8 de diciembre de 2013

Técnica fotográfica. El ruido digital

TÉCNICA FOTOGRÁFICA. EL RUIDO DIGITAL
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Fecha última modificación: 06/12/2013
Fecha creación: 06/12/2011
Versión: 1.0

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Definición y tipos de ruido digital

Muchos hemos sufrido en alguna ocasión, y al principio por desconocimiento con mucha sorpresa, cómo se quiebran las esperanzas depositadas en una imagen -que sobre el display de la cámara digital parecía perfecta- al comprobar horrorizados la presencia de un granulado feo cuando la visualizamos con una ampliación suficiente.

A ese granulado excesivo con distintos colores, que aparece en algunas imágenes tomadas con nuestra cámara digital, se le denomina ruido digital (prefiero referirme como ruido en lugar de grano), y es la pesadilla de las escenas de iluminación escasa.

Aunque podría ser comparable con el grano de la emulsión fotográfica su forma es distinta y su estética para mí mucho más desagradable y decepcionante, sobretodo con el color.

Podemos diferenciar entre dos tipos: el ruido de luminancia, causante del granulado excesivo que ocasiona variaciones en el brillo manteniendo la tonalidad, y el de crominancia, con saltos arbitrarios de color de los píxeles, que no guardan coherencia con los tonos próximos y colindantes.

Ambos ruidos, al contrario de lo que pudiera suponerse, no aparecen separadamente sino simultáneamente (figuras 1 y 2, correspondientes a tomas realizadas con la cámara Olympus OMD de sensor micro 4/3). Se consiguen reducir, más bien diría enmascarar, con algoritmos matemáticos que pueden ocasionar pérdidas de detalle importantes e irrecuperables, sobretodo para el primero.

En la figura 2 vemos más claramente el efecto del ruido de crominancia para una imagen de 3.200 ISO,  que actualmente no se considera una sensiblidad muy extrema aunque si lo era en la fotografía analógica. En este caso, el equipo no procesa muy correctamente la imagen ya que se evidencian los tres colores en zonas; y nos deja la duda razonable de cual sería el color de la ropa original, al convertir una  tonalidad uniforme en un estampado colorista. También podemos apreciar píxeles aislados negros que se producen en mayor medida cuando las zonas son más oscuras, así como halos de mayor claridad y color contaminado en los contornos de la figura.

Origen del ruido digital. ¿Cómo evitarlo o reducirlo?

En la fotografía digital el ruido se produce por el sensor y la electrónica asociada -no debemos confundirlo con posibles píxeles rotos o quemados-, mientras que en la analógica el responsable del grano era la película, siendo mayor cuando ésta era más sensible.

Con una iluminación escasa se requieren tiempos elevados de exposición o alta sensibilidad. En esta situación los circuitos y componentes electrónicos son más afectados por la temperatura, la estática, las luces parásitas, los píxeles colindantes, el proceso de captación de los fotones..., y si amplifican más la señal también aparecen diferencias por las tolerancias de fabricación de los circuitos encargados de la conversión analógico-digital. Todo ello provoca desviaciones que ocasiona que se interprete el píxel de un brillo o color cuando en realidad debería serlo de otro.

Los que hemos usado o usamos película fotográfica sabemos que con escenas de poca luminosidad se padece  también el efecto del grano, aunque sea más agradable y utilizado por algunos autores como efecto creativo.

El ruido es, por tanto, un problema que depende de la tecnología -actualmente en continua mejora-, está siempre presente y no hay soluciones definitivas para evitarlo. Sólo se puede, en realidad, reducirlo o enmascararlo hasta casi no apreciarlo, y para ello es conveniente:

  1. Invertir en una cámara con un mejor sensor mejor. Como de momento aún no es factible intercambiarlo para adaptarlo a las características de la escena, lo mejor es que sea grande y con una cantidad de píxeles coherente con el tamaño. Con más píxeles y menor tamaño se produce más ruido, la medida se distorsiona en este supuesto más debido al calentamiento por la proximidad de los píxeles
  2. Evitar exposiciones demasiado prolongadas, a partir de unos pocos segundos el sensor se sobrecalienta e introduce más ruido, utilizando si es posible diafragmas mas abiertos
  3. Conviene mantener la cámara en lugares frescos, la temperatura alta en la misma provocará más ruido por el propio calentamiento del sensor. Evidentemente no dejar nunca la cámara expuesta al sol, ya que esto es además muy perjudicial para cualquier parte del equipo
  4. Exponer correctamente con el criterio de derechizar, cuanta más luz esté disponible menos ruido aparecerá
  5. Disparar normalmente con un ajuste bajo de sensibilidad, ello implica el uso de trípode para escenas de poca luz y sólo es válido con sujetos estáticos por lo que no siempre es posible; además hay que considerar que podrían aumentar los tiempos de exposición y requerirse valores poco recomendables
  6. Evita usar los modos programa o automático, con ellos no se controla la cámara es preferible los semiautomáticos o el manual
  7. Evitar en lo posible el uso de formatos de archivo JPG, sobretodo con sensibilidades altas
  8. Si se dispone de un ajuste de reducción de ruido en la cámara se puede usar, aunque yo prefiero hacerlo en el programa de edición o en el de revelado de archivos RAW
  9. No utilizar el zoom digital, si se quiere ampliar mejor hacerlo en el proceso de edición

Queda claro, por tanto, que el ruido es más visible en las zonas de sombras profundas y, normalmente, se produce cuando usamos una sensibilidad elevada (ver comparativo de un archivo JPG en las figuras 3 y 4) o cuando subexponemos la imagen; en ambos casos, coincide que el sensor recibe poca luz.

