ISO en cualquier cámara electrónica, al igual que con la película, es el resultado de un índice calibrado de sensibilidad. Pero hay algunas cosas en una cámara moderna que contribuyen a la clasificación ISO que exhibe una cámara.
Casi cualquier tipo de sensor de imagen es una serie de fotodiodos. Un fotodiodo es un dispositivo que conduce electrones en respuesta a ser «excitados» por fotones. Construido alrededor de un fotodiodo, hay un microlente, para ayudar a recolectar el máximo número de fotones, y un filtro de color, si quieres una imagen en color. Los fotodiodos utilizados en las cámaras de hoy en día son sensibles a toda la luz visible e incluso a un poco de luz infrarroja y ultravioleta.
Un fotodiodo perfecto conducirá un electrón por cada impacto de fotón. Se diría que un fotodiodo de este tipo tiene una eficiencia cuántica del 100%. Ningún fotodiodo real tiene eso, pero algunos llegan a alrededor del 95% en cámaras recientes con sensores iluminados por la parte trasera. Sin embargo, la necesidad de filtrar el color generalmente significa que aproximadamente 1/3 de los fotones que podrían excitar un fotodiodo en realidad conducen a que se conduzcan electrones. Un fotodiodo más grande, no es sorprendente, será golpeado por más fotones en el mismo flujo de fotones, y por supuesto, conducirá más electrones.
Mientras el número de fotones que impactan un fotodiodo produzca una conducción lineal de elecciones, el diodo está funcionando en su región activa y las cosas están bien. Es posible que en algún momento, un aumento de fotones no resulte en un aumento lineal de electrones. Eso significa que el fotodiodo está saturado. Esto establece uno de los posibles límites del valor ISO nativo para un sensor.
Ahora, ten en cuenta que el flujo de electrones basado en impactos de fotones es una función continua. Una exposición fotográfica, más bien, es una colección de luz durante un período de tiempo establecido. Si piensa en los fotones y sus electrones coincidentes como lluvia, el siguiente elemento en el sensor se llama pozo de carga. Es tu cubo! Un cubo que recoge electrones se llama condensador en ingeniería electrónica, pero la gente de las cámaras tiende a llamarlo pozo de carga.
En una cámara profesional, hay un obturador mecánico que cubre el sensor en estos días. Antes de abrir ese obturador, la electrónica vacía cada pozo de carga de todos los electrones, y luego activa la matriz de fotodiodos. Eso se hace sesgando cada fotodiodo. Los fotodiodos, como se mencionó, conducen electrones, pero no los crean. El voltaje de polarización es de donde provienen esos electrones, y aplicarlo, o no, permite que cualquier conjunto particular de fotodiodos en la matriz del sensor se vuelva sensible a la luz, o no.
Para que el obturador se abra y entre la luz. Los fotodiodos conducen electrones, los pozos de carga se llenan de electrones. Si esto continúa el tiempo suficiente, uno o más de estos pozos se «desbordarán» no no cabrán más electrones. Eso significa que el pozo de carga en particular ahora es limitado: este es el segundo mecanismo que establece un ISO nativo.
El estándar ISO
Así que, supongamos que hice una cámara con un sensor nuevo, y no tengo idea de lo que es la ISO. Digamos que agarro mi confiable cámara de película Olympus OM-1, algunas cajas de película y mi cámara digital. Si tomo fotos con el mismo objetivo, con la misma luz, puedo comparar la película con la cámara y tal vez tener una idea sobre las ISO comparativas. Por un lado, si mi película ISO 100 está empezando a sobreexponerse al mismo tiempo que veo mi sensor digital sobreexponerse, eso es una buena indicación de que la ISO de mi cámara digital es de aproximadamente 100.
En la práctica, ya que tenemos una cosa llamada ISO, de la Organización Internacional de Estándares, puede imaginarse que hay algún tipo de fórmula o receta para ISO. Para la película negativa en color, cuando dices «ISO», realmente estás hablando de la norma ISO 5800:2001. Para película negativa B& W, en realidad significa ISO 6: 1993, y para película de transparencia de color, significa la norma ISO 2240:2003.
