Ruido, la frontera que limita la calidad de imágen

El ruido en sistemas de imágenes es imposible de eliminar. La culpa es de la fí­sica. Estamos acostumbrados a pensar en la luz que incide en un fotosensor de una cámara como un fenómeno análogo – algo que es continuamente variable entre el negro oscuro, y algunos máximos que nosotros consideramos como blanco. La teorí­a del muestreo digital, y la experiencia nos dice que la mayorí­a de las cámaras actuales necesitan diez o doce o dieciséis bits de resolución con el fin de capturar toda la variabilidad de la luz que el sensor puede ver sin pasos visibles entre los niveles de brillo. La situación es diferente para los dispositivos de audio, que a menudo utilizan el muestreo de 24 bits para capturar formas de onda de audio, que tienen un rango mucho más amplio de valores (dentro de su propia fí­sica) de los que se encuentran en los datos de imagen de las cámaras actuales, pero al final las mismas técnicas son utilizadas. Tomamos un valor de variación continua  del mundo real, lo muestreamos usando un sensor, y registramos ese valor con el número digital más cercano disponible. Bueno, no del todo. Los niveles de audio son, para todo propósito práctico, muy variables continuamente, estando formados por ondas de presión. La luz, por otro lado, está hecha de fotones, o al menos los fotones son la partí­cula fundamental de la luz que causan una gran cantidad complicadas explicacion de la fí­sica para que tenga sentido. Como tal, una cámara es un contador de fotones, y sólo hay un cierto número de niveles de brillo que son fí­sicamente posible. Si consideramos lo negro ser cero fotones detectados dentro de un cierto perí­odo de tiempo, el valor más bajo posible por encima de eso es un fotón. No hay tal cosa como “medio fotón”, o la mitad de un electrón, una vez que un pedazo de silicio ha convertido el fotón en un electrón mediante el efecto fotovoltaico.

 

Dificultades técnicas, (o, más bien, las dificultades de una mejor tecnologí­a)

Hasta hace poco, todos los sensores de imágenes prácticos eran lo suficientemente imperfectos que estos efectos fueron disimulados en gran medida en la efervescencia de otras fuentes de ruido, y de interés sólo para un laboratorio de fí­sica. Los instrumentos cientí­ficos, tales como tubos fotomultiplicadores, del mismo tipo como los utilizados en telecines de punto flotante, son capaces de detectar fotones individuales, pero cada fotosito en el sensor de una cámara no podí­a hacerlo de forma confiable. Sin embargo, las cámaras modernas están empezando a ofrecer el rendimiento que se acerca a los niveles necesarios para hacer de esto un problema, pudiendo detectar unas pocas decenas de fotones a la vez.

Sony Alpha 7S

Tenga en cuenta estas cifras considerando la existencia de las cámaras como la apoteosica Sony Alfa 7S, con su prodigiosa capacidad de detectar poca luz y un amplio rango dinámico. El aumento del rango dinámico de las cámaras modernas no (o no tanto) proviene de la adición al extremo blanco de la gama. Viene principalmente de la adición al extremo oscuro de la gama, por lo general mediante la mejora de rendimiento de ruido para que el detalle en las sombras que antes era demasiado ruidoso ahora se convierte en información de imagen usable. Las 7S en sí­ ha sido criticadas, si uno pudiera llamarle crí­tica, por tener muy pocos “Stops” de rango dinámico por encima de los medios tonos, y comparativamente demasiados “Stops” por debajo de los medios tonos. Esto basado en una suposición de lo que significa “medios tonos”, que es intrí­nseca a los perfiles propios de la cámara y que puede no ser válida en lo general, pero para los efectos de nuestro análisis, la situación es clara: las cámaras modernas se están mejorando, entre otras cosas, mediante la reducción de ruido.

