digital

Si quieres saberlo todo sobre sensores, ruido y exposición, consulta el libro Ruido y Fotografía.

En este tutorial explicamos la definición de ruido y cómo cuantificarlo desde un punto de vista fotográfico. A continuación acompañaremos a los fotones en su viaje desde que aterrizan en un píxel hasta que se obtiene el valor RAW de ese píxel. En ese viaje iremos descubriendo por qué la señal se deteriora, quién es el responsable de ese ruido y quién carga con la culpa habitualmente.

En el libro tienes un estudio en profundidad de todo lo relacionado con un sensor, incluyendo cómo caracterizarlo para poder calcular su rango dinámico y otros muchas cosas más. Además tienes algunas técnicas para reducir ruido y cómo comparar los sensores de diferentes cámaras.

Libro Ruido y fotografía

1. Qué es el ruido

Un sensor se compone de un conjunto de píxeles cuya misión es recoger los rayos de luz que durante el tiempo de exposición atraviesan el diafragma y son desviados por el objetivo.

Los fotones captados por cada píxel se convierten en electrones, obteniéndose una tensión que es amplificada más o menos según el valor del ISO seleccionado. Por último, esa señal es digitalizada obteniendo el valor RAW del píxel. El proceso de generación del fichero RAW lo tienes detallado en este tutorial.

En un mundo ideal, el valor RAW registrado debería ser una transcripción perfecta de la luz que incide en el píxel. Sin embargo, la realidad no es así. Esa diferencia entre el valor teórico y el registrado es lo que se denomina ruido.

En cada etapa del proceso antes referido, la señal (la luz en el caso de la fotografía) sufre un deterioro que es debido a multitud de factores diferentes.

Algunos de los más representativos son:

  • Ruido fotónico debido a la inherente naturaleza estadística de la luz.
  • Ruido de lectura, debido a inexactitudes en el proceso de amplificación-lectura de la señal.
  • Ruido térmico, debido al calentamiento del sensor.
  • Ruido de cuantificación, debido a la digitalización de la señal.

2. Cómo medir el ruido

Visualmente todos sabemos lo que significa la expresión “esa foto tiene mucho ruido”.

Por experiencia sabes que el ruido es mayor en las sombras y se hace más visible cuando corriges con el ordenador la exposición de una foto subexpuesta.

La figura 1 es un ejemplo, donde intentamos arreglar la foto subexpuesta con Lightroom y, al mismo tiempo que hacemos la imagen más brillante, el ruido se hace más visible.

Figura 1a. Foto subexpuesta

Figura 1b. Versión corregida en Lightroom

Figura 1c. Detalle de la figura 1b donde se aprecia el ruido.

También sabes que el ruido se hace más visible cuando subes el ISO, como en la figura 2.

Figura 2a. Foto con ISO 3200.

Figura 2b. Detalle de la foto de la Figura 2a.

En este artículo no entraremos a valorar aspectos perceptivos del ruido, como, por ejemplo, que la misma cantidad de ruido es más visible en una superficie lisa que en una con textura.

Nos centraremos en el análisis cuantitativo del ruido. ¿Cuál es la magnitud correcta a utilizar para medir el ruido desde un punto de vista fotográfico?

El valor importante que hace que el ruido sea más o menos visible no es la cantidad de ruido absoluto, sino la llamada relación señal a ruido, es decir, el cociente entre la cantidad de luz y la cantidad de ruido que tiene un píxel. En adelante usaremos el acrónimo SNR para referirnos a la relación señal a ruido (S de Signal, N de Noise, R de Ratio en inglés; también es común expresarlo como S/N).

Por tanto, lo importante no es el valor del ruido N, sino el cociente entre luz S y ruido N. En la práctica nadie dice “esta foto tiene una relación señal a ruido baja” sino que se dice “esa foto tiene mucho ruido”.

En el tutorial donde explicamos cómo funciona una cámara tienes explicado el concepto de SNR con un ejemplo intuitivo; en concreto en este vídeo.

3. El ruidoso camino del fotón al valor RAW

Nuestro viaje comienza en la superficie fotosensible de un píxel. Allí van llegando los fotones a un ritmo que depende de la iluminación de la escena, tamaño del sensor, diafragma y tiempo de exposición.

Hacemos una foto. La llamamos foto_1.

Contamos los fotones/electrones capturados/generados en un píxel y vemos que son 100 (no son muchos, la verdad; o bien había poca luz o el diafragma no estaba muy abierto o la velocidad fue muy alta).

Imagina que la foto es de un objeto liso uniformemente iluminado. Todos los píxeles deberían haber captado 100 fotones en un mundo perfecto. Pero no es así; hay píxeles que han captado menos y otros que han captado más. Esto es así porque la cantidad de fotones que llega por unidad de tiempo no es constante.

La naturaleza de la luz no es determinista y resulta que si a un píxel llegan 100 fotones, a otro pueden llegar 93 y a otro 110, o lo que sea.

A la media de esos valores es lo que se llama señal útil o simplemente señal S; es la luz que deberían captar todos los píxeles si no fuese por la naturaleza estadística de la luz; en nuestra foto, S = 100 fotones.

La diferencia entre ese valor medio de luz y el que realmente capta un píxel se llama ruido fotónico o de disparo.

