Sensores Parte I: El tamaño del sensor es muy importante?, el tema de la resolución, el tamaño del sensor y la calidad de una foto.

La calidad técnica de una foto depende en primerísimo lugar del lente, sin duda el elemento más caro de la cámara; en segundo lugar del sensor, ese componente electrónico que convierte la imagen captada por el lente en información digital sobre luminosidad y color; en tercer lugar del procesador de la cámara (cada marca tiene el suyo), el cual manipula la información del sensor de acuerdo a la programación que cada marca y modelo tienen de fábrica; y por ultimo de la resolución (megapixeles) y del rango dinámico.

En este artículo del blog, vamos a tratar sobre el sensor, así que pónganse cómodos porque hay mucho pan por rebanar.

SENSOR: es un elemento sensible a la luz, se encuentra en el lugar que antes se encontraba la película, es decir en el plano focal. El sensor es el responsable de captar la escena proyectada por el lente y convertirla en una serie de señales digitales (unos y ceros), los cuales serán convertidos en una imagen fotográfica gracias al procesador de la cámara.

El sensor está compuesto por muchos sub elementos (fotositos), que para simplificarnos les llamaremos pixeles, como en un sensor suele haber millones de estos sub elementos, la unidad utilizada es el megapixel. Cada pixel está dispuesto en un patrón de color RGB determinado, como por ejemplo el BAYER (el más conocido y utilizado, pero no el único), así cada pixel tiene información sobre el color y la luminosidad en ese punto.

Un sensor CMOS

Hay dos tipos de sensores, el CCD (Charge - Coupled Device) y el CMOS (Complementary Metal- Oxyde - Semiconductor); cada uno tiene sus ventajas y desventajas, pero no vamos a discutir dichos temas en este post.

Los megapixeles constituyen una unidad de cantidad, no de calidad, así, una cámara con un sensor de 14 megapixeles no necesariamente tiene más calidad que otra con un sensor de 10 megapixeles, aunque los que se encargan del marketing de las cámaras nos quieran convencer de lo contrario.

Es muy común escuchar a vendedores y clientes discutir sobre el tema de los megapixeles en los puntos de ventas de cámaras fotográficas, pero es más común ver cómo se toman decisiones de compra basadas sólo en este parámetro; es más hay quienes discuten que su celular con 5 u 8 megapixeles toma fotos de igual calidad que una cámara con la misma cantidad de megapixeles.

De hecho es deseable una buena resolución para poder obtener mejor detalle en las fotos; la alta resolución se hace importante al momento de imprimir en tamaños grandes y cuando uno quere recortar algunas fotos para agrandar al sujeto. Obviamente la resolución (los megapixeles) es importante, pero no es el único factor que debemos mirar

Otros han escuchado o leído que el tamaño del sensor es determinante para la calidad de las fotos, y sólo toman decisiones basadas en este parámetro, y si existiese una cámara con un sensor de 20 x 20 cm. correrían a comprarla.

Pero, todo tiene un límite práctico, tanto la cantidad de megapixeles como el tamaño del sensor.

El verdadero secreto de la calidad no se encuentra ni en la cantidad de megapixeles ni en el tamaño del sensor; se encuentra en el tamaño de los fotositos, de esos sub elementos que captan los pixeles uno a uno, ellos determinan la calidad de la información de cada pixel individual, y por ende la calidad del conjunto, es decir de la foto.

Hay un factor que depende directamente del tamaño del elemento captador de luz, y es La Relación Señal/Ruido (Signal to Noise Ratio):

Señal: es toda información relevante respecto de lo que se quiere capturar, ya sea una imagen, un sonido o cualquier otro tipo de información.

Ruido: es toda información no deseada que inevitablemente se capta junto con la señal, disminuyendo su calidad al interferir con ella.

Esto de la señal y el ruido tambien tienen algo de relativo, si quiero escuchar la conversación entre dos personas y hay música de fondo con el volúmen algo subido, la conversación es la señal y la música es el ruido, pero si deseo escuchar música y dos personas hablan muy alto y/o muy cerca, la música será la señal y la conversación el ruido... me explico? (el ruido es que interfiere).

