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Mitos de la fotografía digital
Mitos de la fotografía digital – Guadalajara noviembre 2012 2
Índice
PARTE I
HARDWARE DEL SENSOR
PARTE II
ÓPTICA
El RAW como negativo digital ISOs reales vs ISOs forzados Rango dinámico y ruido Utilidad del rango dinámico Los bits del RAW Mpx vs ruido
Difracción, PDC y Mpx Filtro antialising. ¿Con o sin? Los angulares y la perspectiva
PARTE III
CAPTURA DIGITAL
El derecheo del histograma Uso inteligente del ISO Visor electrónico vs visor óptico HDR: número de capturas y
espaciado Modos de alto rango dinámico
PARTE IV
PROCESADO DE IMAGEN
El balance de blancos correcto “Recuperación” de altas luces en el
RAW Perfiles de color Uso inteligente del histograma El grano digital
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PARTE IHARDWARE DEL SENSOR
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EL MITO DE LA CAVERNA DEL RAW
“Tan simple como sea posible, pero no más simple”Albert Einstein
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Fuente: Wikipedia
El RAW como negativo digital (1/2)
El sensor Bayer solo capta uno de los tres canales en cada fotocaptor
Los otros dos deberán ser interpolados
La imagen final tiene tantos píxeles como fotocaptores tiene el sensor
R
B
G1
G2
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El RAW como negativo digital (2/2)
Pero el RAW no es más que un fichero numérico que puede por tanto manipularse, o construirse a partir de una imagen (JPEG)
El RAW no es garantía absoluta ni de la autoría de la obra, ni de la autenticidad de la imagen que contiene
Si se acepta como prueba es porque no se han generalizado herramientas para editarlo (que solo tendrían usos maliciosos)
RAW sintético
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0
0
fotones convertidos
seña
l elé
ctric
aISO100 ISO200 ISO400
sat.sat.sat.
ISOs reales vs ISOs forzados (1/2)
ISO = amplificación analógica de la señal eléctrica
FOTOCAPTOR
ISO A/D ...1101001
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ISOs reales vs ISOs forzados (2/2)
Los ISOs muy altos (>ISO3200), bajos (ISO50) o intermedios, suelen ser producto de corregir por software un ISO real
Cuando se dispara en RAW estos ISOs no deben usarse, porque no aportan nada y nos pueden hacer perder innecesariamente rango dinámico en las luces
Los ISOs falsos normalmente pueden detectarse analizando en detalle el RAW
ISO6400 falso Canon 5D MKII
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Rango dinámico y ruido (1/12)Concepto de rango dinámico
Se define como rango dinámico (RD) a la relación existente entre una luminosidad máxima y una luminosidad mínima: MAX/MIN
Si el rango dinámico de la escena es superior al de la cámara, no se podrá captar toda la información de la escena con una sola toma
Rango comprendido entre la zona más luminosa (luces altas), y la más oscura (sombras profundas) de la misma
Rango comprendido entre la saturación, y las sombras con un ruido tal que no permita distinguir detalle
RD DE LA ESCENA RD DE LA CÁMARA
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Rango dinámico y ruido (2/12)Expresión del rango dinámico
El rango dinámico se puede cuantificar numéricamente y expresar de diferentes formas. Por ejemplo una escena donde las altas luces sean 10.000 veces más luminosas que las sombras tendrá un...