Así que en un mundo perfecto tendríamos una imagen con todos los píxeles del mismo nivel de brillo (el que sea equivalente a esos 100 fotones); sin embargo, debido a esas pequeñas variaciones, los píxeles pueden tomar valores ligeramente diferentes y como el ojo humano es muy bueno detectando cambios de brillo, percibirá la imagen como si le hubiesen echado “sal y pimienta”, es decir, la superficie lisa salpicada de puntitos algunos más claros (valores mayores que 100) y otros más oscuros (valores menores que 100).

Cuanto más alejados del 100, más visibles serán. El ruido es el concepto que mide precisamente esa diferencia, de tal forma que más diferencia equivale a más ruido.

Pero hay que buscar una forma de cuantificar en un único número el concepto de ruido fotónico como “desviación respecto al valor medio 100”. ¿Cuál sería el valor que mejor representaría todos los valores que no son 100?

Por ejemplo, habrá muchos píxeles que capten 99 fotones y los mismos aproximadamente que capten 101; habrá unos pocos menos con 98 y 102, y así sucesivamente.

El concepto que permite cuantificar esa variación se llama desviación típica o estándar.

Para el caso del ruido fotónico, ese valor es la raíz cuadrada de la señal, ya que los fotones que llegan al sensor siguen una distribución de Poisson (la desviación típica es la raíz cuadrada de la media). Como la señal es 100 fotones, el ruido será 10 fotones.

En resumen, la mayoría de píxeles captarán 100 fotones, pero habrá muchos otros que no capten 100. Y la forma de expresar de manera sencilla con un único número cuánto de alejados estarán del 100 el resto de  píxeles es con 10.

El valor típico de fotones que captarán esos píxeles será 90 para los píxeles más oscuros y 110 para los píxeles más claros.

 

De esta forma tan sencilla, con un simple número, 10 en nuestro caso, hemos cuantificado el ruido de foto_1.

Pero esa cantidad no nos dice nada sobre si el ruido es visible o no porque sólo tiene sentido cuando la comparamos con la señal captada. Es como decir que debes 100 €; no es lo mismo deber 100 € teniendo 1000000 € que teniendo 10 €.  

Lo importante es la relación señal a ruido, el cociente entre cuánta luz hemos captado y cuánto ruido hay.

En nuestro caso, SNR_1 = 100/10 = 10. Observa que la relación señal a ruido es adimensional; simplemente nos dice que hay 10 veces más de luz que de ruido fotónico.

Da igual que tu cámara valga 50 € que 50000 €; a igual cantidad de luz captada, el ruido fotónico será el mismo, pues es inherente a la luz, no a la electrónica de la cámara.

Vamos a hacer otra foto; la llamaremos foto_2. En este caso aumentamos el tiempo de exposición para poder capturar más fotones. Supongamos que la cantidad media capturada ahora son 25600 fotones. Pero sabemos que los fotones captados de verdad en un píxel cualquiera no serán 25600, sino que presentarán una desviación típica su raíz cuadrada,  = 160.

En este caso, la señal es 25600, el ruido es 160 y la relación señal a ruido es SNR_2 = 25600 /160 = 160.

Si comparas las dos fotos, foto_2 tiene más ruido que foto_1, 160 frente a 10, pero, sin embargo, la relación señal a ruido es mayor en foto_2, 160 > 10, con lo que se notará menos el ruido. Observa cómo la SNR crece con el cuadrado de la luz. Como foto_2 tiene 256 veces más luz que foto_1, su SNR es  = 16 veces mayor.

¿Por qué se nota menos el ruido en foto_2 que en foto_1?

Dicho de otra forma, ¿cómo podemos comparar ambas fotos y comprobar que la que tiene mayor SNR se ve mejor en términos de ruido?

Observa que foto_1 es mucho más oscura que foto_2 (100 fotones frente a 25600).

Una forma de igualar el brillo de ambas fotos es aplicar un ajuste de “exposición” durante el revelado/procesado con Lightroom o el software que uses. Por ejemplo, si se multiplica por 256 la primera foto (ajuste de +8 EV), conseguimos que foto_1 tenga el mismo brillo que foto_2. 

Pero el ruido también habrá aumentado el mismo factor, pasando a ser ahora 10 x 256 = 2560. Así que a igualdad de brillo la foto procesada tiene 2560/160 = 16 veces más ruido que foto_2; o sea, la imagen procesada tiene mucho más ruido que la foto original que captó más luz.

Date cuenta que cualquier procesado de la exposición por software va a aumentar/reducir la señal y el ruido por el mismo factor, con lo que la SNR va a permanecer constante. Hay algoritmos para reducir ruido, pero a costa de perder más o menos detalle según el tipo de ruido y el algoritmo utilizado.

Conclusión 1: la mejor forma de hacer que el ruido se note menos es captando más luz (diafragma más abierto, aumentar el tiempo de exposición o aumentar la superficie sensible del sensor a igualdad de resto de factores), porque la SNR crece con la luz.

Conclusión 2: cuando oigas que una foto tiene mucho ruido realmente te están diciendo que tiene una SNR muy baja.

4. ¿Y el sensor qué hace con el ruido?

Te habrás dado cuenta que hasta aquí el sensor de tu cámara no pinta nada. A partir de ahora, una vez la luz ha sido captada, cada una de las etapas del procesado de la luz que realiza tu sensor hasta acabar en el valor RAW va a introducir ruido: que sea más o menos dependerá de la calidad de tu cámara.

