Tema: Rango dinámico y relación señal-ruido (SNR)

[Guillermo Luijk]

he dividido el tema, porque se desvía del original. es muy interesante,  seguimos aquí 

viene de este otro hilo http://www.caborian.com/foro/index.php/topic,87970.0.html

wiggin

Hace pocos días Emil Martinec, profesor de física de la univ. de Chicago que suele hacer estudios muy interesante sobre imagen digital, publicó en su web un artículo excelente sobre ruido y rango dinámico: Noise, Dynamic Range and Bit Depth in Digital SLRs.

De sus mediciones de relación señal a ruido he obtenido (para el criterio de S/N>2EV que parece bastante acertado en para un uso fotográfico) los siguientes rangos dinámicos en diafragmas para cada valor ISO. S/N, rango dinámico y ruido son la misma cosa, así que estas gráficas son representativas de qué cámara es más y menos ruidosa para cada ISO:

Sí que parece que la 5D domina a ISOs altos y la 40D a ISOs bajos como ha comentado algún forero. Las mediciones de Emil son píxel vs píxel, por lo que la mayor resolución de la 5D debiera ponderar la anterior gráfica ligeramente más a favor de la 5D en un hipotético reescalado de imágenes de ambas cámaras al mismo número de píxels finales.

Deja también claro el artículo algo que llevo defendiendo hace algún tiempo a partir de las pruebas hechas en varias cámaras, y es que hoy por hoy los 14 bits de las cámaras que los tienen no sirven absolutamente para nada. Las mejoras de la 40D vendrán de otro sitio.

Salu2

[pep33]

Me resulta extraño que la 40d tenga mejor relacion señal-ruido que la 5d que tiene fotocaptores mucho mas grandes, no pongo en duda el estudio solo que me extraña. En cuanto a los 14 bits, la mayor ventaja que le veo es el contar con mas informacion de partida para trabajar la foto posteriormente a la toma.
En cuanto a calidad fotografica yo, que tengo acceso a las dos y ademas a buenas lentes, vualvo a asegurar que la 5d, con buenas lentes, da imagenes mejores, y es algo que se puede ver p.ej en las respectivas pruebas de dpreview, en las pruebas de nikon d3 (comparando con 5d) etc. En digital mas grande siempre es mejor
saludos

[hep]

me está gustando este post. Cuánto sabéis...

Seguiré atenta.....

[Guillermo Luijk]

Me resulta extraño que la 40d tenga mejor relacion señal-ruido que la 5d que tiene fotocaptores mucho mas grandes, no pongo en duda el estudio solo que me extraña. En cuanto a los 14 bits, la mayor ventaja que le veo es el contar con mas informacion de partida para trabajar la foto posteriormente a la toma.

Según el análisis la 40D solo tiene mejor relación señal a ruido para los ISO100 e ISO200, en los demás gana la 5D. Además ya he comentado que la gráfica se ha de ponderar al alza en favor de la 5D porque tiene algo más de resolución y la gráfica es una comparativa píxel vs píxel. El de la 40D es un sensor más moderno, tiene lógica pensar que las cosas se van mejorando.

Tener más niveles (más allá de los 12 bits en las actuales cámaras) no supone hoy ninguna ventaja a la hora de editar la imagen porque el ruido inutiliza el extra de riqueza tonal en aquellos diafragamas donde ésta podría sernos útil (o sea en las sombras). Es algo que está comprobado y en concreto en el artículo se demuestra en la Fig. 20.
La 350D sin ir más lejos tiene bastantes más niveles que la 5D (unos 400 más, un 12% más), y no es ni más ni menos potente en cuanto a riqueza tonal visible y utilizable que ésta.

[Guillermo Luijk]

Ya sé que esto debería ir a parte, pero... Guillermo, por faaaaa, andaaaaa, ¿Podrías incluir en la gráfica esa tan cuca los valores de la Mark III???? Es que leí el otro día el artículo y me mosqueó también unos valores que daba para esta a 200 Iso, además que me parece muy interesante la comparativa con la 40D y la 5D por haber tenido todas ellas... joooo, andaaaaa, por favooooor.......   