RD lineal de 10.000
Contraste de 10.000:1
RD de 13,29 pasos o 13,29EV
RD de 80 dBlog2(10000) = log(10000)/log(2)
20·log10(10000)1EV = 6 dB
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Rango dinámico y ruido (3/12)RD de la escena: medición con la cámara
Es preciso emplear la medición puntual de la cámara
Calcularemos la diferencia en pasos de diafragma entre el punto más luminoso y el más oscuro de la escena
~11EV de rango dinámico
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Rango dinámico y ruido (4/12)RD de la escena: medición con el RAW
Revelamos el RAW con DCRAW que realiza un revelado 100% neutro:
Con Histogrammar obtenemos el histograma por pasos de diafragma y el diagrama de zonas
dcraw -v -a -4 -T foto.cr2
dcraw -v -r 1 1 1 1 -4 -T foto.cr2 También podemos revelar de manera neutra (todo a cero) con ACR
rango dinámico~11EV
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Rango dinámico y ruido (5/12)RD de la escena: ejemplos reales
Escena de bajo rango dinámico:
~3EV
histograma RAW
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Rango dinámico y ruido (6/12)RD de la escena: ejemplos reales
Escena de rango dinámico medio:
~6EVhistograma RAW
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Rango dinámico y ruido (7/12)RD de la escena: ejemplos reales
Escena de alto rango dinámico:
~12EVhistograma RAW
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Rango dinámico y ruido (8/12)Rango dinámico de la cámara: saturación y ruido
El rango dinámico de la cámara es el rango de luminosidades comprendido entre la saturación y aquella luminosidad en la que la presencia de ruido es tan grande que inutiliza las texturas
El rango dinámico de la cámara disminuye al aumentar el ISO porque al hacerlo el ruido aparece antes, en sombras no tan profundas
ruido
saturación
Canon 350D a ISO100~8EV de rango dinámico
RANGO DINÁMICO
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Rango dinámico y ruido (9/12)Ejemplo de escena de alto RD: Canon vs Fuji
A continuación se muestra una comparación de rango dinámico captado por una Canon 30D vs una Fuji S5 Pro a ISO100
En ambos casos se empleó la medición de la cámara. Así cabe hablar de rango dinámico en las luces (saturación) y en las sombras (ruido)
La Fuji gana gracias a su sensor Super CCD
Archivos RAW cortesía de Javier Bonilla Quesada (Ojo Digital)
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Rango dinámico y ruido (10/12)Comparación del RD de varias cámaras
Con el método de estimación visual se ha comparado el rango dinámico que es capaz de captar con uso fotográfico una serie de cámaras
Fuji (2004) destaca por su doble sensor Super CCD (HDR en la cámara)
La Nikon D800 (2012) pese a sus 36Mpx es la actual “reina” del RD gracias a su sensor de formato FF
La Pentax K5 (2010) parece haber logrado igualara 6 años después
Rango dinámico estimado en EV(menor ISO electrónico)
8 8,5 911 11 11,5
0
4
8
12
Canon350D
Canon5D
Canon40D Sony
A700Nikon D3
FujiS3/S5
Pro
PentaxK5
NikonD800
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Rango dinámico y ruido (11/12)Medida objetiva del RD de la cámara
Para un cálculo riguroso deben hacerse medidas de relación S/N, y establecer un criterio de rango dinámico como el nivel de exposición en que la relación S/N cae por debajo de un umbral (típ. 12dB)
Medidas de rango dinámico hechas bajo diferentes criterios (p.ej. en distintas páginas web) no son comparables
Fuente: Emil Martinec
Nikon D3
Rango dinámico en EV (criterio S/N>2EV)
9,6
9,0
8,2
7,4
6,5
5,4
5
6
7
8
9
10
ISO200 ISO400 ISO800 ISO1600 ISO3200 ISO6400
12dB
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Rango dinámico y ruido (12/12)RD de la visión humana vs dispositivos
mapeode tonos
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Utilidad del rango dinámico (1/5)Escenas de alto rango dinámico
Un sensor de mucho rango dinámico permite capturar escenas de más contraste
Es posible capturar en una sola toma escenas que en otra cámara requerirán hacer más de una foto
Los sensores de alto rango dinámico eliminarán la necesidad de hacer ahorquillado en escenas HDR
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Utilidad del rango dinámico (2/5)Errores de subexposición
Un sensor de mucho rango dinámico permite “levantar” fuertemente las sombras sin que aparezca un ruido excesivo
+6EV
Foto cortesía de Mika
6EV
histograma RAW
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Utilidad del rango dinámico (3/5)Prevenir trepidación / Lograr gran PDC
Un sensor de mucho rango dinámico permite exponer menos la captura obteniendo aún un resultado de calidad en cuanto al ruido
Aumentando la velocidad de disparo evitaremos mejor una posible trepidación
Cerrando más diafragma garantizaremos una mayor PDC
MEJORA EN LA NITIDEZ DE LA IMAGEN
MEJORA EN LA PDC DE LA IMAGEN
-3EV
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Utilidad del rango dinámico (4/5)“Izquierdeo” del histograma
Un sensor de mucho rango dinámico permite subexponer ligeramente por sistema, garantizando que las luces no se queman y obteniendo aún un resultado de calidad en cuanto al ruido
Este “izquierdeo” del histograma permite relegar el ajuste de exposición a un segundo plano
MEJORA EN OTROS ASPECTOS:
ENCUADRE,
COMPOSICIÓN,
ENFOQUE
...
