SEÑAL vs RUIDO
¡MÁS ALTO, POR FAVOR!

En las cámaras digitales, el valor ISO es manipulable. Esto no quiere decir que la cámara no tenga un índice de sensibilidad concreto, sinó simplemente que el voltaje a la salida del sensor se puede amplificar incluso antes de ser digitalizado. Forzar el ISO significa que necesitaremos menos luz, a costa de generar ruído y perder gama dinámica.

Ya hemos explicado que la capacidad de generar electrones de una cámara digital está en relación directa, en primer lugar, con el tamaño de las células fotosensibles. Otros dos factores de los que también depende la sensibilidad son la eficacia cuántica del sensor, y la relación señal a ruido de la información, antes de su digitalización.

La Eficacia cuántica es el número de electrones generados por cada fotón incidente. Siempre es menor que 1, porque no todos los fotones incidentes liberan un electrón. Depende de cosas como la calidad del silicio o la Relación de apertura, que es el porcentaje de superficie del sensor realmente sensible, no ocupada por circuitos o registros de desplazamiento.

El tamaño de los fotocaptadores o píxeles limita el número de electrones útiles. Se denomina Capacidad de pozo lleno –en inglés Full Well Capacity-. Aunque es un factor cuantitativo, determina junto con la Eficacia cuántica la calidad de la señal, por eso en sensores de igual tamaño, el número de megapíxeles está en relación directa con la resolución o cantidad de información final, pero en relación inversa con la sensibilidad y la calidad de ésta.

Fuentes de ruído
El ruído son aquellos electrones presentes en la señal, que no corresponden a las luminosidades de la escena. Siempre existe un porcentaje de ruído parásito, originado en distintas fuentes. Los tipos más importantes son:

Ruido Fotónico: ningún flujo de luz es uniforme, por muy estable que sea la fuente y homogéneas las superficies en que se refleja o el medio en que se propaga. Su desviación es puramente aleatoria, por lo que se cuantifica según la distribución de Poisson, es decir: el ruído fotónico vale la raíz cuadrada del total de la señal, en términos de electrones presentes. Sus efectos sólo se aprecian en zonas muy oscuras o poco expuestas.

Corriente oscura: son los electrones de origen térmico que genera el silicio a cualquier temperatura mayor que el cero absoluto. No es significativo a velocidades normales y rápidas, pero las exposiciones largas aumentan la temperatura del sensor, y el ruído se duplica cada 6 o 7 grados. Este ruído aportado a la señal es la raíz cuadrada de la corriente oscura total.

Ruído de lectura: Se genera principalmente en el preamplificador que lee las cargas a la salida del sensor -CCD- o de cada fotodiodo -CMOS- y también en la medición sobre el voltaje que hace el conversor Analógico a Digital. Es la principal fuente de ruído, especialmente a velocidades cortas.

Existen otras fuentes de ruído, aunque sólo en determinados casos son significativas: son la No uniformidad en la fotorrespuesta de los píxeles, el Ruído fotónico del cielo, la No uniformidad de la corriente oscura, el Ruído 1/f o de parpadeo, el Ruído blanco o de Johnson, o el Ruído de reseteo. El llamado Ruído de disparo es realmente una categoría que engloba cualquier ruído cuyo comportamiento se rige por la distribución de Poisson.

Los distintos tipos de ruído no se acumulan, sinó que se suman en cuadratura. La resultante de dos ruídos de valores 3 y 4 no es 7 sinó 5, ya que se calcula la raiz de la suma de los cuadrados.

El Ruído total de un sistema combina todas las desviaciones significativas. En muchos casos bastaría esto: Ruído total igual a la raíz cuadrada de: Fotones incidentes por Eficiencia cuántica por tiempo, más Corriente oscura por tiempo, más Ruído de lectura al cuadrado. Ver fórmula:

Los dos primeros sumandos no se elevan al cuadrado porque ya generan un ruído igual a su raíz. El resultado puede expresarse en voltaje, o más comúnmente en el número de electrones que producirían ese voltaje.

Relación señal a ruído
Mide la pureza de la información a digitalizar, y es el cociente entre la señal útil y el Ruído medio ponderado que -atención- no coindide con el Ruído total, porque no incluye el Ruído fotónico, al considerarlo parte de la señal útil, dado que está presente también en la visión ocular.

Cuando los fabricantes de cámaras digitales incluyen en las especificaciones técnicas la Rsr, el Rmp suele ser simplemente el Ruído de lectura. Para tomas ordinarias las otras fuentes de ruído no son significativas, pero en ciertos casos, si. Por ejemplo: en fotografía del cielo remoto, se incluye obviamente en el cálculo la Corriente oscura, y el Ruído fotónico del cielo -sky noise-.