¿Y dónde aparece el ISO en todo esto?

Habrás oído multitud de veces que uses el ISO más bajo posible porque “aumentar el ISO aumenta el ruido”. Veamos cómo interpretar bien esta expresión. Lee esta sección con cuidado, porque malinterpretada puede tener consecuencias catastróficas para tus fotos.

Volvamos al caso de foto_1. Nos habíamos quedado en que teníamos 100 fotones. Esos 100 fotones se traducen en electrones que generan una carga que acaba en una tensión que es amplificada y digitalizada por el conversor analógico digital del sensor.

Por ejemplo, supongamos que los 100 fotones se convierten en el valor RAW 10 al final de todo el proceso. Es decir, por cada 10 fotones tenemos una unidad RAW. Eso es el ISO. El ISO no es más que un factor de conversión. Lo oirás con otros nombres, como ganancia o sensibilidad.

Imagina que el caso 10 fotones por unidad RAW corresponde a ISO 100. ¿Qué pasa cuando seleccionas ISO 200? Como bien sabes, cuando subes el ISO, la “exposición” aumenta; el famoso triángulo de exposición: tiempo, diafragma e ISO.

La realidad no es exactamente así. Cuando pasas de ISO 100 a ISO 200 lo que hace la cámara es cambiar el factor de conversión; pasa de 10 fotones por unidad RAW para ISO 100 a 5 fotones por unidad RAW para ISO 200.

El resultado final es que con la misma cantidad de fotones el valor RAW se multiplica por dos y tienes un fichero RAW con mayor “exposición”.

Por eso cuando subes el ISO sin tocar el diafragma ni el tiempo de exposición el nivel de brillo de tu foto aumenta. Pero, ¿has captado más luz? No. El píxel sigue captando 100 fotones. Lo que has hecho es cambiar la ganancia: has pasado de necesitar 10 fotones para obtener una unidad RAW a tan sólo 5 fotones por unidad RAW.

A más ISO hacen falta menos fotones para conseguir el mismo valor RAW, es decir, a igual cantidad de luz registrada, mayor ISO mayor valor RAW.

Por eso cuando subes el ISO en la cámara la imagen se hace más brillante.

En términos de exposición, la luz captada es la misma; pero la imagen que obtienes es más clara, decimos que tiene mayor “exposición”.

Es fundamental que entiendas la diferencia entre exposición y “exposición”.

Sin comillas es la exposición de verdad: la luz que capta el sensor, que depende del tiempo de exposición y el diafragma.

Con comillas es el valor de brillo del fichero RAW, lo que graba el fichero. El ISO no interviene en la exposición, sino en la “exposición”.

Volviendo a foto_1, los 100 fotones se convierten en un valor RAW 10 para ISO 100 y un valor RAW 20 para ISO 200.

Ajustando el factor de conversión o ganancia, el ISO, podemos obtener un fichero RAW con valores más o menos altos. A efectos visuales, un valor RAW más alto implica un mayor nivel de brillo.

Ahora viene lo interesante.

Lo de pasar de 100 fotones a un valor RAW 10 o 20 según el ISO sea 100 o 200 es si tu sensor fuese perfecto. Pero tu sensor no es perfecto. Durante todo este proceso se producen alteraciones entre el valor correcto y el obtenido (por ejemplo debidas al amplificador o la digitalización).

El resultado final es que, en vez de obtener el valor 10 o 20, acabamos con un valor 13 y 24, respectivamente (valores inventados).

Esa diferencia entre el valor correcto y el registrado se llama ruido de lectura. En nuestro caso valdría 3 unidades RAW para la foto con ISO 100 y 4 para la foto con ISO 200.

Hemos dicho que el ruido de lectura es el debido a la electrónica del sensor.

Parte de ese error se producirá antes del amplificador, con lo que vendrá amplificada según el ISO elegido, y otra se añadirá a la salida del amplificador. Es decir, habrá una componente que aumentará con el ISO y otra que será constante, independiente del ISO.

Para distinguirlos, hablaremos de ruido de lectura antes y ruido de lectura después del amplificador.

Veamos qué le pasa a la SNR cuando añadimos el ruido de lectura al ruido fotónico.

Realizaremos los cálculos en unidades RAW. Habíamos calculado previamente que para ISO 100 la señal es 10 y el ruido fotónico 1.

Para el ruido de lectura, supongamos que el ruido antes del amplificador para ISO 100 vale 1 unidad RAW y el ruido añadido después del amplificador es 2 unidades RAW.

Cuando hay varias fuentes de ruido independientes, es decir, que no guardan ninguna relación entre ellas, sus potencias se suman.

 

Matemáticamente significa que el ruido total es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de cada fuente de ruido independiente.

Tranquilo, con un ejemplo se entiende más fácil. En nuestro caso tenemos tres fuentes de ruido: fotónico, de valor 1, de lectura antes del amplificador, de valor 1, y de lectura después del amplificador, de valor 2.

Así que el ruido total es sqrt{1^2+1^2+2^2}  = 2.5 unidades RAW.

Observa que la fuente de ruido más importante para una foto con poca luz es el ruido de lectura. Es decir, cuando hay poca luz, el ruido fotónico es menor que el que introduce el sensor (para una cámara de prestaciones normales).

Así pues, para foto_1 con ISO 100, tenemos que SNR = 10/2.5 = 4. Es decir, hay cuatro veces más de señal que de ruido.