Así que, naturalmente, también hay estándares para sensores digitales. La norma ISO 12232 actual:la especificación de 2006 ofrece a los fabricantes de cámaras digitales cinco formas diferentes de calcular la ISO, en comparación con las tres medias de la versión original de la especificación de 1996. Solo los dos métodos más recientes, la técnica de Índice de Exposición Recomendado (REI) y la Sensibilidad de Salida Estándar (SOS), son legales actualmente para las cámaras fabricadas por empresas japonesas, casi todo el mundo.
Al igual que con la película, hay un grado de juicio involucrado, por lo que es muy posible que la ISO de una cámara pueda ser un poco diferente de la ISO de otra, pero el objetivo es un estándar que sea esencialmente el mismo de una cámara a otra.
ISO variable
Hasta ahora he estado hablando de ISO nativa, que es solo una función del pozo de carga de la cámara y la matriz de fotodiodos. Pero hay mucho más en una cámara digital.
Cuando llega el momento de leer el sensor, la carga en cada pozo de carga se convierte a su vez en un voltaje y se ejecuta en un Convertidor Analógico a Digital (ADC). El circuito ADC está diseñado de tal manera que un pozo de carga lleno resultará en un voltaje a gran escala en el ADC. Pero, ¿qué pasa si estamos en la oscuridad, y cada pozo de carga solo se llena 1/2 o 1/4 del camino? Ahí es donde entra en juego la variable ISO, o ganancia, como se la llamaba originalmente.
Aquí está el diagrama de bloques de un sensor de imagen digital OV10822 real de Omnivision. Este es el tipo que podría haber encontrado en un teléfono inteligente hace unos años, pero la idea es la misma para cualquier sensor. Si observa la matriz de imágenes (fotodiodos) en el diagrama, entre ella y el ADC hay un bloque etiquetado como «AMP» y otro etiquetado como «control de ganancia». Aquí es donde ocurre la variable ISO.
En los días anteriores a las cámaras digitales, todavía teníamos cámaras electrónicas. Sólo que las llamábamos videocámaras. Y cuando marcaste ganancia en una videocámara, marcaste ganancia. Esa ganancia se midió en dB y se aplicó a la ISO nativa de su cámara, que probablemente no conocía. Como resultado, era difícil configurar dos cámaras diferentes para usar la misma luz.
Las especificaciones ISO se utilizan para calibrar una escala ISO para una cámara digital. Si entro una ganancia de 2x en esa caja de pozo de carga completa de 1/2, he aumentado de ISO nativa, por ejemplo ISO 100, a ISO 200. Ahora tengo una señal amplificada que alimenta el ADC, y el valor a gran escala de eso es ahora 1/2 del nivel de pozo de carga completa.
ISO y Ruido
Lo interesante de ver aquí es que, al aumentar la salida de la conversión del pozo de carga, en realidad no he cambiado el sensor de ninguna manera. Si estuviera usando un ADC de 14 bits en ISO nativo, ahora estoy leyendo un bit por debajo de eso, y arrojando el bit superior, que espero, con poca luz, que siempre sea cero. Cuento con que la cámara tenga suficiente sensibilidad para entregar información útil del amplificador.
¿Por qué no? ¡Ruido! Siempre hay ruido en cualquier sistema eléctrico. El truco clave en los sistemas digitales es cambiar todo a un número, lo que nos permite ignorar la naturaleza analógica de las señales que componen esos bits. Pero el sensor de imagen en sí es una cosa analógica pura, hasta el punto en que llegamos al ADC.
El ruido proviene de varias fuentes. Cuando tienes calor, tienes actividad de electrones al azar. Por lo tanto, algo de ruido se debe al calor, y sí, si está filmando al aire libre en un día muy frío, verá menos ruido en sus imágenes con la misma ISO que si filmara en un día caluroso de verano. Formalmente, esto se denomina ruido térmico.