Combatir el ruído
Por un lado existen métodos físicos que solucionan casos concretos. Ejemplos: refrigerar el sensor minimiza la Corriente oscura; con filtros específicos se puede evitar la contaminación lumínica en tomas nocturnas, y el Ruído de lectura disminuye notablemente mejorando el diseño y calidad de los componentes electrónicos. Por otro, hay una serie de técnicas de procesado basadas en la suma, promedio o sustracción de imágenes. Veámoslas:

El Stacking consiste en superponer varias tomas de la misma escena. Es como multiplicar la sensibilidad por el número de tomas, además de incrementar la Rsr:

donde N es el número de imágenes combinadas. Reduce considerablemente cualquier ruído de disparo, incluído el Ruído fotónico y el Sky noise.

El Binning hace algo similar, pero sumando grupos de 2x2, 3x3 o 4x4 píxeles adyacentes. Muchas cámaras usan el Binning para los tamaños de foto menores, agrupando las cargas de los píxeles del sensor. Se evita el límite de la capacidad de píxel y se aumenta la Rsr, a costa de menor resolución.

Binning 2x2: se vuelcan juntos 2 píxeles
de cada columna, y se leen los registros
de 2 en 2 en el preamplificador.

Un dark es una toma hecha con los mismos parámetros que la fotografía y con el objetivo tapado. Sustrayendo el dark de la foto, se puede contrarrestar el Ruído de lectura, la Corriente oscura e incluso la No uniformidad de los fotocaptadores. Algunas cámaras sustraen automáticamente un valor medio tomado de la lectura de los píxeles limítrofes del sensor, que están tapados para que no reciban luz.

Un flat es una toma de calibrado sobre una superficie iluminada de forma homogénea, Es útil para descontar la No uniformidad de los píxeles, y sobre todo desviaciones debidas a la óptica, como el viñeteado.

Un bias es como un dark pero tomado a la mayor velocidad que permita la cámara. Es lo más útil para medir el ruído de lectura, ya que reduce al mínimo las otras señales.

Como el ruído suele ser aleatorio, mucho más efectivo que usar dark o bías simples es hacer un dark maestro con la combinación de muchos dark, o un bías maestro a partir de muchos bías. En las páginas web de astrofotografía hay abundantes experiencias que combinan unos métodos con otros.

Toma nocturna, afectada de ruído del cielo

Dark maestro, promedio de 16 dark con
los mismos parámetros que la fotografía

Resultado de restar de la foto el dark
maestro, mediante una capa en modo
Diferencia o Sustraer

Indice ISO y cuantificación en bits
La Relación señal a ruído es determinante para la profundidad de bits y para asignar el índice ISO equivalente del sistema.

Si una cámara tiene un Ruido medio ponderado de 5 electrones, sólo podemos discriminar dos píxeles cuando la diferencia entre sus cargas iguala o supera este valor. Por tanto El conversor AD debería asignar los valores digitales al medir voltajes que sean múltiplos del generado por el amplificador a partir de 5 electrones.

Dividiendo la carga máxima de píxel -FWC- por el Rmp tenemos la Rsr que indica el número de valores digitales que el sistema discrimina con fiabilidad. Su logaritmo en base 2 nos da la profundidad de bits óptima. Veamos unos casos típicos:

Si los fabricantes de estas tres cámaras deciden cuantificar a 12 bits, el de la primera medirá cada valor de la escala con menos electrones que su ruído. Sus fotos serán más ruidosas, y no sería extraño además que su sensibilidad tampoco fuese muy buena y tuviese un índice ISO más bajo que las otras dos.

La segunda cámara, leyendo 10 electrones por nivel digital, cumple la profundidad de 12 bits. La tercera lo hace más holgadamente con 16 electrones.

Supongamos que la segunda tiene un ISO 100. Si lo forzamos a 200, le estamos diciendo que, en lugar de 10, lea 5 electrones para cada valor digital. Al hacerlo, comenzamos a introducir ruído, porque entre dos valores digitales consecutivos ya hay menos diferencia que el error medio de la toma.

Conclusión: si queremos sensores con una buena relación señal a ruído y también con bastantes megapíxeles de cara a la ampliación de la copia, su tamaño físico debe ser grande. Esto es un argumento a favor de los sensores de tamaño completo -full frame- o aún mayores, que difícilmente se puede discutir.