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Utilidad del rango dinámico (5/5)Procesado extremo en sombras profundas
Un sensor de mucho rango dinámico permite procesar agresivamente las sombras profundas garantizando que el ruido se mantenga contenido
POSIBILIDADES DE PROCESADO
Limpieza de ruido en las sombras profundas
ruido visible
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Los bits del RAW (1/3)
Los bits del RAW son un requisito necesario para lograr un determinado rango dinámico
Pero no son una condición suficiente. El RD logrado depende del ruido del sensor
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Los bits del RAW (2/3) Los primeros sensores de 14 bits (ej. Canon 40D) no los necesitaban
realmente, era una estrategia de marketing sin efecto práctico
RAW 14 bits
RAW 12 bitsFoto cortesía de Bea Molina
-2 bitsno hay posterización
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Los bits del RAW (3/3) El sensor Sony ha sido el primero de 14 bits que realmente necesita y
saca provecho de dichos 14 bits gracias a su bajo ruido al ISO base
RAW 14 bits
RAW 12 bits
Foto cortesía de Mika
-2 bitsposterización
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Mpx vs ruido A mayor resolución del sensor más pequeños son los fotocaptores
capturarán menos luz tendrán peor relación S/N más ruido visible a nivel de píxel
Pero eso no necesariamente se traducirá en más ruido visible a nivel de la imagen final porque el promediado estadístico de píxeles mejora la relación S/N
mejor relación S/N
mejor relación
S/N
es un mito que siempre más Mpx = más ruido
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PARTE IIÓPTICA
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Difracción, PDC y Mpx (1/4) Difracción: fenómeno físico inevitable por el que los rayos de luz se
dispersan (formando en su proyección discos de Airy) al atravesar aberturas estrechas pérdida de nitidez
Surge cuando se cierra mucho el diafragma y su efecto es independiente de la focal, solo dependiendo del número f usado (ya que f relaciona distancia focal y abertura física: f = focal / D)
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Difracción, PDC y Mpx (2/4) En capturas donde se requiere una gran PDC (paisaje/arquitectura), hay
un compromiso de cara a la nitidez entre la PDC y la difracción
Difracción enCanon 10-22 (APS-C) a 15mm
La PDC produce pérdida de nitidez progresivamente mayor en las zonas más alejadas del plano enfocado. A mayor f mayor PDC
Pero a partir de cierto f, aparece la difracción produciendo pérdida de nitidez uniforme en toda la imagen. A mayor f más difracción
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Difracción, PDC y Mpx (3/4) Hay que encontrar un f óptimo de modo que se tenga una PDC suficiente
para nuestra escena, pero sin perder demasiada nitidez por difracción
Desenfoque por PDC vs desenfoque por Difracción
Aperturas óptimas de referencia:
f/11 en APS-Cf/16 en FF
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Difracción, PDC y Mpx (4/4)
Ningún formato (APS-C, FF, M4/3) tiene ventaja sobre los demás para lograr una gran PDC, ni tampoco sufre la difracción más que otro
Los formatos mayores requerirán un f más cerrado para lograr la misma PDC, y con ese f sufrirán la misma difracción que el formato menor con el f menos cerrado
Tener muchos Mpx no es nunca una desventaja de cara a sufrir la difracción, la trepidación o requerir ópticas exigentes. Lo será en recortes al 100%, pero no en la imagen final.