He añadido las Mark III y he ponderado el cálculo de relación S/N por el factor corrector que modela las distintas resoluciones de cada cámara. He tomado como referencia la resolución de la 40D (por eso para ella los anteriores valores de rango dinámico se mantienen), para introducir la mejora en S/N y por tanto en rango dinámico que tendría el reescalado de las demás cámaras al tamaño de la 40D, que es la manera justa de comparar rangos dinámico a igual detalle captado.

La 40D se pone en su lugar (la 5D la supera claramente ahora salvo en el primer ISO). La 1DMarkIII queda muy bien parada superando a la 5D pero no a la Nikon D3, que solo es superada por la 1DsmarkIII:

La corrección introducida es la comentada en el apartado 'BIG PIXELS vs. small pixels' del artículo donde se explica claramente que cuando una minicelda de 2x2 píxels se reescala a un único superpíxel, la S/N se duplica, es decir, se reduce a la mitad el ruido visible. La correción permite pasar de una S/N (y por tanto de un rango dinámico) calculado para píxels individuales, a introducir la resolución en píxels del sensor, dando unas cifras que tienen más sentido para el fotógrafo.

Precisamente esto explica porqué es tan falsa la cantinela de "Cuantos más Mpx más ruido, por lo tanto prefiero un sensor de menos Mpx". Cuantos más Mpx, cada uno de ellos tendrá en general más ruido, pero también tenemos más píxels, por lo tanto en un supuesto reescalado a la baja para comparar en condiciones de igualdad el ruido con el de otro sensor de menos Mpx el ruido se va a promediar haciéndose menos visible de modo que la percepción final de ruido no solo no tiene porqué ser mayor sino que hasta puede ser menor. Por eso en principio (porque no he probado ninguno de lo dos) y a falta de conocer otras características, me da mejor espina el sensor de la 450D que el de la 40D.

[marisljo]

Muchísimas gracias Gui, te lo curras muchísimo y es un lujazo contar contigo, hayá donde posteas se torna interesante el hilo... gracias de nuevo....   

[pep33]

He tomado este parrrafo de un magnifico articulo de Efrain Garcia y Ruben Osuna porque me extraña de la 1ds nueva de 23 mp, tenga mejor ratio señal-ruido que la 5d p.ej:
"La razón señal-ruido y el tamaño de los fotocaptadores.
La siguiente pregunta es si hay alguna diferencia en la fotografía obtenida a partir de dos sensores de diferente tamaño pero igual número de píxeles (por ejemplo, la Nikon D2X y la Canon 5D). Dejando a un lado las diferencias que acabamos de analizar, el sensor más grande tendrá fotocaptadores más grandes, lo que tiene ventajas.
Es sabido que hay una relación entre el tamaño de la superficie realmente sensible a la luz de las celdillas del sensor (->) y la razón señal-ruido (signal-to-noise ratio, SNR). El ruido depende de varios factores (->), uno de los cuales, muy importante, viene determinado por el tamaño de las celdillas que captan la luz. Los fotones capturados por un CCD siguen una distribución aleatoria de Poisson (->). Por tanto, la raíz cuadrada del número de fotones captado es ruido, es decir, fotones que han caído en la celda por error. Es lo que se conoce como 'photon noise' o 'shot noise'. El tamaño de la celda determina el número de fotones capturado en un período determinado, y cuantos más fotones atrapemos mayor será la razón señal-ruido. En efecto, si se capturan 400 fotones, 20 serán ruido (5% del total), y la razón señal ruido será de 400/20=20. No obstante, si la captura es de sólo 16 fotones, 4 serán ruido (el 25%), y la razón señal-ruido será igual a 16/4=4, mucho menor (véase esta interesante página de Roger N. Clark para una explicación más técnica y detallada). Cuando aumentamos la ISO lo que hacemos es interpretar la fotografía a partir de menos fotones capturados, amplificando y por eso la calidad de la imagen se degrada. El 'photon noise' no es el único origen del ruido finalmente observado, pero sí impone una fuerte restricción a nuestras posibilidades de preservar la SNR cuando reducimos el tamaño de los fotocaptadores. Otras dos causas importantes de ruido están relacionadas con la conversión analógico/digital ('read noise') y con la temperatura del sensor ('thermal noise'). Véase este este documento técnico de Kodak para un listado exhaustivo de las causas del ruido en los CCDs.

