El ISO (¿qué es ESO?)

El ISO (¿qué es ESO?)DSC_9173_01

Una de las primeras cosas que aprendemos en cualquier curso de iniciación a la fotografía es “el triángulo de las exposición”. Ese triángulo se forma con el diafragma, el obturador y el ISO. Ya sabemos cómo funciona el diafragma: deja pasar más o menos luz cerrándose o abriéndose, como el iris de nuestros ojos. La velocidad del obturador permite que la luz pase durante más o menos tiempo. Pero ¿y el ISO? ¿Cómo funciona?

 

Tres fases

El proceso fotográfico se compone de tres fases: óptica, electrónica e informática.

La fase óptica comprende desde el sujeto, pasando por el objetivo, la lente, el diafragma, el obturador y finalizando justo antes del sensor, en la matriz de Bayer.

La fase electrónica la controla el sensor, que convierte la luz de fotones en electrones y posteriormente en bits.

La fase informática recoge los bits generados en la fase anterior y los procesa para obtener una imagen mapa de bits de calidad “Truecolor” (24 bits por pixel) visible en cualquier pantalla de ordenador, marco digital, tableta o teléfono móvil.

En este artículo, al hablar de ISO, nos centraremos en la fase electrónica de la fotografía.

 

Un poco de historia

En el siglo XX las cámaras llevaban un carrete de película sensible a la luz. Esa película se exponía con la luz que entraba por el objetivo y luego se revelaba. La película llevaba una emulsión que podía tener más o menos sensibilidad a la luz, dependiendo del tamaño de los granos de compuesto de plata. A mayor tamaño mayor sensibilidad, pero también más grano: menos definición. A menor tamaño menor sensibilidad pero grano más fino y más calidad.

Los organismos de estandarización definieron la sensibilidad de las películas fotográficas. Por un lado la alemana DIN (Deutsches Institut für Normung) y por otro la americana ASA (American Standard Asociation). El carrete “normal” tenía una sensibilidad 100 ASA o 21 DIN, que es lo mismo. Y un carrete con sensibilidad 200 ASA tenía el doble de sensibilidad que el de 100. O sea que había que cerrar un diafragma para las mismas condiciones de luz.

Para no discutir, se creó el sistema ISO (International Standard Office), “ni pa ti ni pa mí”, que unía ambas nomenclaturas. El carrete era entonces ISO 100/21.

Con la entrada en juego de las cámaras digitales, se asimiló el concepto a la sensibilidad de sensor electrónico, adoptando el primero de los guarismos de la escala ISO. O sea, que nos quedamos con el 100 y dejamos el 21.

 

    Escalas ASA/DIN

          ASA        DIN
50         18
100        21
200        24
400        27
800        30
1600        33
3200        36
6400        39

 

En la era digital

Veamos primero cómo funciona el sensor de una cámara digital. El sensor es un trozo de oblea de silicio compuesta por múltiples elementos semiconductores. El semiconductor es un metal (normalmente silicio) que se comporta como conductor de la electricidad en determinadas circunstancias. El metal tiene una estructura cristalina en la que los átomos del mismo comparten sus electrones. Dependiendo de la energía de los electrones, éstos se encuentran en la banda de valencia (baja energía y asociados a un átomo) o en la banda de conducción (alta energía y libres). Si un electrón que está en la banda de valencia recibe suficiente energía, pasa a la banda de conducción, aportando su granito de arena para el paso de electricidad.

El efecto fotoeléctrico (que precisamente es por lo que Einstein recibió el premio Nobel) consiste en lanzar fotones (luz) sobre un semiconductor para que la energía del fotón haga saltar al ufano electrón al estrellato o banda de conducción. Es decir, que un fotón empuja a un electrón a la banda de conducción. Cuantos más fotones, más saltos y más corriente pasa por el semiconductor. Este es el principio del sensor.

Es decir, que el sensor recibe luz, y esa luz se convierte en electricidad. Luego se mide la electricidad (diferencia de potencial en milivoltios) y eso nos da el valor de cada pixel.