Por ejemplo, si uno está en la ciudad y desea escuchar música en su radio, basta con sintonizar su estación favorita y ya está. Pero su receptor de radio produce también algunos ruidos no deseados, producto de sus componentes electrónicos, ruido que es totalmente inevitable ya que es inherente a su condición de equipo transistorizado, con chips etc. Pero uno no escucha ese ruido ya que la señal (música) es muy fuerte y no necesita subir mucho el volumen para escuchar correctamente; en otras palabras la señal es tan alta que en comparación con ella el ruido es muy bajo… tiene una alta relación señal/ruido.

En otra oportunidad, si uno está en algún lugar alejado de la ciudad y desea sintonizar su estación favorita, pero la señal es muy débil como consecuencia de la lejanía, entonces hay que subir el volumen y se da cuenta que su música se encuentra inevitablemente acompañada de un desagradable siseo (ruido); ese ruido siempre está presente, lo que ahora sucede es que la señal están baja que al subir el volumen (amplificarla), el ruido logra igualarla y hasta superarla, es decir ahora tenemos más ruido que señal lo que hace difícil o imposible escuchar la música; el radio ahora tiene una baja relación señal/ruido.

Si no he logrado explicarme correctamente respecto del concepto SEÑAL/RUIDO, por favor escríbeme al mail del blog y tratare de hacerlo de mejor manera.

Del mismo modo que en el ejemplo anterior, cada elemento del sensor produce su propio nivel de ruido, y mientras más alta sea la relación señal/ruido, más calidad tendrá la imagen resultante; el secreto está en mantener ese ruido lo más bajo posible para mejorar dicha relación. Las únicas formas de hacer esto es: utilizando elementos más grandes (propio del diseño del sensor), y manteniendo el  VALOR ISO  lo más bajo posible.

Afortunadamente el nivel de ruido propio de un elemento electrónico crece muy poco al aumentar su tamaño, no así al aumentar la amplificación de su señal, el valor ISO en el caso del sensor.

Para comprender como influye el tamaño de los elementos del sensor en la calidad de imagen, permitanme ilustrar el proceso con algunos ejemplos:

Si ustedes ponen bajo la lluvia algunos depósitos de distinto tamaño, cuál de ellos recibiría o captaría un mayor número de gotas y en consecuencia una mayor cantidad de agua? (asumiendo que todos permanecen el mismo tiempo bajo la lluvia).

Cual depósito recibirá más gotas de lluvia?

Obviamente el recipiente más grande colectará más gotas de lluvia; del mismo modo un fotosito más grande colectará mayor cantidad de fotones (partículas de luz). Es así como el hecho de que un sensor esté compuesto por elementos más grandes beneficia la calidad de una foto.

Pero eso no es el fondo del asunto, habíamos visto el tema de la relación señal/ruido; dado que cada componente del sensor siempre produce un cierto nivel de ruido, veamos cuales son las ventajas de tener fotositos más grandes:

Relación señal/ruido con ISO 100

Como ya dijimos, el tamaño de un fotosito afecta muy poco el nivel de ruido que este produce (todos los dispositivos electrónicos lo producen), pero su tamaño nos ayuda a mejorar la relación señal/ruido. En el fotosito pequeño tenemos 9 fotones y 5 unidades de ruido, nuestra relación señal/ruido será de 1.8; en el fotosito mediano tenemos una unidad más de ruido, pero tenemos más del doble de fotones que en el anterior, así que nuestra relación señal/ruido será de 3.67, como vemos es más alta que en el fotosito pequeño, ya que si bien el ruido es un poco más alto, la cantidad de fotones que este puede captar es bastante mayor; y ahora veamos el fotosito grande, el cual tiene una relación señal/ruido de 7, por lejos mas alta que los otros dos.

Relación señal/ruido con ISO 800

En este gráfico vemos lo que sucede al elevar el valor ISO, las unidades de ruido se incrementan automáticamente, cambiando ahora la relación señal/ruido en los tres fotositos, pero afectando con mucho mayor inpacto al elemento más chico, cuya relación es ahora 0.56 ya que hay más ruido que señal, en el de tamaño intermedio tenemos ahora 1.8 de relación señal ruido, y es que la señal no llega a ser el doble que el ruido, aún así es menos afectado que el elemento pequeño, y por último el más grande tiene ahora 4.1 de relación señal/ruido, mostrando su capacidad para trabajar a valores ISO altos sin tanto impacto en la calidad de su información.