Para foto_2, para ISO 100, tenemos que la señal es 2560 y el ruido fotónico 16. Es decir, tenemos más ruido que antes, pero también mucha más luz.

El ruido de lectura será el mismo que en foto_1 si no cambiamos el ISO.

Por tanto, el ruido total será sqrt{16^2+1^2+2^2} = 16.2 unidades RAW.

Observa que cuando hay mucha luz, el ruido total coincide prácticamente con el ruido fotónico. En las luces altas domina el ruido fotónico, mientras que en las sombras domina el ruido de lectura.

La SNR para foto_2 con ISO 100 será 2560/16.2 = 158.

Si comparas los valores de SNR para foto_1 y foto_2, 4 y 158, respectivamente, la conclusión está clara: la SNR es mucho mayor para la foto con más luz. Es decir, foto_2 tiene mucho menos ruido que foto_1.

Además, el ruido de lectura resulta prácticamente inapreciable para las luces altas para ISOs bajos como ISO 100.

Por tanto, la calidad del sensor se notará más en las zonas de sombras que en las luces altas, donde domina el ruido fotónico.

Conclusión 3 = Conclusión 1: más luz (exposición sin comillas), mejor relación señal a ruido.

Conclusión 4: en las sombras domina el ruido de lectura y en las luces altas el ruido fotónico.

En la figura 3a tienes este caso. Dos fotos de una cartulina gris que se diferencian en el tiempo de exposición. La de la izquierda representa el caso de foto_1 de 100 fotones. La de la derecha el caso de foto_2 con 25600 fotones capturados.

Figura 3a. Izquierda: foto subexpuesta -4EV. Derecha: foto sobreexpuesta +4EV

La de la izquierda está subexpuesta 4 puntos de luz; la de la derecha sobreexpuesta 4 puntos de luz (sin llegar a quemar las luces altas).

A simple vista no se aprecia ruido en ninguna de ellas. Pero las dos fotos están mal de exposición.

Hay que corregirlas con Lightroom o el software que uses para tu revelado.

En la figura 3b tienes el resultado de aplicar +4 y -4 en la barra de Exposición en Lightroom.

Figura 3b. Detalles de las fotos de la figura 3a con ajuste de la Exposición de +4 EV y -4 EV, respectivamente.

Ahora sí tenemos las dos fotos con el brillo correcto. Pero mientras que en la de la derecha apenas se nota ruido en el gris obtenido, en la izquierda tenemos basura.

En la foto que captó pocos fotones tuvimos que aplicarle un ajuste de Exposición +4, con lo que el ruido se ha hecho más visible (se ha multiplicado por 16).

Sin embargo, la que estaba sobreexpuesta sin quemar las altas luces, al reducir la Exposición en -4 el ruido ha disminuido (se ha dividido por 16).

Las fotos de la figura 3b tienen la misma SNR que sus originales sin procesar. Al igualar la luz (señal), es evidente que la que tenga mejor SNR mostrará menos ruido; en nuestro caso foto_2.

Este es el fundamento de exponer a la derecha en fotografía y que tienes explicado en esta página; la relación señal a ruido aumenta con la luz, así que cuanta más luz captes en el sensor sin quemar, mejor en términos de ruido.

5. ¿Cómo afecta el ISO al ruido?

Qué es un sensor invariante al ISO

Ejemplo de sensor invariante al ISO

Veamos qué le pasa a la SNR cuando pasamos de ISO 100 a ISO 200 en foto_1.

Al doblar el ISO, todo lo que entra en el amplificador se verá multiplicado por dos a la salida respecto a la foto con ISO 100. Eso implica que la señal valdrá 20, el ruido fotónico 2 y el ruido de lectura antes del amplificador también valdrá 2.

Por otra parte, el ruido de lectura posterior al amplificador no cambia, manteniéndose en 2.

Por tanto, tenemos para la foto_1 con ISO 200 un ruido total de  sqrt{2^2+2^2+2^2} = 3.5 y SNR = 20/3.5 = 5.8.

Resulta que aunque el ruido aumenta respecto a la foto con ISO 100, la relación señal a ruido mejora sensiblemente, pasando de 2.5 a 5.8.

Esto es así porque el ruido de lectura posterior al amplificador es constante, no se amplifica como el ruido fotónico o el de lectura antes del amplificador.

Es decir, la foto con ISO 200 tiene mejor relación señal a ruido que la de ISO 100 y por tanto se notará menos el ruido.

Un momento, ¿aumento el ISO y disminuye el ruido? ¡Pero si es justo lo contrario! Mis ojos me han enseñado que cuando subo el ISO aumenta el ruido.

Antes de mandarme un correo con fotos de ejemplo que demuestran que una foto con ISO 1600 tiene más ruido que otra con ISO 100 comprueba antes que ambas fotos tienen la misma exposición (sin comillas, es decir, luz; o sea, que la combinación diafragma – tiempo de exposición capta la misma luz).

Resumiendo, en situaciones como fotografía nocturna donde la luz suele escasear, subir el ISO no sólo no empeora la relación señal a ruido, sino que puede mejorarla ligeramente dependiendo de la tecnología del sensor (el valor del ruido de lectura que tenga).

Dependiendo de la tecnología utilizada la mejora en la SNR será más o menos significativa cuando subas el ISO. La SNR no crece linealmente con el aumento de ISO.