Ruido por casualidad

Por lo tanto, y dado que el ruido es acumulativo, reduciendo las fuentes convencionales de ruido, como el ruido térmico o interferencia electromagnética o de radiofrecuencia, se está comenzando a descubrir otras fuentes de ruido que son difí­ciles o imposibles de solucionar. Debido a la cuantificación de la luz en fotones, puede haber una variación aleatoria en la imagen causada por la probabilidad estadí­stica de que un fotón golpee un objeto en la escena y despues llegue al sensor durante una exposición particular.

Si fotografiamos una escena muy oscura con una cámara muy sensible, de tal manera que nuestro tiempo de obturación corto a pesar de la falta de luz, los conteos reales de fotones serán bajos. Considere una superficie que es 50% de gris, de manera que un fotón sorprendente que la superficie tiene una probabilidad del 50% de ser absorbida o reflejada. Si capturamos la imagen de esa misma  superficie utilizando un millón de fotones, muy cerca de 500.000 fotones (varí­a ligeramente en función de la casualidad)  rebotan y estan disponibles formar la imagen, por lo que el gris se grabará con bastante precisión. Sin embargo, si la imagen de esa misma superficie utilizamos un solo fotón, la superficie tiene una probabilidad del 50% de registrarse como enteramente negro, dependiendo de si ese fotón en particular, rebotó o no. Y si ese fotón particular que rebotó fue registrado por el sensor, es una cuestión de azar.

En un escenario más realista, considere una imagen de 16 bits de luz lineal, asi puede grabar más de 65.000 niveles de brillo. Si la cámara está configurada de tal manera que el blanco pico requiere menos de 65.000 fotones llegando al sensor, ya estamos grabando la imagen con una mayor resolución de luminancia de la fí­sica subyacente, y vamos a ver al menos un valor de código de ruido. O, si una retratamos la escena con una cámara de 8 bits usando sólo 256 fotones para iluminar una superficie 50% reflejante, en promedio, se reflejarán 128 fotones. Podemos grabar un valor de código 128 en nuestro archivo digital (lineal), pero sucesivas exposiciones podrí­amos obtener 127 fotones reflejados, o 129, o otros valores, al azar, dependiendo de cuántos fotones en realidad rebotan de la superficie durante esa exposición en particular.

¿ruido de disparo?scanning-elecron-microscope-illustration

El resultado se denomina ruido de disparo, basado en las posibilidades variables de que un fotón golpee un objeto en la escena y que este se proyecte sobre el sensor en esa exposición en particular.

Este un problema familiar para las personas que utilizan microscopios electrónicos, pues utilizan electrones en lugar de luz, pero sufren el mismo problema. Detectores tan sensibles en estos microscopios son capaces de detectar electrones individuales rebotando en la escena, por lo que es posible una visión de imágenes en movimiento actualizándose rápidamente de aquello que se observa. Pero cuando el haz de electrones se mueve con suficiente rapidez para formar una imagen de ví­deo de la materia microscópica, muy pocos electrones son en reflejados y la imagen es ruidosa debido al variable número de electrones reflejados desde un punto dado sobre el objeto observado en un perí­odo de tiempo dado. Las imágenes de alta resolución, de electrones de bajo ruido del microscopio que vemos publicadas son escaneadas muy lentamente – es decir, utilizan una pseudo-exposición, de varias decenas de segundos por encuadre – para lograr una alta resolución de brillo y un bajo nivel de ruido en la imagen de salida. Exposiciones más largas reducen el ruido en la fotografí­a, al igual que los mayores niveles de luz. Sin embargo, si seguimos desarrollando cámaras con sensores de extremadamente bajo nivel de ruido que sean capaces de contar un pequeño número de fotones, y si continuamos grabar esos números en archivos digitales de alta resolución, vamos a llegar rápidamente a un punto en un cierto nivel mí­nimo donde el ruido no se puede evitar.

Este puede ser ruido no objetable, pero puede hacer que los bits menos significativos del archivo digital sean menos útiles. En algunos casos, es probable que ya lo sean. No importa lo duro que trabajamos, y no importa lo bien que eliminemos otras fuentes de ruido, en una configuración óptica dada, el ruido de disparo no puede ser eliminado, como una cuestión de fí­sica fundamental.

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