Otra fuente de ruido es la propia cámara. Durante una exposición, el sensor puede ser bastante silencioso, pero en algún momento, se deben activar todo tipo de circuitos adicionales para leer el sensor. Esto creará un ruido que, curiosamente, se denomina ruido de lectura.
Y finalmente, tenemos esta cosa extraña llamada ruido de disparo o ruido de píxeles. Mencioné que los fotones chocan con los fotodiodos y conducen electrones. La luz a través de su lente se llama flujo de fotos, y no es el haz continuo que podría pensar que es, sino una muestra estadística de fotones que sigue la distribución de Poisson.
¿por Qué importa? Bueno, en luz brillante, no lo hace, ya que estás contando miles, incluso millones de electrones. Pero a medida que la luz se atenúa, cada vez menos fotones son capturados por una cámara. Y gradualmente, el número es lo suficientemente pequeño como para que el recuento capturado de las secciones de colores idénticos e iluminadas de una imagen no sea el mismo. Vemos esto como una luminancia y un color diferentes entre cosas que deberían ser iguales: ruido.
ISO entra aquí directamente. Cuando se amplifica una señal, también lo es el ruido en esa señal. Por lo tanto, los números ISO más altos siempre significan más ruido. Sin embargo, un sensor más silencioso, un chip más grande, etc. puede significar una mayor relación señal-ruido en el sensor. Así que con el tiempo, los sensores se han vuelto mucho más silenciosos. Y a medida que un sensor se hace más grande y proporciona fotodiodos más grandes, va a recoger más fotones en la misma luz que el sensor más pequeño. Así que tendrá un número estadísticamente sólido de electrones en el tipo de luz que exhibiría ruido en una cámara más pequeña.
Resolución y trucos estúpidos de software
Así que echemos un vistazo a los detalles de lo que estoy haciendo aquí. En ese diagrama de bloques del sensor del teléfono inteligente, puede ver que el ADC es de 10 bits. Eso significa que el ADC puede leer en un máximo de 0-1023 como un número de la entrada. También sugerí que podríamos tener un sensor de 14 bits, eso es lo que normalmente se encuentra en una cámara digital de fotograma completo hoy en día, niveles de 0-16, 383.
Ahora mira el formato JPEG: es de 8 bits por píxel, valores de 0 a 255 para cada color (JPEG en realidad no codifica en RGB, sino en YUV, pero se descomprime a RGB). Entonces, ¿qué pasa si tenemos una ISO nativa de 100, pero queremos ofrecer JPEG a ISO 50? Eso es totalmente factible con un sensor de 10 bits, aún más fácil con un sensor de 14 bits. Piense en ello como deslizar una ventana de 8 bits a través de un rango mucho más amplio de números.
Esto podría, por supuesto, hacerse en el otro extremo. Si mi cámara solo sube a ISO 25,600, tal vez podría usar un software para aumentar la ISO a 51,200. En el software, simplemente puedo seleccionar bits de orden superior a partir del bit 1 en lugar del bit 0, matemáticamente similar a multiplicar por dos en este caso.
Esto es amplificación de software, y se usa al menos hasta cierto punto en casi todas las cámaras. La mayoría de las cámaras tienen rangos ISO «extendidos», como la ISO50 o 51,200 que sugerí. Ambos no son ideales de alguna manera, en este caso son derivados de software, por lo que el fabricante los etiqueta como «extendidos» para que lo sepa. Sin embargo, si una ISO extendida por software todavía coincide con las especificaciones ISO y los estándares de calidad de imagen del fabricante, una ISO derivada de software no tiene que tener una etiqueta especial.
Notas sobre JPEG del mundo Real
No iba a entrar en las complejidades de esto, pero como señaló Dave Martindale en los comentarios, los codificadores JPEG pueden usar una función de compresión de rango dinámico llamada curva gamma, para ofrecer algo del sabor de un rango dinámico más alto, a expensas de los colores intermedios y, a veces, de las bandas de color en la imagen. Su monitor de computadora o televisor de 8 bits hace lo mismo, solo como inverso, para ofrecer una salida de aspecto lineal. El sensor de la cámara ve la luz en términos lineales, pero su ojo no. Por lo tanto, la curva gamma se puede aplicar a una imagen de 10 o 12 bits para ofrecer una compresión de rango dinámico no lineal como parte de la codificación JPEG.