El mayor incremento se produce en los ISOs más bajos. Es decir, habrá un ISO máximo para el que tenga sentido subir el ISO; pasado ese ISO no tiene ninguna ventaja seguir subiendo el ISO.

Para nuestro ejemplo, para ISO 800 se obtiene SNR = 6.9 y para ISO 1600 se obtiene SNR = 7; es decir, la SNR no mejora prácticamente nada por pasar de ISO 800 a 1600, cuando el paso de ISO 100 a ISO 200 sí aumentaba a más del doble la SNR.

Lo que ocurre cuando subes mucho el ISO es que el ruido de lectura después del amplificador se convierte en despreciable frente al ruido fotónico y el de lectura antes del amplificador, y como estos dos últimos términos y la señal aumentan el mismo factor al subir el ISO, se cancelan con lo que la SNR permanece constante.

Si estás pensando que disparar con ISO 100 y luego corregir la exposición durante el revelado aumentando un punto es lo mismo que hacer la foto con la cámara con ISO 200 recuerda que el postprocesado digital no mejora la SNR.

Es decir, obtendrás una imagen con el brillo correcto, pero con más ruido, pues la SNR no mejorará, seguirá siendo la misma que la foto sin procesar con ISO 100.

Del mismo modo, no tiene sentido utilizar ISOs interpolados en la cámara si disparas en RAW. Algunas cámaras no cambian la ganancia del amplificador para ciertos valores de ISO.

En este artículo no tenemos sitio para desarrollar más este punto; deberás averiguar para tu cámara cuando cambiar el ISO implica un cambio en la ganancia analógica o un simple ajuste digital del valor RAW como el que haces cuando ajustas la exposición en Lightroom.

Ya sea en la cámara o en el ordenador, cualquier ajuste digital de los valores no afecta a la SNR (siempre y cuando no satures la señal).

Si estás pensando que entonces lo mejor es utilizar el ISO más alto posible, cuidado. Tampoco te pases. Si aumentas el valor RAW tanto que saturas (alcanzas el valor máximo del valor RAW), estás quemando la foto y no habrá forma de recuperarla durante el postprocesado.

Además la ganancia en SNR se reduce a medida que subes el ISO (dependiendo del ruido de lectura concreto que tenga cada cámara).

Si estás pensando que entonces lo mejor es subir el ISO hasta no dejar huecos por la derecha del histograma, estás en lo cierto parcialmente. En la actualidad hay cámaras que han conseguido reducir el ruido de lectura a cifras minúsculas incluso para ISOs altos.

Es decir, que casi todo el ruido proviene del ruido fotónico. En ese caso no tiene ninguna ventaja práctica pegar el histograma a la derecha a base de subir el ISO.

Puedes hacer la foto con el ISO que quieras y ver una mancha negra en tu visor LCD cuando revisas la foto in situ. Esa foto tiene la misma SNR que la foto que obtienes cuando la procesas con un +4 EV o el valor que sea.

Recuerda que la ventaja de subir el ISO está relacionada con el ruido de lectura. Si éste es despreciable, la SNR es básicamente la fotónica y da igual aumentar la “exposición” ajustando el ISO en la cámara que subiendo la “exposición” con Lightroom.

De hecho tu cámara también es invariante al ISO, solo que a un ISO más alto de lo que hoy en día se entiende por un sensor invariante al ISO. Recuerda el ejemplo anterior: pasar de ISO 800 a ISO 1600 apenas mejoraba la SNR, así que puedes disparar a ISO 800 y luego hacer el ajuste de la exposición digitalmente.

Si tu cámara no es de este tipo (invariante al ISO en el sentido que para ISOs muy bajos ya no hay mejora en la SNR), entonces sí aplica lo visto antes; sube el ISO hasta apurar el histograma a la derecha sin pasarte (suponiendo que puedas ver el histograma RAW en tu cámara, cosa que dudo) o hasta que llegues al ISO a partir del cual es casi invariante.

En el caso de foto_2, pasar de ISO 100 a ISO 200 es pasar de SNR 158 a 159. Como ves la mejora es mínima y el riesgo de quemar las luces altas en el valor RAW aumenta si subes el ISO más de lo necesario.

En el caso de foto_2, el límite lo marca la SNR fotónica que vale 160.

Si comparas la SNR de foto_2 con la de foto_1 para cualquier ISO, la diferencia sigue siendo abismal a favor de foto_2. Por si no había insistido bastante en el tema, te lo recuerdo:

Conclusión 5 = Conclusión 3 = Conclusión 1: más luz (exposición sin comillas), mejor relación señal a ruido.

Conclusión 6: cuando te dicen que subir el ISO aumenta el ruido lo que te están diciendo es que hay poca luz o exposición, y que para conseguir más “exposición” hay que subir el ISO, lo que hace irremediablemente más visible el ruido; pero la SNR no sólo no empeora, sino que puede que mejore frente a un revelado digital posterior con el correspondiente ajuste de Exposición en Lightroom o donde sea.

Dicho de otra forma para que no queden dudas: la mejor exposición en términos de ruido es aquélla que ajusta el histograma RAW a la derecha; abre el diafragma o aumenta el tiempo de exposición hasta que ocurra eso y obtendrás la mejor foto posible en términos de ruido (otra cosa es si te sale movida, con poca profundidad de campo, etc; este artículo es sólo sobre ruido).

