Sensores y calidad de imagen

Al margen de la calidad óptica de los objetivos, en fotografía digital hay varios factores que influyen en la nitidez, la resolución y el ruido de las imágenes.

                                                                                                                                                  

DIMENSIONES DEL SENSOR Y AMPLIACIÓN DE LA IMAGEN                                                          Las dimensiones físicas de un sensor de imagen determinan en gran medida la calidad de la imagen fotográfica y de vídeo. El siguiente ejemplo lo demuestra de forma evidente:

La imagen que registra un sensor de formato 35 mm (24 x 36 mm) se tiene que ampliar cuatro veces menos que la registrada por un sensor de formato Micro 4/3 (13 x 17 mm). Por lo tanto, cuanto mayor es el formato del sensor mejor será la calidad de imagen y menor tendrá que ser el poder de resolución de los objetivos. Por ejemplo, si hacemos una ampliación en papel de 60 x 90 cm (540.000 mm2), la imagen captada con una cámara de formato 35 mm se tendrá que ampliar linealmente 25 veces (el área se multiplica por 625), mientras que la imagen captada con una cámara de formato Micro 4/3 se tendrá que ampliar linealmente 46 veces (el área se multiplica por 2443, o 2172 para una copia de 60 x 80 cm, proporcional al formato Micro 4/3). La relación entre tamaño y calidad es un hecho incontestable, por mucho que se esfuercen algunos fabricantes y usuarios en proclamar lo contrario.

Resulta evidente que cuanto menos haya que ampliar la imagen registrada por el sensor, mayor será la calidad de imagen.

CANTIDAD TOTAL DE LUZ                                                                                                                      La cantidad total de luz que registra un sensor es un factor crucial en la calidad de imagen.

Un sensor de formato 35 mm (24 x 36 mm; 864 mm2) es aproximadamente cuatro veces mayor que un sensor Micro 4/3 (13 x 17 mm; 221 mm2). Si el número f es igual en el objetivo de ambas cámaras, la intensidad de la luz por unidad de superficie también será igual, por lo que la exposición no variará.

Sin embargo, la cantidad total de luz para crear la imagen será cuatro veces mayor en el sensor de formato 35 mm, pues el área sensible es cuatro veces mayor. Por este motivo, un sensor de formato 35 mm genera imágenes con menos ruido que un sensor de formato Micro 4/3. Si la calidad del sensor, el procesador y el convertidor analógico – digital es la misma, una cámara de 35 mm permitirá ajustar, en teoría, un valor ISO cuatro veces mayor que una cámara de formato Micro 4/3. Para que un sensor de formato Micro 4/3 reciba la misma cantidad total de luz que un sensor de 35 mm la apertura relativa (número f) ha de ser cuatro veces mayor, por ejemplo f/2 respecto a f/4.

La superficie de un sensor de 35 mm es más del doble que la de un sensor APS-C (864 mm2 contra 384 mm2). Por lo tanto, la cantidad de luz total que recibe el primero es también más del doble que la recibida por el segundo.                                                                               Hay que tener en cuenta que las dimensiones de los sensores varian para un mismo formato. Por ejemplo, algunos sensores de 35 mm miden 24 x 36 mm, mientras que otros miden 23,9 x 35,9 mm. La variabilidad de tamaño de los sensores APS (APS-C y APS-H) es mayor, por ejemplo 15,7 x 23,6 mm, 19 x 28,7 mm, 14,8 x 22,2 mm etc., dependiendo de la marca y el modelo de cámara.

TAMAÑO DE LOS FOTORRECEPTORES Y RELACIÓN SEÑAL – RUIDO                                           Otro factor a tener en cuenta es el tamaño de los fotorreceptores del sensor, que forman los píxeles de la imagen. Cuanto más pequeño es un fotorreceptor menor cantidad de luz registra y más ruido genera (la relación señal/ruido es menos favorable). En los píxeles muy pequeños el efecto de la difracción también es mayor, lo que degrada la calidad de imagen. Para mantener la equivalencia entre formatos, 40 megapíxeles en un sensor de formato 35 mm (24 x 36 mm) corresponden aproximadamente a 10 megapíxeles en un sensor de formato Micro 4/3, que tiene un área cuatro veces menor.

Sensor 24x36
Sensor 24x36 (píxeles grandes)

Un sensor con fotorreceptores pequeños (izquierda) genera más ruido y se satura antes (caben menos fotones) que un sensor con fotorreceptores grandes (derecha), pero la relación no es directamente proporcional, como se explica a continuación.

A nivel individual los fotorreceptores pequeños son menos eficientes que los grandes porque registran menos luz. Pero esto no es del todo cierto cuando se considera el efecto de la suma de todos los píxeles. Esta aparente contradicción se explica por la combinación de dos tipos de ruido: fotoelectrónico y de lectura.

