SINAL vs RUIDO
MÁIS ALTO, POR FAVOR!

Nas cámaras dixitais, o valor da sensibilidade -ou ISO- é manipulable. Isto non quer dicir que a cámara careza dun índice de sensibilidade concreto. Significa, simplesmente, que a voltaxe á saída do sensor pode amplificarse mesmo antes de ser dixitalizado. Forzar o ISO significa que precisaremos menos luz, mais a costa de xerar ruido e perder gama dinámica.

Temos expricado xa que a capacidade dunha cámara dixital para xerar electróns vai en relación directa, en primeiro lugar, co tamaño das células fotosensibles. Outros dous factores dos que tamén depende a sensibilidade son a eficacia cuántica do sensor e a relación sinal-ruido da información antes da súa dixitalización.

A eficacia cuántica é o número de electróns xerados por cada fotón incidente. Sempre é menor que 1, porque non todos os fotóns incidentes liberan un electrón. Depende de cousas como a calidade do silicio ou a relación de apertura, que é a porcentaxe de superficie do sensor realmente sensible, non ocupada por circuitos ou rexistros de desprazamento.

O tamaño dos fotocaptadores ou píxeles limita o número de electróns úteis. Denomínase capacidade de pozo cheo (en inglés, "full well capacity"). Aínda que é un factor cuantitativo, determina xunto coa eficacia cuántica a calidade do sinal. Por iso, en sensores de igual tamaño, o número de megapíxeles está en relación directa coa resolución ou cantidade de información final, pero en relación inversa coa sensibilidade e a calidade desta.

Fontes de ruido
O ruido son aqueles electróns presentes no sinal que non corresponden ás luminosidades da escena. Sempre existe unha porcentaxe de ruido parásito, orixinada en distintas fontes. Os tipos máis importantes enuméranse a continuación:

Ruido fotónico: ningún fluxo de luz é uniforme, por moi estable que sexa a fonte e homoxéneas as superficies nas que se reflicte ou o medio en que se propaga. A súa desviación é puramente aleatoria, polo que se cuantifica segundo a distribución de Poisson, é dicir: o ruido fotónico vale a raíz cadrada do total do sinal, en termos de electróns presentes. Os seus efectos só se aprecian en zonas moi escuras ou pouco expostas.

Corrente escura: son os electróns de orixe térmica que xera o silicio a calquera temperatura maior que o cero absoluto. Non é significativo a velocidades normais e rápidas, pero as exposicións longas aumentan a temperatura do sensor, e o ruido duplícase cada 6 ó 7 graos. Este ruido aportado ao sinal é a raíz cadrada da corrente escura total.

Ruido de lectura: Prodúcese principalmente no preamplificador que le as cargas á saída do sensor (de tipo CCD) ou de cada fotodiodo (CMOS), e tamén na medición sobre a voltaxe que fai o conversor analóxico-dixital. É a principal fonte de ruido, especialmente a velocidades curtas.

Existen outras fontes de ruido, aínda que só en determinados casos son significativas: son a non uniformidade na fotorresposta dos píxeles, o ruido fotónico do ceo, a non uniformidade da corrente escura, o ruido 1/f ou de parpadeo, o ruido branco ou de Johnson, ou o ruido de reseteo.

O chamado ruido de disparo, por outra banda, é realmente unha categoría que engloba calquera ruido do que o comportamento se rixa pola distribución de Poisson.

Os distintos tipos de ruido non se acumulan, senón que se suman en cadratura. A resultante de dous ruidos de valores 3 e 4 non é 7, senón 5, xa que se calcula a raíz da suma dos cadrados.

O ruido total dun sistema combina todas as desviacións significativas. En moitos casos chegaría con isto: ruido total igual á raíz cadrada dos fotóns incidentes pola eficiencia cuántica por tempo, máis a corrente escura por tempo, máis o ruido de lectura ao cadrado. Vexamos a fórmula:

Os dous primeiros sumandos non se elevan ao cadrado porque xa producen un ruido igual á súa raíz. O resultado pode expresarse en voltaxe, ou máis comúnmente no número de electróns que producirían esa voltaxe.

Relación sinal-ruido
A chamada relación sinal-ruido mide a pureza da información a dixitalizar. É o cocente entre o sinal útil e o ruido medio ponderado, que -atención- non coincide co ruido total porque non inclue o ruido fotónico, ao consideralo parte do sinal útil, dado que está presente tamén na visión ocular:

Cando os fabricantes de cámaras dixitais incluen nas especificacións técnicas a rsr, o rmp adoita ser simplesmente o ruido de lectura. Para tomas ordinarias, as outras fontes de ruido non son significativas, aínda que en certos casos sí o son. Por exemplo: en fotografía do ceo remoto, inclúese obviamente no cálculo a corrente escura e o ruido fotónico do ceo ("sky noise").

