[PÍLDORA 6] Tamaño de sensor y ruido

[Guillermo Luijk]

La equivalencia en cuanto a PDC entre diferentes tamaños de sensor la tenemos todos más o menos clara: a igual encuadre y distancia al sujeto, para tener la misma PDC en M4/3 hay que abrir 2 pasos respecto a FF, y 2/3 de paso respecto a APS. Cuando alguien desarrolle ese aspecto lo tendremos estudiado en: [PÍLDORA 2] Tamaño de sensor y PDC

En cambio entorno al mayor rendimiento en cuanto al ruido de los sensores FF, hay una leyenda exagerada. Para tener en mente una cifra clara de partida sobre cuánta mejora puede haber por pasar de APS a FF, me parece interesante el ejercicio de comparar numéricamente una cámara APS y una FF con fotodiodos iguales (por tanto la FF tendrá más Mpx). El ejercicio será exactamente lo que aplique cuando en un sensor FF se recorte el encuadre correspondiente a APS.

Por suerte en el mercado tenemos este caso con la Canon 5DS y la Canon 7D Mark II. Son cámaras contemporáneas con fotodiodos 100% equivalentes en rendimiento en cuanto al ruido. Veamos lo que dicen las matemáticas y luego lo que dicen las mediciones (DxOMark):


LAS MATEMÁTICAS

Canon 5DS: resolución 8736 x 5856 = 51158016
Canon 7D II: resolución 5496 x 3670 = 20170320

A nivel fotodiodo son iguales. Veamos cuanto debería mejorar el ruido de la 5DS cuando se reescalan al mismo tamaño:

• Ratio entre resoluciones: 51158016 / 20170320 = 2,5363016551
• Mejora lineal del ruido: 2,5363016551^0,5=1,5925770484 (justificación estadística de la fórmula aquí)
• Mejora de ruido en pasos: log2(1,5925770484) = 0,6713631713 EV -> 2/3 de paso
• Mejora de ruido en dB: 20*log10(1,5925770484) = 4,0420090511 dB -> 4dB

Esto significa que a igual ISO y exposición (apertura/velocidad), y para un mismo tamaño de copia final, la 5DS por ser FF con los mismos fotositos mejora a la 7D II en 2/3 de paso o 4dB.


MEDICIONES DE DXOMARK

Ruido en zonas bien expuestas (se pueden ver los 4dB que separan las gráficas):


Rango dinámico (se pueden ver los 2/3 de paso que separan las gráficas):


Cuadran perfectamente, estando 2/3 de paso o 4dB muy lejos de ser la gran diferencia a menudo imperante en la memoria colectiva.

Conclusión:
Qué se gana en cuanto al ruido por pasar de APS a FF? 2/3 de paso.
Qué se gana en cuanto al ruido por pasar de M4/3 a FF? 1 paso.

Lo habitual sin embargo en la práctica es que los fabricantes incrementen la resolución de sus sensores APS reduciendo el tamaño de los fotositos. Esto juega, sobre todo a ISOs altos, a aumentar un poco esta diferencia matemática de 2/3 de paso (1 paso completo entre M4/3 y FF), pero en ningún caso será de forma astronómica como a veces se piensa. Testimonios del estilo "esa foto con un sensor APS no la podría haber sacado" son irreales, muchas veces resultado de un usuario que ha dado el "salto a FF" y lo compara con su APS de hace 4 años. A igual tecnología de sensor, usar un APS en lugar de uno FF no nos va a impedir hacer una foto.

Por este último hecho se entienden cosas como que:

• Una Canon 6D (20Mpx) rinda a ISOs altos ligeramente mejor que una Canon 5DS (50Mpx), siendo un sensor más antiguo.
• Los fabricantes de sensores "menores" (M4/3, compactas,...) se lo piensen mucho antes de aumentar los Mpx, sopena de lastrar el rendimiento.
• El rendimiento general a cualquier ISO del sensor de la Sony A7R II, con sus 42Mpx, es toda una proeza.

Comparando la Canon 80D con la Canon 5D IV, tenemos un ejemplo real de que aumentar el tamaño de los fotositos respecto al sensor APS puede dar una mejora en FF superior a los 2/3 de paso vistos, sobre todo a ISOs altos:

En esta gráfica aparece como 5D IV la proyección a FF de la 80D (mejora de 2/3 de paso):

http://www.guillermoluijk.com/misc/canon5d4.png

Pero la mejora real fue superior al haberse plantado Canon en 30Mpx, es decir al usar en la 5D IV fotositos más grandes que en la 80D:

https://www.dxomark.com/var/ezwebin_sit ... mp2_dr.jpg


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Con la tecnología actual, salvo en aplicaciones extremas donde todo dB de relación S/N sea crítico, la ventaja real y práctica de un sensor FF la encuentro en la mayor facilidad de desenfoque, y el acceso a un mayor espectro de ópticas en cantidad y calidad, pero no en el rendimiento del sensor en sí.