En la figura 3 podemos comprobar con esta representa más fidedignamente la realidad, de hecho la interpretación y conversión a JPG que realiza la cámara no solo introduce ruido sino que además, y esto es lo más grave, ha cambiado el color de la chaqueta pasando de un rojizo o un verdoso (figura 4), por el mayor número de píxeles verdes de la famosa matriz de Bayer del sensor y el algoritmo de interpolación empleado. Sobre la arena, además, observamos agrupaciones de píxeles dónde la decisión de la cámara también se ha desviado hacia el color verde.

Si se os produce el cambio de color no será por mi falta de insistencia sobre la necesidad de usar archivos Raw, cuyos resultados con la misma imagen los podéis cotejar en la figura 5, en este caso el software revelador (ACR) no varía el tono original de la imagen.

Si el ruido que obtenemos es intolerable, por ejemplo por la necesidad de largas exposiciones, podemos efectuar una toma previa con el mismo tiempo y la tapa del objetivo puesta, lo que requiere el control de la cámara en manual. La imagen obtenida recogerá la distribución del ruido y la podremos usar, en el proceso de edición, para restarla de la original sin pérdida de detalle, esta técnica se denomina 'substracción del cuadro oscuro'. Si tenemos curiosidad se puede comprobar que su histograma tiene forma de distribución gaussiana.

Las cámaras que disponen de la opción de reducción de ruido para largas exposiciones aplican la técnica anterior. Usan una imagen tomada con el obturador cerrado (dark frame), que restan de la imagen real antes de crear el archivo RAW lo que, para una correcta simulación, prolonga la duración de la toma.

Eliminación del ruido

Con la cámara podemos contribuir a eliminar o reducir el ruido, pero es más recomendable usar un programa específico para ello y conservar el archivo capturado sin manipular, en todo caso podemos ayudarnos del dark frame. Además, usar un programa externo tiene la ventaja de que como sus algoritmos están en constante evolución siempre podremos revertir el resultado y aplicar los nuevos.

Existen programas o plugins muy especializados para la reducción de ruido como lo son el Noiseware, Neatimage, Noise Ninja...

Con los programas de edición y revelado Raw, Adobe Photoshop, Paint Shop Pro, Lightroom, ACR..., también hay disponibles procedimientos de reducción de ruido.

En Photoshop (PS), según versión, hay disponibles varios modos de reducir ruido como: Filtro → Ruido → Destramar o Filtro → Ruido → Reducir ruido. En la figura 6 se muestra el resultado obtenido al aplicar el segundo método con los parámetros Intensidad = 0 y Reducir ruido de color = 100% con ello, tras el intento de quitar ruido de crominancia, se pierde además la tonalidad original de las rayas naranjas de la falda (imagen de la izquierda).

Un efecto similar o prácticamente igual se produce también en Adobe Camera Raw (ACR) al reducir el ruido de crominancia con el cursor al 100%. Este programa dispone de opciones para el ruido de crominancia y luminancia por separado, muy fáciles de aplicar ya que basta con mover sus reguladores. En la figura 8 podemos ver el resultado con un 25% de corrección en ambos controles sobre la imagen de la figura 7 (detalle ampliado a un 400%), correspondiente a un sensor full frame, de la CANON 5D Mark II, expuesto con una sensibilidad no muy alta (400 ISO).
Por otro lado, es evidente que el ruido también puede ser amplificado y hacerse más visible en el proceso de edición, por lo que si aplicamos ajustes de contraste zonal o métodos de enfoque estos deben realizarse de forma muy cuidadosa.

No obstante, la situación ha mejorado con relación a la fotografía analógica ya que, en igualdad de condiciones de iluminación, sensibilidad y tamaño de sensor, el ruido digital es menos apreciable que lo es el grano de la emulsión fotográfica.

¿Cómo nos afecta el ruido?

Además de la cuestión quizás más importante, la estética, también afecta a la sensación de definición de la imagen y a la pureza de los colores, siendo peor el resultado cuando mayor es su tamaño.

La forma del grano finalmente obtenido depende de los algoritmos de reducción empleados y del revelado RAW realizado por lo que no siempre se obtienen los mismos resultados.

Si queremos aproximarnos al efecto de un grano analógico tendríamos que añadirlo con un plugin o programa que lo simule, y para ello hay que previamente eliminar o mezclarlo con el que crea la propia cámara en el proceso de la captura. Esto último también puede ser útil, por ejemplo, para transformar el grano digitalizado de la emulsión fotográfica a través de un escáner, y cuyo resultado no nos ha resultado demasiado satisfactorio.

Por último, he de confesar  que hasta hoy no he encontrado ningún programa o algoritmo que me satisfaga completamente, máxime cuando el ruido es muy evidente; y tampoco confío demasiado en los milagros. Normalmente la limpieza de ese ruido es a costa de la definición y el resultado en muchas zonas obtenido es de una imagen sin textura, por lo que casi me resulta más agradable convertirla a B&N manteniendo su ruido.
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© Jorge Lidiano.
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