Hay que decir aquí que los cálculos de tamaño del "píxel" que solemos dar sólo establecen la correspondencia entre el número de píxeles (o de celdillas con un fotosensor) y la superficie total del sensor. La superficie realmente recolectora de luz es menor, pues parte del espacio reservado a cada píxel está ocupado por circuitería electrónica. La superficie realmente sensible a la luz es variable, y depende del diseño de cada sensor, siendo el dato realmente determinante para la razón señal-ruido. No obstante, el tamaño de la celdilla es la mayor restricción a la hora de determinar la superficie fotosensible de un sensor, por lo que se puede establecer una relación directa entre ésta y la razón señal-ruido.

Una cámara es un sistema integrado (->), y hay que buscar un equilibrio entre todos sus componentes. ¿Resolución o limpieza de la foto? Ambas están ligadas mediante una relación inversa, pues el ruido a ISOs altas llega a destruir detalle que el sensor capta a ISOs bajas (cosa que ocurría también con la película, y en mucha mayor medida), y lo mismo ocurre con la rendición del color, que empeora en presencia de ruido. El progreso técnico va modificando esa frontera de posibilidades tecnológicas.

Para cada estado de la tecnología hay un conjunto de combinaciones posibles, de entre las que podemos elegir. La Nikon D2X, por ejemplo, ofrece una excepcional capacidad de captar detalle (véase la foto del graderío), si bien el ruido se hace aparente a ISOs iguales o superiores a 800. Eso es producto de una elección, como otra cualquiera. En cambio, hemos conocido cámaras con un amplísimo rango de sensibilidades y muy bajo ruido, pero a cambio de una resolución también muy baja (véase la antigua Kodak DCS620x). Se viene operando sobre varias de las causas del ruido, aunque este avance se hace cada vez más costoso y más lento"
saludos.

[Guillermo Luijk]

pep, el artículo de Emil explica esto muy bien, de verdad que vale la pena leerlo entero porque no hay un solo párrafo de paja. Tal como yo lo veo:

- Hay que tener en cuenta por un lado que el ruido fotónico predomina como fuente de ruido en las altas luces, y por tanto no es el más determinante en la S/N en las sombras que es la que determina el rango dinámico discutido aquí.
- Por otro lado la gráfica que muestro ya aplica la corrección por el número de píxels (es decir, si una cámara tiene mayor número de píxels que otra su S/N es corregida al alza para que la comparación sea justa a efectos de un usuario fotógrafo). Sin esa corrección la S/N por píxel en las sombras de la 1Ds3 es muy similar a la de la 5D (si quieres esta noche pongo la gráfica sin la corrección).
- Por último, la 1Ds3 tiene una mayor eficiencia de captación de fotones por unidad de superficie del sensor (Tabla 1 de Emil): 0.061 la 5D vs 0.098 la 1Ds3, es decir un 61% mayor. La de la 5D es de las más bajas, inferior incluso a la de la 350D (0.064).

Lo juntas todo (que el ruido fotónico no es el más crítico para el rango dinámico, que se ha aplicado la corrección por el número de Mpx totales y que el sensor de la 1Ds3 es más eficiente por unidad de superficie), y el resultado es que la 1Ds3 cuesta lo que cuesta por algo.

El último factor (la eficiencia) creo que en realidad no afectaría al cálculo del rango dinámico porque para realizar dicho cálculo se establece la S/N en función del nivel de señal logrado, y que una cámara logre antes que otra (es decir con una menor necesidad de fotones incidentes) dicha exposición en realidad no influye en la S/N lograda.

Salu2

[montesino]

Pero a efectos prácticos, bastantes fotografos están revelando algunos de los raws de la 1ds III a la mitad de resolución por problemas de tamaño y eficiencia del revelador, en esos casos ¿la canon tendría menos ruido que una D3 a toda resolución, por ejemplo?

[Guillermo Luijk]

Pero a efectos prácticos, bastantes fotografos están revelando algunos de los raws de la 1ds III a la mitad de resolución por problemas de tamaño y eficiencia del revelador, en esos casos ¿la canon tendría menos ruido que una D3 a toda resolución, por ejemplo?

claro, precisamente ésa es la corrección que introduce la resolución del sensor. Al reducir el tamaño mejora la relación señal a ruido, es decir, disminuye el ruido visible, en el mismo factor en que la imagen es reescalada.
Cuántas veces no hemos visto imágenes reescaladas para web totalmente aceptables, pero que en su revelado original en un recorte al 100% estaban llenas de ruido?