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Reducir focal para reducir ruido (magia?)

El rincón de los hilos tecnofrikis

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Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor Guillermo Luijk » 24 Jul 2015, 18:47

AVISO: PLANTEAMIENTO UN POCO RAYANTE, NO LEER EN ESTADO ESPESO

Para tener la misma PDC, a igual focal equivalente y distancia al sujeto, hay que cerrar más diafragma cuanto mayor es el sensor. Por ejemplo con un sensor FF hay que cerrar 2 pasos el diafragma respecto a un sensor M4/3. Si aumentar el tiempo de exposición no es una opción para compensar la pérdida de exposición, en el sensor mayor deberemos subir el ISO 2 pasos para obtener la misma exposición en el RAW.

Con esta necesidad/posibilidad de subir el ISO en el sensor mayor para igualar la PDC, se llega a dar una situación numéricamente paradójica, pero que tiene su explicación y cierta aplicación real. Por ejemplo:

  • CASO A: Sensor FF, 24mm, f/4, enfoque a 2m -> PDC=1,98m
  • CASO B: Sensor FF, 12mm, f/2, enfoque a 2m -> PDC=10,6m
  • CASO C (recorte 2x del CASO B): sensor FF pero recortando 2x, 12mm, f/2, enfoque a 2m -> PDC=2m con focal equivalente 24mm y 1/4 de resolución en Mpx

Imagen


En una situación donde se de una exigencia de mínima PDC (es decir, no podemos admitir una PDC menor ni por tanto disparar más abierto), y de mínima velocidad (es decir, no podemos disparar más lento de una velocidad dada, por ejemplo debido a la trepidación), en el CASO C necesitaremos subir el ISO 2 pasos respecto al CASO A. La imagen obtenida será la misma en encuadre, perspectiva, PDC (porque al recortar la imagen habremos obtenido la PDC equivalente a la de un sensor con recorte 2x a f/2, que es de 2m) y niveles RAW.

Imagen



Pero qué pasa con el ruido en las sombras, es decir, con el rango dinámico? cuál de las situaciones A y C es mejor en este aspecto?:
  • Si el sensor es tipo Sony, que son sensores "sin ISO", por cada paso de ISO que subimos se pierde un paso completo de rango dinámico, por lo que para igualar fotos habremos perdido 2 pasos respecto a no haber cerrado los 2 pasos de diafragma.
  • Por otro lado en el caso A tenemos 4 veces más resolución, es decir, el cuádruple de píxeles. Esto estadísticamente es una ventaja que se cuantifica en una reducción de ruido a la mitad cuando se igualan las resoluciones de salida (p.ej. una imagen de 40Mpx reduce el ruido por píxel a la mitad cuando se reescala a 10Mpx, es una reducción demostrable estadísticamente). Y reducir el ruido en las sombras a la mitad equivale a ganar 1 paso de rango dinámico.

Así que sumando ambos factores, en la imagen FF sin recorte:
  • Por subir 2 pasos de ISO perdemos 2 pasos de rango dinámico
  • Por tener 4 veces más Mpx ganamos 1 paso de rango dinámico

El resultado es que reescaladas a un mismo tamaño de copia final la imagen resultante procedente del recorte de la foto hecha a 12mm y f/2, tiene un paso más de rango dinámico, es decir, tiene unas sombras con la mitad de ruido que la imagen obtenida con el 24mm a f/4. Por supuesto el tema de la resolución sigue ahí, el recorte tiene la cuarta parte de resolución, pero si el ruido llega a ser lo bastante acusado como para resultar un problema esta resolución se echará a perder inmersa en ruido.

Puede sonar extraño que por bajar de focal y recortar (o lo que es equivalente a recortar, usar un sensor menor), con diafragma más abierto e ISO más bajo, se pueda llegar a tener una imagen con menos ruido si hay un requisito de PDC y velocidad por medio, pero ahí están los números.

La aplicación real es que quien tenga un sensor tipo Sony con muchos Mpx, y que por tanto admita un recorte importante, en aplicaciones donde un requisito de PDC obligue a subir el ISO hasta el punto de que el ruido en las sombras sea un problema, puede usar una focal menor + recorte como reductor de ruido.

Otra aplicación real explica que cuando para igualar la PDC hay que subir el ISO, los sensores grandes pierden su potencial ventaja de partida por mayor capacidad recolectora de luz.

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Re: Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor Miguel Ortiz » 24 Jul 2015, 20:42

Ciertamente, lectura para momento no espeso. Pero obviando esto, Guillermo, eres un puto crack, léase admiración.
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Re: Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor pardal » 24 Jul 2015, 21:38

Muy interesante!
Segun entiendo en los dos casos de la comparacion A y C, consideras que la densidad de pixeles es la misma, de hecho podria ser el mismo sensor recortando la parte central. Lo cual entiendo que es correcto, porque si el sensor pequeño tubiera mas densidad, tambien prodria tenerla el grande para ser justos.

Pero esto me lleva a otra cuestion que siempre me he preguntado. Ya sabia que al reducir una imagen en el ordenador reduces ruido; entonces, a igual tamaño de sensor y tecnologia (e.g. sensor sony) ¿que es mejor para la reduccion de ruido, mas densidad de pixeles o menos?

Esto considerando que mas densidad de pixeles va en detrimento del nivel de ruido, por temas electronicos, y por otro lado lo que comentas de que si tienes 4 veces mas pixeles al reducir la imagen consigues reducir el ruido. De cuatro pixeles haces uno y tienes mas informacion para cargarte algo de ruido, la mitad de hecho. Por un lado pierdes y por el otro ganas. En un caso de forma cuadratica segun comentas, en el otro no lo se.