Si no puedes abrir más el diafragma o aumentar el tiempo de exposición, aumenta el ISO hasta que apures a la derecha el histograma si tu sensor es de los de “toda la vida” o al menos hasta que llegues al ISO para el que ya no mejora la SNR.

Si tu cámara tiene poco tiempo te aconsejo que averigües antes si vale la pena subir el ISO o no, incluso para ISOs bajos.

El último caso que nos queda por analizar es subir el ISO en foto_1 hasta que tengamos la misma “exposición” que en foto_2. La diferencia es de 8 puntos de luz, así que necesitamos hacer foto_1 con ISO 25600.

En ese caso el valor de señal será 2560 (el mismo que en foto_2). Para el ruido, tenemos que el ruido fotónico valdrá 1x256 =256, el de lectura previo al amplificador 1x256 = 256 y el posterior al amplificador seguirá siendo 2.

Por consiguiente, podemos calcular el ruido total  = 362 y la relación señal a ruido SNR = 2560/362 = 7.

No es ninguna sorpresa que subir el ISO a 25600 no haya mejorado la SNR frente a la foto con ISO 1600 que analizamos antes. Por eso muchos fabricantes según el tipo de cámara que se trate (profesional o aficionado) no se molestan en implementar físicamente ISOs muy elevados y prefieren obtener los valores RAW para esos ISOs de manera digital a partir de ISOs más bajos.

En cualquier caso, aun mejorando la SNR subiendo el ISO para foto_1, seguimos estando muy lejos de la calidad de foto_2, que es más de veinte veces mejor.

Veamos un ejemplo donde poner en práctica todo esto.

Hacemos una foto con una cámara Canon 50D (no invariante al ISO) con t = 1/100, f/2.8, ISO 100 y otra con t = 1/100, f/2.8, ISO 3200.

Las dos fotos tienen la misma exposición (t = 1/100, f/2.8), pero diferente “exposición”; la foto con ISO 3200 corresponde al caso en que hemos ajustado la “exposición” a la derecha del histograma.

Para poder comparar ambas fotos debemos aplicar un ajuste de Exposición + 5EV a la foto con ISO 100.

En la figura 4 tenemos el resultado. A la izquierda,  la foto con ISO 100 y +5 EV; a la derecha, la foto con ISO 3200. Es evidente que la foto con ISO 3200 está mucho más limpia; tiene menos ruido.

Figura 4. Izquierda: ISO 100, ajuste de +5 EV en Lightroom; derecha, ISO 3200. Sensor no invariante al ISO.

Si tu sensor es invariante al ISO no tiene ninguna ventaja en términos de ruido que aumentes el ISO en la cámara frente a aumentar la exposición a posteriori durante el revelado con el ordenador.

En la figura 5 tienes un ejemplo de dos fotos con una Fuji XT-2 (sensor invariante al ISO).

La mitad izquierda corresponde a la foto tomada con t = 1/30, f/6.4, ISO 200 ajustada la exposición en Lightroom con un +4 EV; la mitad derecha corresponde a la foto tomada con t = 1/30, f/6.4, ISO 3200. Ambas fotos son casi idénticas en términos de ruido.

Figura 5. Izquierda: ISO 200 con ajuste de +4 EV en Lightroom; derecha, ISO 3200. Sensor invariante al ISO.

Que un sensor sea invariante al ISO no significa que tenga menor ruido que uno no invariante; simplemente describe una característica de su comportamiento frente al ruido/ISO.

Lo último que nos queda por reconfirmar es que es preferible aumentar la exposición, la luz captada, que subir el ISO para aumentar la “exposición”, el valor RAW final.

En la figura 6 tenemos el resultado. A la izquierda una foto con t = 1/30, f/6.4, ISO 8000; a la derecha la foto con t = 1, f/6.4, ISO 200.

Figura 6. Izquierda: t = 1/30, f/6.4, ISO 8000; derecha, t = 1, f/6.4, ISO 200.

La foto de la derecha está más limpia, pues tiene mucha mayor exposición; ha captado más luz.

Ahora analiza las fotos que me ibas a mandar por correo donde se ve que con ISO 100 no hay ruido y con ISO 1600 hay mucho ruido. Verás que en las fotos con ISO 1600 la luz captada es mucho menor que en las fotos con ISO 100.

Es decir, el ruido se hace más visible porque hay menos exposición; al captar menos luz, la foto sale más oscura y para conseguir la “exposición” correcta aumentamos el ISO. Pero el ISO no es el culpable del ruido; es la falta de luz captada.

De hecho acabas de ver que subir el ISO (sin saturar el valor RAW) mejora la relación señal a ruido a igualdad de exposición para la mayoría de sensores hoy en día en el mercado. Así que no es justo comparar una foto con ISO 100 y otra con ISO 1600 si las dos no tienen la misma luz.

En la práctica puedes seguir usando exposición y “exposición” indistintamente pues al fin y al cabo lo que ven tus ojos es la “exposición”; es decir, puedes seguir pensando que el ISO forma parte del triángulo de exposición si lo único que te importa es el valor RAW final del píxel; pero al menos no le eches la culpa al ISO del ruido.

6. Qué es el rango dinámico

Qué es el rango dinámico

Cálculo del rango dinámico fotográfico

Por qué a mayor ISO menor rango dinámico

El rango dinámico del sensor delimita el rango dinámico de la escena que es capaz de capturar tu cámara en una única foto.