La sensibilidad es la cantidad de electricidad generada por unidad de luz. Y eso es fijo en cada uno de los pixeles del sensor.

Entonces ¿el ISO?… ¿Qué pasa cuando subimos el ISO en la cámara?

Antes de nada terminemos la explicación del proceso electrónico. El valor de la diferencia de potencial en el pixel (los milivoltios) es un valor analógico. Hay que pasarlo por un convertidor analógico/digita (A/D) para obtener un valor digital (generalmente de 12, 14 o 16 bits). El conjunto de los valores digitales de todos los píxeles forma lo que constituye el formato RAW de la imagen.

Pero entre la salida del sensor y el conversor A/D, el fabricante coloca un amplificador de señal. En este amplificador se puede modificar la ganancia (relación entre la señal de salida y la de entrada) desde uno (no amplificar nada) hasta 2, 4, 8, 16… veces. Obteniendo así unos valores más altos que los que realmente ha captado el sensor.

Es precisamente este amplificador el que simula el aumento de sensibilidad. Y es precisamente lo que modificamos cuando aumentamos el ISO.

Cuando el amplificador no altera la señal (no amplifica) decimos que estamos en la ISO “nativa” del sensor, que normalmente es el valor más bajo del parámetro ISO.

Resumiendo, la parte electrónica del proceso fotográfico tiene tres partes:

 

SENSOR -> AMPLIFICADOR -> CONVERSOR A/D

 

Y es el amplificador, como hemos dicho, el que simula la sensibilidad ISO.

ISO y Ruido

El concepto de ruido proviene de las comunicaciones por radio. Si cogemos la radio del abuelo, que tiene un sintonizador manual (no como las radios modernas que vienen con sintonización digital), que se sintoniza con una rueda, veremos que entre emisora y emisora se oyen extraños sonidos. Si dejamos la rueda en un lugar en el que no captamos ninguna emisora y subimos el volumen oiremos… ¡ruido! Es lo que hay donde no hay señal. Ruido. El ruido está por doquier. Pero si la señal de la emisora está bien sintonizada y es suficientemente potente, esa señal es superior al ruido, tapa el ruido.

Si la emisora llega con poca señal, cuando subimos el volumen amplificamos señal… pero también ruido. Y la calidad de la audición es mala… o pésima.

Apliquemos esto al sensor.

El ruido que nos ocupa es el llamado ruido térmico. Por efecto de la temperatura, los electrones cogen energía y son capaces (una pequeña minoría) de escalar a la banda de conducción. Esto no es grave, sobre todo cuando hay cantidad de luz suficiente como para enmascarar ese “ruido”. Cuando la señal es muy superior al ruido.

Pero si la señal es baja, si hay poca luz, si llegan pocos fotones al sensor, entonces esa señal es comparable al ruido. Esa señal es muy difícil de diferenciar del ruido y cuando amplificamos, aumentamos señal, pero también aumentamos ruido. Eso es lo que pasa cuando aplicamos un ISO alto en condiciones de poca luz.

Ojo, hablamos de condiciones de poca luz. Algunos no se dan cuenta de ello y nos muestran las bondades de su sensor a ISOs altos. Sí, pero en condiciones de mucha luz.

– Mira, mira, qué poco ruido. ¡Y a ISO 3200!

Cuando la escena es a pleno día, con luz más que suficiente, el amplificador ISO aplica su función a un nivel de señal suficientemente alto. Superior al ruido térmico del sensor. Y en esas condiciones podemos amplificar señal sin amplificar ruido.

Ahí está el truco.

El problema es que solemos “tirar de ISO” precisamente cuando hay poca luz. Y es cuando más ruido aparece. Y ese ruido aparece concretamente en las zonas más oscuras.

 

Otro ruido, el ruido de cuantificación

Existe otro tipo de ruido que se produce al pasar una señal de analógica a digital. En cualquier caso, podemos identificar el ruido como una falta de exactitud del valor de la señal. En el caso del ruido térmico, éste produce un aumento erróneo del valor verdadero de la señal.