Así las imágenes finales obtenidas con sensores de mayor resolución serán siempre de igual o más calidad que las obtenidas con sensores de menor resolución.
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Filtro antialiasing. ¿Con o sin? (1/2)
Aliasing: fenómeno de interferencia que aparece cuando la escena presenta patrones repetitivos que el sensor no es capaz de resolver
El efecto visible del aliasing es el moiré, generalmente en forma de artefactos de color indeseables
En un correcto diseño de sistema de muestreo, el filtro AA es necesario para minimizar estos artefactos. La desventaja es una cierta pérdida de nitidez global en toda la imagen
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Filtro antialiasing. ¿Con o sin? (2/2) Recientemente han aparecido cámaras (Nikon D800, Pentax K5II) con
versiones sin filtro AA (Nikon D800E, Pentax K5IIs). Los respaldos digitales generalmente tampoco llevan filtro AA
La consecuencia de eliminar el filtro es una ganancia en nitidez global, a costa de estar más expuestos a la posibilidad de aparición de artefactos
Nikon D800 Nikon D800E
Límite de
Nyquist
Fuente:
BartvanderWolf
Estrella siemens
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Los angulares y la perspectiva La perspectiva obtenida de una escena depende únicamente de la
distancia al sujeto y de la dirección de observación. Cuanto más cerca esté el sujeto se tendrá mayor deformación de la perspectiva
La focal no afecta a la perspectiva, solo determina el ángulo de visión, es decir el recorte
La deformación de la perspectiva es más notoria en los bordes de la imagen. Un angular al tener mayor angulo de visión incluye más bordes
Acercamiento al sujeto
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PARTE IIICAPTURA DIGITAL
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El derecheo del histograma (1/4)
El ruido depende fundamentalmente del nivel de exposición en el RAW: a mayor grado de exposición menor ruido
Por ello disparando en RAW el derecheo es idóneo para reducir ruido en la captura
Lo ideal es lograr derechear con el menor ISO posible, pero si las condiciones lo impiden derechear aumentando el ISO también puede reducir el ruido
0EV
ISO1600
capturas a ISO100
+4EV
capturas a igual apertura/velocidad
ISO100
Peligros del derecheo: saturación de las altas luces y trepidación
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El derecheo del histograma (2/4)
La calidad del la captura es mayor cuanto mayor es la exposición lograda en el RAW...
...pero cuidado: la pérdida de calidad por saturación es abrupta
Derechear aumenta además el número de niveles capturados pero en realidad la mejora de calidad solo se percibe en forma de menor ruido
saturaciónsubexposición
CALIDAD DE LA CAPTURA DIGITAL
zona de
máxima
calidad
nivel de exposición
Si el ruido no es un problema en tu aplicación, derechear no tiene utilidad práctica
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El derecheo del histograma (3/4)
T=1/100s f/4T=1/200s f/4 T=1/50s f/4niveles vacíos derecheo sobreexposición
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El derecheo del histograma (4/4)
Para tener más precisión en el derecheo, podemos valernos del UniWB, ajuste que anula la aplicación del balance de blancos en el JPEG para que los histogramas y avisos de luces quemadas de la cámara sean mucho más fieles al RAW
Como contrapartida el JPEG generado se verá verdoso
Para ajustar el UniWB en cada cámara hay un procedimiento establecido y para algunos modelos RAWs listos para descargar (http://www.guillermoluijk.com/tutorial/uniwb/index.htm)
UniWB
balance tungsteno
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Uso inteligente del ISO (1/2) La mayoría de cámaras (Canon y en menor medida Nikon) reducen el ruido
visible al exponer mejor subiendo el ISO (manteniendo apertura/velocidad) Pero los nuevos sensores Sony apenas mejoran en ruido al hacerlo
Pentax K5
Canon 350D
ISO100 ISO1600 ISO100 ISO1600
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Uso inteligente del ISO (2/2) La forma de exponer el RAW para tener la máxima calidad de captura es
siempre el derecheo del histograma (máx. exposición sin quemar altas luces)
Pero dependiendo de la cámara este derecheo lo lograremos con apertura/velocidad/ISO, o exclusivamente con apertura/velocidad:
Canon Es crítico subir el ISO tan pronto haya riesgo de subexposición, para
exponer lo más posible y mejorar el ruido visible final
Nikon (con sensor Nikon) No es tan crítico como en Canon, pero aún es recomendable subir el ISO