Se define el rango dinámico a nivel de píxel como la relación entre el valor máximo y mínimo de señal que es capaz de registrar un píxel. Se suele expresar en pasos o EV; es decir, el logaritmo en base dos del valor anterior.

Se puede calcular tanto en el dominio RAW como en el dominio de los electrones.

Por ejemplo, para el caso RAW, para un sensor típico de 14 bits, el valor RAW máximo teórico es 16383.

En cuanto al valor mínimo, hay muchas criterios. Cada uno de ellos da lugar a una definición distinta de rango dinámico. Por eso es importante cuando veas comparativas de rango dinámico que tengas claro qué definición de rango dinámico están usando.

Lo más típico en Ingeniería es suponer que el valor mínimo de señal es igual al ruido de lectura.

Una vez definidos el valor máximo y mínimo, lo único que tienes que hacer es su división y pasarlo a escala logarítmica.

Lamentablemente, esta definición de rango dinámico es poco útil para un fotógrafo por dos motivos.

El primero es que no tiene en cuenta el criterio de relación señal a ruido mínimo exigible a una foto para que no sea descartada automáticamente por ser puro ruido.

El segundo es que no tiene en cuenta el tamaño del píxel ni del sensor. 

Por eso una medida más justa si quieres comparar cámaras es el rango dinámico fotográfico, que tiene en cuenta estos factores. En el libro tienes explicado en detalle todo esto y cómo calcularlos.

7. Algunas aclaraciones

Estarás pensando que de dónde me he sacado esos números; por ejemplo, ¿por qué el ruido de lectura después del amplificador es 2?, ¿por qué capto 100 o 25600 fotones? Sí; me los he inventado para simplificar la explicación y que los cálculos te molestaran lo menos posible.

Para cada cámara habrá que calcular esos valores concretos.

¿Qué pasa con otras fuentes de ruido? Por ejemplo, en fotografía nocturna la exposición suele ser muy larga, así que el ruido térmico tendrá algo que decir. Correcto.

La tecnología ha avanzado mucho en este tema en los últimos años. Pues no pasa nada; prueba tu sensor y sabrás lo que tienes.

Si tu cámara es muy moderna y tiene un sensor muy bueno (expresiones que no son sinónimas), puede que el ruido de lectura sea bajísimo; tan bajo que siempre es despreciable respecto al ruido fotónico, independientemente del ISO que utilices.

En ese caso, la relación señal a ruido SNR es aproximadamente , es decir, la raíz de la luz captada. Tienes un sensor invariante al ISO (ver vídeo).

Sigue siendo válido que cuanta más luz captes en la escena menos ruido. Pero deja de tener sentido que subas el ISO si no puedes aumentar la exposición. Da igual que hagas una foto con ISO 200 y salga negra que la hagas con ISO 3200 y salga bien de brillo.

Si vas a Lightroom y aplicas un ajuste de +4 EV en la exposición a la foto negra con ISO 200 obtendrás casi la misma foto en términos de ruido que la foto que hiciste con la cámara con ISO 3200 como viste en la figura 5.

Así que ahora puede que sea una ventaja “exponer” a la izquierda en vez de a la derecha si tienes el riesgo de por poner ISO 3200 quemar algunos píxeles en el fichero RAW (otra cosa es que te cueste más componer porque la pantalla esté casi negra; aumenta el ISO para componer y bájalo cuando hagas la foto).

No es que te diga que hay que exponer a la izquierda. En términos de ruido, lo mejor es exponer a la derecha siempre; pero entendiendo por exponer conseguir la mayor cantidad de luz posible, no entendiendo por exponer a la derecha obtener un valor RAW máximo aumentando el ISO sin aumentar la luz (abrir diafragma o aumentar el tiempo de exposición). Recuerda: exponer vs. “exponer”.

Para el caso de foto_1 con ISO 100 teníamos con 100 fotones 10 unidades RAW. Pero para, por ejemplo, ISO 1600, esos 100 fotones darán lugar a un valor RAW 160. Te estarás preguntando qué sentido tiene que 100 fotones acaben generando un valor RAW de 160, es decir, menos de un fotón por unidad RAW.

Piensa, por ejemplo, en el caso de 0.1 fotones por unidad RAW. Es evidente que si aplicas esta ganancia habrá huecos en el histograma RAW. Tu cámara capta un número entero de fotones. Así que los valores RAW darán saltos de 10 en 10 (el valor mínimo de salto de luz es 1 fotón, que con esta ganancia significa un salto en el valor RAW mínimo de 10; es decir, hay 9 valores intermedios que no se utilizan.

Por eso no tiene sentido subir el ISO más allá del denominado valor de ganancia unidad, es decir, un fotón una unidad RAW. Otro parámetro que hay que calcular para cada modelo de sensor.

Este tema está relacionado con el concepto de profundidad de bit, que dice cuántos bits tiene el conversor analógico digital; es decir, cuántos posibles niveles RAW puede tener tu foto.

Rango dinámico: el ruido y la profundidad de bit delimitan el rango dinámico. Lo mismo que hay una carrera por los megapíxeles, el rango dinámico es un factor muy a tener en cuenta a la hora de comprar una u otra cámara.

Cuanto menor sea el ruido de tu sensor, mayor rango dinámico podrás conseguir, pues podrás capturar las sombras con mayor calidad que con un sensor donde en las sombras todo es ruido.