Por ejemplo, sony saca una camara con un sensor de menos densidad, 12MP, para tener mejor rango dinamico y nivel de ruido. Pero respecto a la de 24MP y reduciendo la foto a 12MP (al mismo tamaño de impresion) ¿ganas o pierdes? respecto al ruido.

Aparte de que en fotos menos exigentes bien iluminadas has perdido detalle. Aunque supongo que si lo hacen por algo sera, habra mas factores en juego.
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Re: Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor Guillermo Luijk » 24 Jul 2015, 22:04

pardal escribió:Muy interesante!
Segun entiendo en los dos casos de la comparacion A y C, consideras que la densidad de pixeles es la misma, de hecho podria ser el mismo sensor recortando la parte central.


No es que podría, es que en todo momento hablo de un único sensor FF recortado!.

En un caso real de dos sensores distintos, el pequeño tendrá fotositos más pequeños para lograr una buena cantidad de Mpx, y esto penaliza que se cumpla tanto la mejora. De hecho podría no haberla. Pero tampoco habrá tanta diferencia de resolución. Sería un punto íntermedio.

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Re: Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor pardal » 24 Jul 2015, 22:41

Guillermo Luijk escribió:No es que podría, es que en todo momento hablo de un único sensor FF recortado!.

Ya, extrapolaba al caso de sensor mas pequeño contra uno mas grande, como mencionas al final.

Guillermo Luijk escribió:En un caso real de dos sensores distintos, el pequeño tendrá fotositos más pequeños para lograr una buena cantidad de Mpx, y esto penaliza que se cumpla tanto la mejora. De hecho podría no haberla.

Eso es lo que no tengo tan claro, a lo que me referia, aunque supongo que debe ser asi. Por un lado penaliza, pero por otro la diferencia de Mpx con el grande ya no es de 4 veces mas, con lo que el sensor grande tampoco gana un paso entero de reduccion de ruido.

O lo que es lo mismo, si un sensor es m4/3 de 16Mpx, para tener unos numeros como los de tu ejemplo el sensor grande (FF) deberia ser de 64Mpx (igual densidad de fotositos). Si no, en ese caso aun favorece mas al sensor m4/3.
Pero imagino que el apiñar los fotositos perjudica mas que no la ventaja de tener mas resolucion, respecto al ruido.

Y tambien esta el caso contrario, querer el minimo de PDC, donde se giran las tornas ;)
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Re: Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor Guillermo Luijk » 24 Jul 2015, 22:46

pardal escribió:imagino que el apiñar los fotositos perjudica mas que no la ventaja de tener mas resolucion, respecto al ruido.


Dependerá de la tecnología, pero yo creo que sí, que los fotositos pequeños una vez reescalados a la resolución de un sensor de menor densidad siempre trasladarán igual o más ruido a la imagen final. Sino vaya chollo, menos ruido y más resolución!.

Que las cámaras de muchos Mpx alcancen un gran rango dinámico es un logro, no algo totalmente esperable.

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Re: Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor pardal » 25 Jul 2015, 12:32

Guillermo Luijk escribió:
pardal escribió:imagino que el apiñar los fotositos perjudica mas que no la ventaja de tener mas resolucion, respecto al ruido.

Que las cámaras de muchos Mpx alcancen un gran rango dinámico es un logro, no algo totalmente esperable.


Efectivamente, es gracias a lo que avanza la tecnologia de los sensores. Tienen mas Mpx pero a la vez consiguen mejorar el rango dinamico y nivel de ruido con mejoras en la electronica.
Hoy tienen mas sensibilidad a la luz con mucho menos ruido que hace unos años, cualquier modelo reciente. Lo nuestro en los foros es rompernos los cuernos con comparativas y analisis en vez de hacer fotos :lol:

Con el rendimiento de sensores relativamente pequeños, como los de 1'' de sony o canon, uno se plantea si como aficionado ('avanzado' o no), vale la pena romperse tanto los cuernos. Dan un resultado excelente que ya hubieramos querido en cualquier camara 'pro' de hace unos años. Y con opticas f/1.8 de tamaño ridiculo, como la rx100. He visto fotos con detalle de esta y de la G7X y es que pa-ke quieres mas?
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Re: Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor Apurrutu » 25 Jul 2015, 12:47

No opino porque no tengo la capacidad ni conocimientos para ello, pero por favor no dejéis de plantear estas cuestiones y otros debates que, a buen seguro, interesan a la mayoría pero que únicamente nos conformaremos con participar en la (compleja ) lectura.

Me parece muy interesante.

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Re: Reducir focal para reducir ruido (magia?)

Notapor Guillermo Luijk » 05 Dic 2016, 08:27

Ejemplo: cámara Sony A7 II, en el lado izquierdo se muestra el ruido visible de una captura a ISO 3200, arriba en zonas correctamente expuestas, abajo en zonas 3 pasos subexpuestas. Las dos imágenes de la derecha son el resultado de usar una focal mitad pero con 2 pasos más de exposición (fotones) a ISO800, y recortar la cuarta parte de la imagen.

Imagen


La mejora en ruido es mayor en la sombras (rango dinámico), pero puede verse que también ocurre en zonas de exposición correcta.

NOTAS:
  • El ruido se ha exagerado con una curva en todos los casos para poder resaltar las diferencias; al aplicarse a todos la misma curva la comparación es correcta.
  • La imagen ISO3200 se ha reescalado al 50% para obtener en ella la mejora en ruido que en justicia le corresponde por tener el cuádruple de Mpx.
  • Este efecto es especialmente notorio en sensores "sin ISO". En los sensores Canon se notará en su máxima expresión a partir de ISO1600, donde los sensores ya son "sin ISO". Podéis probarlo.

Salu2!

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