cuando haya riesgo de subexposición, para mejorar el ruido visible final
Sensores Sony (muchas marcas los llevan) Subir el ISO para evitar la subexposición apenas aporta nada. Por tanto
en cuanto haya posibilidad de perder detalle en las altas luces por subir el ISO, es mejor mantenerse al ISO base (aunque con ello se subexponga). Precaución: el display de la cámara puede quedar bastante oscuro
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Visor electrónico vs visor óptico
Previsualización (exp., bal. blancos,…)
Aviso de zonas quemadas/subexpuestas
Histograma Focus peaking Cobertura 100% Horizonte artificial Distintos formatos
vs
Sin problemas de refresco
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HDR: número de capturas y espaciado (1/3)Hablaremos de imagen HDR cuando se cumplan tres condiciones:
Proviene de una escena de alto rango dinámico (>8 pasos)
Se ha logrado, por el medio que sea (varias exposiciones, cámara de alto rango dinámico, filtro GND,...), capturar toda la información desde las sombras profundas hasta las altas luces
Se ha realizado un mapeo de tonos de la información capturada para que ésta resulte visible en el dispositivo de salida (papel, pantalla de ordenador, proyector,...)
= HDR+ +
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HDR: número de capturas y espaciado (2/3) En escenas cuyo rango dinámico supera claramente al de la cámara el
único modo de captar toda la información es realizar varias tomas con diferente exposición
Tras realizar dichas capturas usaremos un método adecuado para obtener de cada una la información requerida
ALTAS LUCES
de la toma menos expuesta
SOMBRAS
de la toma más expuesta
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HDR: número de capturas y espaciado (3/3)
Si la toma menos expuesta no quema las altas luces, y la más expuesta logra suficiente exposición en las sombras profundas, no hace falta disparar más
La separación óptima entre tomas es de 2EV a 3EV
Hacer capturas innecesarias no mejora el resultado, consume recursos y puede reducir la nitidez
Mejora limitada por pasar de 2 a 3 tomas
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Modos de alto rango dinámico
La mayoría de modelos de cámaras disponen de modos de “alto rango dinámico”. P.ej. el Highlight Tone Priority de Canon y el Active D-Lighting de Nikon
Nunca estos modos mejoran el rango dinámico de la captura en RAW
Sí tienen utilidad disparando en JPEG sobre escenas de alto contraste. Aplicarán un “levantado” de sombras extra a la vez que preservan lo máximo las altas luces
Canon HTP: histogramas RAW de capturas con igual apertura/velocidad
HTP ON / ISO200 HTP OFF / ISO100
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PARTE IVPROCESADO DE IMAGEN
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El balance de blancos correcto (1/3) La necesidad de un balance de blancos no proviene de la escena, sino del
‘balance de blancos’ que hace inconscientemente nuestro sistema visual
En el revelado RAW un buen punto de partida para corregir el balance de blancos es referenciarlo a una zona de la escena que sabemos neutra
balance de blancos de ‘Luz de día’
balance de blancos personalizado
BIEN
BIEN
MAL
MAL
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El balance de blancos correcto (2/3) Consiste en un ajuste de la exposición de los canales (típicamente
aumentan R y B) con lo que puede llegar a quemar información
Tras el balance, en las zonas neutralizadas de la imagen se tendrá R=G=B
R = 52G = 122B = 105
R = 122G = 122B = 122
WB
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El balance de blancos correcto (3/3) No existe un método universal de lograr un balance de blancos correcto,
dependerá siempre de la aplicación
En aplicaciones donde se requiera reflejar el color real del sujeto, eliminaremos las dominantes de color (p.ej. con una carta neutra)
En otras aplicaciones las dominantes de color serán parte de la composición y las preservaremos (p.ej. haciendo un ajuste manual basado en nuestra memoria visual)
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“Recuperación” de altas luces en el RAW (1/2) La capacidad de “recuperación” de altas luces en el RAW es muy limitada, y
la diferencia de resultado práctico de un revelador se dará en casos puntuales
Lo fundamental es esforzarse en exponer sin quemar el RAW
Si unas altas luces aparecen quemadas en el JPEG y no en el RAW, no cabe hablar de “recuperación”. ¡No se puede recuperar lo que nunca se perdió!