En el proceso de digitalización de la señal analógica lo que se hace es tomar una muestra y darle un valor numérico. Así como la señal analógica puede tomar cualquier valor entre dos dados (es decir, que entre 1 milivoltio y 2 milivoltios hay un conjunto infinito de posibles valores, “uno coma loquesea”. Como si se dispusiera que un número ilimitado de posiciones decimales), la señal digital sólo admite un número limitado de valores posibles. Si la digitalización produce un dato de 8 bits, se dispone sólo de 256 valores posibles.

Parece, pues, que se pierden los valores intermedios.

Esto es grave cuando la digitalización genera un número insuficiente de bits, en ese caso el número de colores es muy bajo y se produce el efecto “Banding” en el que aparecen bandas de colores en lo que debería ser un degradado uniforme (habitualmente en cielos).

Las fórmulas teóricas indican que para el sonido, el uso de 16 bits obtiene una relación señal/ruido de digitalización de cerca de 100dB. Valor que se admite generalmente como más que excelente. Es el estándar que se usa en la grabación de CDs de audio.

 

Número de colores

El número de bits por muestra que se obtienen en la digitalización nos da el número de colores disponibles. Si se usara sólo un bit tendríamos dos valores, dos colores: blanco y negro. Es el caso del fax o las fotocopiadoras. Cada punto es o negro-negro o blanco-blanco.

Los primeros ordenadores, allá por el siglo XX, usaban pantallas (fósforo verde y similar) que no admitían más que esos dos colores. Con el paso del tiempo aparecieron los primeros monitores en color, que disponían de una paleta de ¡16 colores!, los correspondientes a 4bits por pixel. Más adelante se empezaron a emplear 8 bits y 256 colores.

Podría haberse subido el número de bits ilimitadamente pero eso no fue necesario. Se determinó que el ojo humano no era capaz de distinguir más allá unos 10 millones de colores. Y se aplicó este dato para definir el estándar denominado “Truecolor”, en el que cada pixel tiene 24 bits de información de color. Esos 24 bits corresponden a tres canales de 8 bits, los archifamosos Rojo, Verde y Azul (RGB en sus siglas anglosajonas), y en total representan hasta 16,7 millones de colores.

Por lo tanto, con 24 bits por pixel tenemos más que de sobra para representar los colores visibles por el humano actual.

En la fase que he dado en llamar informática, es donde se trata esa información digital y se obtiene un fichero de imagen representable en un monitor de ordenador o equivalente. Los 12, 14 o 16 bits obtenidos en la muestra electrónica se convierten en los tres canales de color interpolando datos de los píxeles adyacentes. Así se puede obtener un valor de entre 36 (3×12) y 48 (3×16) bits por pixel. A continuación se procesa esa información (lo que venimos llamando “revelado”) para obtener un mapa de bits o imagen Truecolor de los 24 bits por pixel acordados.

Ese revelado se puede realizar en la cámara, usando los parámetros proporcionados por el fabricante, o en el ordenador con el software adecuado.

En el desarrollo de ese revelado, se modifican los datos digitales aplicando tratamientos globales que ajustan el color (balance de blancos), la nitidez o incluso la exposición modificando brillo y contraste. Al final, la imagen en mapa de bits se comprime aplicando algoritmos JPEG para obtener el fichero que almacenamos en el disco duro, enviamos por correo electrónico a nuestros amigos, o subimos a las redes sociales.

 

Conclusión

El ajuste del ISO no varía la sensibilidad del sensor de nuestra cámara, sino que amplifica la señal analógica generada por éste. Como todo amplificador, es más vulnerable al ruido con niveles bajos de señal. Lo cual es una pena, porque es cuando hay poca luz cuando más nos vendría bien “tirar de ISO”. No obstante, en condiciones de luz no tan críticas, el aumento del ISO nos permite cerrar más el diafragma o usar velocidades más rápidas de lo que nos permitiría el ISO nativo del sensor. Al final es una buena noticia.

Pero como siempre, el sensor y nuestra cámara tienen sus límites, conociéndolos y no abusando de ellos podremos sacar el mayor partido a nuestras herramientas.

 

 

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