La mayoría de las cámaras se pueden ajustar exactamente en lo que hacen con el color al crear un JPEG, por lo que es algo que un usuario avanzado puede controlar. La desventaja de la corrección gamma es que hace que un JPEG sea muy «frágil», incluso pequeñas correcciones de color, luminancia, contraste, etc. puede moverse por donde habrían pertenecido en la curva gamma a lugares a los que no pertenecen. Así que tal vez no veas ninguna banda en tu JPEG original, pero haz algunos ajustes y tendrás un desorden sagrado en tus manos. Esta es la razón por la que los profesionales consideran que JPEG no es editable. Sí, puedes hacer ajustes si tienes cuidado, pero de nuevo, es muy frágil.
¡Y si No Tuviéramos ISO En Absoluto!
De hecho, hay algunas cámaras que se afirman que son «sin ISO». Lo que esto debería significar, de todos modos, es que nunca hay amplificación analógica. Cada imagen se captura en ISO base y solo se manipula por software a valores ISO más altos o más bajos. El problema con esto es la resolución.
Por lo tanto, digamos que tengo una cámara con un ISO nativo de 100 y un ADC de 12 bits. Eso me da, por supuesto, un JPEG de 8 bits en ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 e ISO 1600 beyond más allá de eso, comenzaría a reducir la muestra en un bit por cada nueva velocidad ISO.
En una cámara profesional, sin embargo, existe la posibilidad de una imagen raw. Mi ADC de 12 bits me daría 12 bits en ISO 100, 11 bits en ISO 200, 10 bits en ISO 400, etc. uso exclusivo de software. Usando la amplificación de hardware, traigo 12 bits en cualquier configuración ISO…. pero eso es sólo lo que estoy digitalizando. El valor efectivo real se basa en el nivel de ruido del sistema, ¿recuerdas ese ruido que mencioné? Así que hay una buena probabilidad de que todavía tenga una información útil de 12 bits con esa ganancia de 2x en ISO 400. Tal vez también en ISO 800…. pero con el tiempo, toda esa ganancia solo aumentará el nivel de ruido. Y es exactamente por eso que las ISO altas extendidas casi siempre son software. Una vez que ese ADC de 12 bits está trayendo 11 bits de señal y 1 bit de ruido puro, no hay absolutamente ninguna necesidad de agregar más amplificación, puede obtener exactamente el mismo resultado con el software.
Lo Nuevo: ISO nativa dual
Así que, como mencioné, la ISO nativa se basa en varias propiedades del sensor: sensibilidad al fotodiodo, voltaje de polarización del fotodiodo, capacidad del pozo de carga, etc. Y es muy posible diseñar un sensor que tenga circuitos redundantes para estas cosas, cada uno hecho un poco diferente. Coloque dos rutas de lectura y el sensor tendrá una ISO nativa dual.
¿de Qué estoy hablando aquí? Bueno, tomemos mi sensor original, con un ISO nativo de 100. He construido pozos de carga muy grandes para permitir que todos esos fotones se recojan en luz brillante. Pero qué pasa si quiero entregar un segundo ISO mucho más alto para poca luz. Puedo construir un segundo condensador de pozo de carga. No tengo necesidad de lidiar con luces brillantes, por lo que esto puede ser relativamente pequeño. Y tal vez, manteniéndolo muy pequeño, pueda optimizar esa ruta de datos para un ruido súper bajo en lugar de una gran capacidad. El sensor podrá usar una ruta nativa para alimentar el amplificador variable o ADC, según la configuración. Por lo tanto, al aumentar la ISO sobre dos ISO nativas, la calidad de la imagen aumenta a valores ISO más altos.