Podríamos decir entonces que la relación señal/ruido es la relación que existe entre la información útil y la inutil. Así como el "ruido" se manifiesta en una radio con un sonido molesto que interfiere con la música, en una foto se manifiesta como una serie de puntos o manchas pequeñas que interfieren con la nitidez de la foto.

NOTA: los valores utilizados son solamente ilustrativos, grafican el principio de la relación señal/ruido con valores ISO distintos, pero no intentan representar la realidad.

A continuación unas fotos tomadas con una cámara de bolsillo (point & shoot), con un sensor pequeño de 14 megapixeles, con muy buena luz y utilizando valores ISO de 80, 400 y 1,600, vamos cómo afecta el ISO a la calidad de una foto:

Así, a primera vista no notamos el ruido (ruido digital), producto de la alta amplificación de la señal con los valores ISO elevados, pero veamos un acercamiento, y nos daremos cuenta de, cómo a medida que el valor ISO aumenta, la relación señal/ruido empeora, haciendose cada vez más fuerte el ruido y reduciendo la nitidez y capacidad de detalle de cada foto

Considerando que es una cámara point & shoot, es una foto

con un nivel de detalle aceptable.

Al subir el ISO a 400 hay ya una notable pérdida de detalle.

Al subir el ISO a 1,600 la pérdida de detalle en esta foto

es inaceptable para cualquiera.

Hagan click en cada foto para agrandar

Bueno, ahora se comprende como los sensores con fotositos más grandes logran mejores imágenes?; se aprecia cómo los fotositos mas grandes asumen con más calidad los valores ISO altos?; nótese que no he dicho los sensores más grandes, sino los que tienen elementos más grandes, que no es lo mismo necesariamente... veamos:

En el siguiente gráfico tenemos tres sensores imaginarios de tres tamaños distintos, los tres tienen la misma resolución (192 pixeles), pero difieren en tamaño; el sensor más pequeño tiene un área que es la dieciseisava parte del sensor más grande y la cuarta parte del sensor mediano.

Si mantenemos constante la resolución, entonces el tamaño de los fotositos será proporcional a las áreas de los sensores; así el sensor más pequeño tendrá unos fotositos que serán la cuarta parte de los fotositos del sensor mediano, y dieciseis vece más pequeños que los del sensor grande.

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Cuál de estos tres sensores tiene los elementos (fotositos) más grandes?... obviamente el de 8 x 6 cm.; entonces a igualdad de resolución el sensor más grande tendrá una mejor calidad de imagen, un mejor rendimiento a valores ISO altos, una mejor relación señal/ruido y un mejor rango dinámico.

En este caso un sensor más grande consigue una mejor calidad de imágen (porque sus fotositos son más grandes).

Ahora veamos que sucede al incrementar la resolución del sensor grande 16 veces, ahora tenemos mucha más resolución (más megapixeles en la vida real), esto es lo que nos empujan a comprar en las tiendas y en los anuncios publicitarios... pero, voy a tener más calidad con más resolución?

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Al incrementar la resolución sin variar el área, no tenemos otra alternativa que utilizar elementos más pequeños, lo cual pone al sensor más grande en la misma situación que el sensor más pequeño, ambos tienen los fotositos del mismo tamaño... se dan cuenta?... claro que hay consideraciones adicionales, normalmente los sensores más grandes se encuentran en las cámaras reflex (DSRL), y estas tienen mejores lentes que las cámaras pequeñas de lentes fijos, con lo cual el sensor parte de una mejor base que las cámaras point & shoot y/o bridge (prosumer); adicionalmente las cámaras DSRL tienen procesadores más potentes, y mejores recursos de filtros digitales y cosas así, es por eso que aún en una situación similar logran sacar más provecho de sus sensores, aún cuando estos no tengan fotositos enormes.

Tipos de Cámaras

Espero haber despejado algunas dudas sobre el tamaño de los sensores, la resolución (los famosos megapixeles), su impacto en la calidad de las fotos y el valor ISO.

En un siguiente post vamos a seguir con el tema de la resolución y algunas cifras de la vida real obtenidas de los datos de algunos fabricantes de cámaras.

Hasta el siguiente post!

UPDATE!!... Sensores Parte II ya está publicado!