JPEG RAW
Mitos de la fotografía digital – Guadalajara noviembre 2012 55
“Recuperación” de altas luces en el RAW (2/2)
Ejemplo excepcional de cielo quemado donde el resultado difiere en función del revelador RAW usado
El algoritmo inpaint de RAW Therapee supera a ACR (dominante cián) y a DCRAW (dominante magenta)
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Perfiles de color (1/4)
El revelador convierte del “espacio” de color de cada cámara al perfil de color de salida escogido, pasando por un perfil de color intermedio muy amplio (CIE XYZ, ProPhoto RGB)
El perfil de color óptimo será lo bastante amplio para recoger toda la gama de colores de nuestra aplicación, pero no más amplio para minimizar la cuantización. Adobe RGB es una buena elección general de compromiso
Los colores pueden salirse del perfil escogido en el revelado RAW (incl. sus ajustes), y en el procesado de la imagen por los colores que nosotros mismos vamos a “fabricar” al editarla
Fuente: www.brucelindbloom.com
Mitos de la fotografía digital – Guadalajara noviembre 2012 57
Perfiles de color (2/4)
Las conversiones entre perfiles matriciales típicos (sRGB, Adobe RGB, ProPhoto RGB), en Photoshop se realizan siempre en Relativo Colorimétrico independientemente del método elegido
En conversiones a perfiles tabulados (típicamente de impresora) sí es posible obtener un comportamiento del método Perceptual más próximo a lo que se espera de él (no recortar tonos)
La conversión de perfil diluye los picos del histograma
sRGB
Mitos de la fotografía digital – Guadalajara noviembre 2012 58
Perfiles de color (3/4)
Mientras la imagen no se salga de gama, el perfil más estrecho nos proporcionará más riqueza tonal (degradados más suaves)
Esto en la práctica solo tiene incidencia trabajando a 8 bits, donde deberán evitarse los perfiles demasiado amplios (ProPhoto RGB)
Matices (combinaciones RGB) en 8 bits
Mitos de la fotografía digital – Guadalajara noviembre 2012 59
Perfiles de color (4/4) Puede reconocerse que una imagen se sale de gama cuando aparecen
picos en los extremos del histograma, correspondientes a niveles recortados a 0 y/o niveles saturados
‘Avisar sobre gama’ de PS
Mitos de la fotografía digital – Guadalajara noviembre 2012 60
Uso inteligente del histograma
Revisamos el artículo completo:
‘EL HISTOGRAMA. ESE INVITADO INESPERADO’
La exposición
La gestión de color
El enfoque
Las dominantes de color
USOS CORRECTOS DEL HISTOGRAMA
USOS INCORRECTOS DEL HISTOGRAMA
La forma del histograma
El mito del “gris medio 128”
El histograma y los perfiles de color
El histograma y la calidad tonal
Mitos de la fotografía digital – Guadalajara noviembre 2012 61
El grano digital (1/2)
El ruido capturado por un sensor digital tiene en todos los casos naturaleza gaussiana, no teniendo estructura espacial ni diferenciación por canal
canal B del RAWRAW
Mitos de la fotografía digital – Guadalajara noviembre 2012 62
El grano digital (2/2)
Por lo tanto carece de sentido cualificar el “grano” de un determinado sensor, todos son iguales
El aspecto final que tenga el ruido dependerá enteramente del revelador RAW empleado (algoritmo de demosaicing) y del procesado posterior
gracias