1) El ruido fotoelectrónico está generado por fotones y fotoelectrones, que son partículas cuánticas. Este tipo de ruido es independiente del sensor y equivale a la raíz cuadrada de la señal. Si hay mucha luz (pongamos 10.000 fotones por mm2), el ruido fotoelectrónico será de 100, que es la raíz cuadrada de 10.000 (relación señal-ruido = 100:1); si hay poca luz (pongamos 1000 fotones por mm2), el ruido fotoelectrónico será de 33, que es la raíz cuadrada de 1000 (relación señal-ruido = 30:1).

2) El ruido de lectura está generado por la circuitería del sensor, por lo que depende de la calidad de todos los componentes que generan la imagen.

Un caso práctico: supongamos que tenemos dos sensores del mismo tamaño, uno con un solo fotorreceptor grande y el otro con cuatro fotorreceptores más pequeños. Cada fotorreceptor registrará algo de ruido fotoelectrónico y algo de ruido de lectura. De hecho, como ya hemos visto, el ruido fotoelectrónico combinado de los cuatro fotorreceptores pequeños es igual que el del píxel grande. Esto significa que la única diferencia es el ruido de lectura.

Debido a la naturaleza aleatoria del ruido, cuatro fotorreceptores pequeños no generan cuatro veces más ruido que un solo fotorreceptor grande. Si el ruido de lectura de cada fotorreceptor pequeño fuera exactamente igual que el del fotorreceptor grande, el ruido total sería dos veces mayor (raíz de 4), y no cuatro veces mayor. O visto de otro modo, si el ruido de lectura de cada fotorreceptor pequeño fuera la mitad que el del fotorreceptor grande, entonces el ruido total de los dos sensores sería equivalente.

Dos sistemas diseñados para incrementar la nitidez de las imágenes y mejorar la reproducción del color, cada uno con sus ventajas e inconvenientes.       Un sensor con desplazamiento solo permite captar imágenes estáticas, pero proporciona todas las ventajas de los filtros RGB dispuestos en una sola capa: simplicidad de construcción, buen rendimiento a valores ISO altos y compatibilidad con la mayoría de los programas de procesado raw.                              Un sensor tricapa (Foveon) permite captar imágenes en movimiento, pero genera bastante ruido cuando hay poca luz y es necesario ajustar valores ISO altos, además de requerir un procesado raw exclusivo.

Sin embargo, en el mundo real las cosas son un poco distintas. El ruido de lectura de los sensores modernos es muy bajo, y además los fotorreceptores pequeños tienden a producir menos ruido de lectura que los fotorreceptores grandes (la diferencia no es proporcional al tamaño, de modo que un fotorreceptor de 4 µ2 no genera el doble de ruido que un fotorreceptor de 8 µ2). Esto significa que un sensor con cuatro fotorreceptores pequeños genera bastante menos del doble de ruido de lectura que un sensor con un fotorreceptor grande.

Vamos a ver cuáles son las diferencias entre una cámara de 24 MP y otra de 36 MP, ambas con el mismo formato de sensor. El incremento del número de fotorreceptores es de 1,5 x (24 x 1,5 = 36). Si el ruido de lectura de cada fotorreceptor fuera el mismo, la cantidad total de ruido de lectura se incrementaría 1,2 veces (porque 1,2 es igual a la raíz cuadrada de 1,5). A medida que la tecnología vaya reduciendo el ruido de lectura de los sensores, esta diferencia será despreciable.

Lo más lógico sería que los fabricantes decidieran no incrementar el número de fotorreceptores hasta que fueran capaces de fabricar sensores con un ruido de lectura cercano al de los sensores ya existentes (con menos píxeles). Pero la realidad es que los megapíxeles venden cámaras.

Como ya hemos visto, con luz intensa predomina el ruido fotoelectrónico, por lo que no hay diferencias entre un sensor con 36 MP (fotorreceptores más pequeños) y otro sensor con 24 MP (fotorreceptores más grandes), siempre que las dimensiones del sensor sean iguales.

Con poca luz o a valores ISO altos el ruido de lectura adquiere predominancia, pero como mucho un sensor de 36 MP generará un 20 % más de ruido que un sensor de 24 MP, no el 50 % teórico.

La principal excepción a esta regla es cuando un sensor genera bandeado, un tipo de ruido de lectura que resulta visible en imágenes muy oscuras cuando se aclaran. La cantidad de ruido generado por cada fotorreceptor no es del todo independiente del ruido generado por los fotorreceptores vecinos. Como este ruido no es aleatorio, no se puede promediar por submuestreo. El efecto del bandeado es muy evidente en la imagen porque nuestro sistema visual detecta muy bien los patrones que se repiten.

CONCLUSIÓN                                                                                                                                           Si por lo general hacemos fotografías con bastante luz, el tamaño del sensor y el número de píxeles no deberían ser factores determinantes para elegir una cámara. Sin embargo, si nos gusta la fotografía nocturna, sobre todo astronómica, entonces el tamaño del sensor, y en menor medida el número de megapíxeles, sí son factores importantes.

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