La más importante: si no te convence algo de lo expuesto en este artículo, olvídalo y vete a hacer fotos que es lo más divertido de la fotografía.

O mejor todavía: haz pruebas por ti mismo con tu cámara y saca tus propias conclusiones. Testéala y descubrirás cómo se comporta frente al ruido.

Eso sí, haz pruebas justas: no compares una foto con ISO 100, t=30’’ y f/2.8 con otra con ISO 1600, t=30’’ y f/11; las dos fotos no captan la misma exposición, aunque tengan la misma “exposición”.

13 thoughts on “El ruido en fotografía digital

  1. Profesor, solo quiero decirle gracias, gracias y más gracias por estas clases magistrales, soy de Argentina, estudié fotografía y nunca nadie jamás me explicó de esta manera. Es ud. clarísimo y súper didáctico explicando!!! nuevamente muchas gracias!!! lo saluda atte.
    José D. Alberca
    Buenos Aires, Argentina

  2. Jorge te has superado, excelente explicación. Muchas gracias por compartir tu conocimiento de una manera tan pedagógica y sigue derrumbando mitos. Saludos. Julián

  3. Hola Jorge. Muy buen artículo.
    ¿Cómo puedo saber si mi cámara es de iso invariante?
    ¿Cómo puedo saber el ruido de lectura de mi sensor?
    Un saludo
    Juan

    1. hola Juan. Para saber si es invariante muy fácil: haz varias fotos con la misma iluminación simplemente cambiando el ISO; por ejemplo, una a ISO 100 que sale muy oscura en tu pantalla LCD; otra con ISO 1600 que sale bien de luz (sin quemar nada; asegúrate que las dos fotos tienen mismo diafragma y tiempo; sólo cambias ISO). Luego vas a Lr y aplicas +4EV a la de ISO 100 y la comparas con la de ISO 1600; si no notas casi diferencia es que tu sensor es invariante al ISO.
      Para lo otro, los cálculos exactos requieren de unas fotos de prueba y luego unos cálculos que entre cosas requieren de un software que pueda leer raws sin aplicar ningún revelado. Si veo que le interesa el tema a más gente igual Igual se pone a escribir un libro sobre el ruido donde pueda extender todo esto en detalle y desfacer algunos entuertos, aunque me temo que quede muy técnico.

  4. Hola de nuevo.
    Mi cámara, una Canon 70D, tiene, que yo recuerde, dos aplicaciones para reducir ruido. El de ISOs altas y el de larga exposición, que será el térmico.
    ¿Sabes si esas reducciones de ruido se aplican al raw, al jpg o a los dos?
    ¿Sabes si son más o menos eficaces que una reducción de ruido en el procesado con el ordenador? Yo entiendo que la de larga expo es mejor aplicarla en la cámara pero de la otra no estoy seguro.
    Un saludo

    1. El de ISOs altas son algoritmos de reducción de ruido; del tipo que usa Lightroom o cualquier otro software. Desconozco los detalles de implementación pero serán los típicos me imagino. No me queda claro si los guarda en el raw o guarda la info de otra forma y debes usar DPP para interpretarlos. De todas formas si los puedes aplicar luego con el ordenador y son de calidad parecida no veo la ventaja de aplicarlos en cámara
      el de larga exposición es para quitar el ruido fijo (típica exposición nocturna y hace dos fotos, la buena y otra del mismo tiempo para sustraer a la primera; sólo guarda el raw resta). puedes desactivar el modo y hacer tú una y ahorrarte tener que esperar el doble de tiempo cada vez que haces una foto (mejor si haces varias y las promedias, pero todas seguidas para olvidarte ya del tema mientras haces fotos)

      1. Vale, entiendo que yo puedo hacer la foto (o fotos) de referencia en negro, pero tengo dos dudas:
        - ¿Cómo hago la foto negra? ¿Poniendo la tapa? ¿Se me colarán fotones malignos por los entresijos de la tapa?
        - ¿Cómo las uso después?¿Qué software me sirve para quitar el ruido en el procesado utilizando fotos negras?
        Y vaya por delante que de este tipo de fotos hago una o ninguna al año. Con lo cual todo esto me es súper útil. Pero ya sabes lo malo que es el afán de conocimiento.
        Grazie Mille (es que me voy unos días a Italia)

        1. Perdón, y otra duda.
          - Si tomo varias fotos negras de pongamos 2 minutos, ¿me servirán para corregir ruido de larga exposición cuando haga fotos de 10 minutos o para éstas necesito fotos negras de 10 minutos?

          1. te contesto a las dos cosas
            el ruido dark current es mayor cuanto más caliente el sensor y es proporcional al tiempo de exposición. Por eso igual tiempo (si igual temp). La foto negra con la tapa y ya está. No se cuelan fotones, se generan por calentamiento del sensor, más el ruido de lectura. la idea es que esa foto negra luego se resta de la foto de verdad y así quita el patrón fijo de ruido (el dark current ruido también tiene su aleatoriedad como el ruido fotónico; no eliminas todo pero sí el "valor medio")
            efectivamente en la práctica no sirve para nada porque no te vas a poner luego tú a hacer un revelado manual. Así que usa el de la cámara; pero de todas formas prueba antes de salir de casa si vale la pena tenerlo activo (de verdad reduce el ruido?) o no (para qué tener que esperar dos veces el tiempo de exposición por foto si no mejora nada)

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