Combatir o ruido
Por un lado, existen métodos físicos que solucionan casos concretos de ruido. Algúns exemplos: refrixerar o sensor minimiza a corrente escura; con filtros específicos pode evitarse a contaminación lumínica en tomas nocturnas, e o ruido de lectura diminue notablemente mellorando o deseño e calidade dos compoñentes electrónicos.

Por outro lado, hai unha serie de técnicas de procesado baseadas na suma, promedio ou sustración de imaxes:

O stacking consiste en superpoñer varias tomas da mesma escea. É como multiplicar a sensibilidade polo número de tomas, ademáis de incrementar a rsr:

Na fórmula, N é o número de imaxes combinadas. O stacking reduce considerablemente calquera ruido de disparo, incluido o ruido fotónico e o "sky noise".

O binning fai algo semellante, pero sumando grupos de 2 x 2, 3 x 3 ou 4 x 4 píxeles adxacentes. Moitas cámaras usan o binning para os tamaños de foto menores, agrupando as cargas dos píxeles do sensor. Evítase deste xeito o límite da capacidade de píxel e auméntase a rsr, a costa dunha menor resolución:

Binning de 2x2: vólcanse xuntos 2 píxeles de cada columna e lense os rexistros de 2 en 2 no preamplificador.

Un dark é unha toma feita cos mesmos parámetros que a fotografía e co obxectivo tapado. Sustraendo o dark da foto, pode contrarrestarse o ruido de lectura, a corrente escura e mesmo a non uniformidade dos fotocaptadores. Algunhas cámaras sustraen automáticamente un valor medio tomado da lectura dos píxeles limítrofes do sensor, que están tapados para que non reciban luz.

Un flat é unha toma de calibrado sobre unha superficie iluminada de forma homoxénea. É útil para descontar a non uniformidade dos píxeles, e sobre todo desviacións debidas á óptica, como o viñeteado.

Un bias é como un dark, pero tomado á maior velocidade que permita a cámara. É o máis útil para medir o ruido de lectura, xa que reduce ao mínimo os outros sinais.

Como o ruido adoita ser aleatorio, moito máis efectivo que usar dark ou bias sinxelos é facer un dark mestre coa combinación de moitos dark, ou un bias mestre a partir de moitos bias. Nas páginas web de astrofotografía hai abundantes experiencias que combinan uns métodos con outros.

Toma nocturna afectada de ruido do ceo.

Dark mestre, promedio de 16 dark cos
mesmos parámetros que a fotografía.

Resultado de restar da foto o dark mestro mediante
unha capa en modo Diferencia ou Sustraer.

Indice ISO e cuantificación en bits
A relación sinal-ruido é determinante para a profundidade de bits e para asignar o índice ISO equivalente do sistema.

Se unha cámara tene un ruido medio ponderado de 5 electróns, só podemos discriminar 2 píxeles cando a diferencia entre as súas cargas iguala ou supera este valor. Por tanto, o conversor A/D debería asignar os valores dixitais ao medir voltaxes que sexan múltiplos do xerado polo amplificador a partir de 5 electróns.

Dividindo a carga máxima de píxel (FWC) polo rmp, temos a rsr, que indica o número de valores dixitais que o sistema discrimina con fiabilidade. O seu logaritmo en base 2 dános a profundidade de bits óptima. Vexamos uns casos típicos:

Se os fabricantes destas tres cámaras deciden cuantificar a 12 bits, o da primeira medirá cada valor da escala con menos electróns que o seu ruido. As súas fotos serán máis ruidosas, e non sería raro ademáis que a súa sensibilidade tampouco fose moi boa e tivese un índice ISO máis baixo que as outras dúas.

A segunda cámara, lendo 10 electróns por nivel dixital, cumpre a profundidade de 12 bits. A terceira faino máis folgadamente con 16 electróns.

Supoñamos que a segunda ten un ISO equivalente a 100. Se o forzamos a 200, estamos índicándolle que, no canto de 10, lea 5 electróns para cada valor dixital. Ao facelo, comezamos a introducir ruido, porque entre dous valores dixitais consecutivos xa hai menos diferencia que o erro medio da toma.

A xeito de conclusión, se queremos sensores cunha boa relación sinal-ruido e tamén con bastantes megapíxeles de cara á ampliación da copia, o seu tamaño físico debe ser grande. É éste un argumento difícilmente discutible a favor dos sensores de tamaño completo (os chamados full-frame) ou aínda maiores.