[Guillermo Luijk]

Otra cifra que puede ser interesante conocer al comparar formatos, en lugar de qué diferencia de calidad tendremos para unas mismas condiciones de disparo (ISO y exposición), es conocer con el sensor FF cuanto podemos reducir la exposición (apertura/velocidad) y compensar con una subida del ISO para obtener la misma calidad final.

A diferencia de la cifra anterior de 2/3 de paso que solo depende de la estadística, para el ISO no puede existir una única cifra ya que entra en juego el comportamiento del sensor con el ISO:

• Rango de ISO: el comportamiento de la relación S/N con el ISO depende fuertemente del rango de ISO de que estemos hablando: no es igual el perjuicio de reducir la exposición y subir el ISO cuando se trabaja a ISOs bajos, que el que tiene lugar al hacer la misma operación a ISOs altos.
• Zona de niveles RAW: debido a la forma en que varía la relación S/N con el nivel de exposición (con dos pendientes muy diferenciadas en sombras y luces), el perjuicio de subir el ISO y reducir la exposición va a ser diferente en zonas cercanas a saturar que en las sombras.
• Tecnología del sensor: la tecnología influye mucho en el comportamiento de la relación S/N en sombras al variar el ISO: así encontramos sensores "tipo Canon" (los antiguos Canon) que apenas pierden un paso de rango dinámico por subir el ISO a ISOs bajos, mientras sensores "tipo Sony" (no todos los Sony tampoco) que en todo el rango pierden aprox. un paso de rango dinámico con cada paso de ISO (ISO invarianza).

Por lo tanto hay que cuantificar esa mejora modelo por modelo. Sin salir del ejemplo de las Canon que son quizá los dos sensores APS y FF de tecnologías más gemelas y por tanto comparables que podemos encontrar:

La mejora en zonas bien expuestas va de 1,5EV a 1EV:


La mejora en zonas de sombras va de 2,15EV a 1/3EV (en un sensor "tipo Sony" esa gran diferencia a ISOs bajos no se dará como veremos a continuación):


Como puede verse la ventaja en ISO varía mucho según el caso. Por eso me parece más transparente y también más cercano a un uso real, cuantificar la ventaja del sensor FF evaluando cuánto mejora la calidad de imagen a igual nivel de exposición e ISO (2/3 de paso), que en términos de cuánto puedo subir el ISO para tener la misma calidad de imagen, lo que es mucho más variable (multitud de valores según rango de ISO, niveles RAW y tipo de sensor).

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Repitiendo el ejercicio para la pareja de sensores APS y FF "tipo Sony" lo más parejos posible en tecnología (en zonas de altos ISO ignoro las mediciones de DxOMark y tomo la tendencia que seguramente es más correcta):

La mejora en zonas bien expuestas va de 1,2EV a 1EV:


La mejora en zonas de sombras va de 0,85EV a 0,7EV (vemos que a ISOs bajos se reduce mucho vs "tipo Canon" como era de esperar):


Apuntar que entre estas dos cámaras también se comprueba que a igual ISO, el sensor FF mejora la relación S/N en 4dB y el rango dinámico en 2/3 de paso.

[Guillermo Luijk]

Por completar todo lo anterior, la variable que mayor mejora en cuanto al ruido trae aparejada es la tecnología por encima del tamaño. Un sensor de nueva generación puede rendir mejor que uno más antiguo de mayor tamaño. Del mismo modo sensores de ciertos fabricantes (Sony) rinden mucho mejor en cuanto al ruido que sensores de otros (Canon), a igual tamaño de sensor:




Pasar de sensor "tipo Canon" a sensor "tipo Sony" a igual formato influye más en la calidad de imagen que pasar de APS a FF a igual tecnología de sensor. En otro foro lleno de fanboys he leído:

• La mejora de pasar de APS a FF es abismal
  
• La mejora en rango dinámico de Sony sobre Canon (los antiguos, la 80D por fin ha empezado a recuperar el terreno perdido) no se nota

Juzgad vosotros mismos la componente fanboyesca y psicológica de todo este asunto:


Otra forma de ver que el tamaño no pesa tanto como indica la relación de superficies de sensores es la siguiente: el sensor de un iPhone 6S tiene 47 veces menos superficie que un sensor FF. O como dirían algunos log2(47)=5,5 pasos de rendimiento. El que tenga un móvil con una buena cámara, creeís que una imagen de un iPhone 6S perfectamente expuesta a ISO100 (es decir cuando hay luz de sobra y el móvil captura a su mejor ISO), tiene el mismo ruido que la de un sensor FF a ISO4700 por grande que sea? desde luego mi A7 II, aunque se defiende muy dignamente a ISOs altos, no da una imagen tan limpia.

Por suerte o por desgracia, en el tema del ruido la estadística juega a favor de los sensores "pequeños" para que no sean tan malos como pudiera imaginarse.

[templario]

Mejor expuesto no puede estar! Yo me quedo con que es más importante la mejora tecnológica que el salto a mayor sensor con la misma tecnología que el más pequeño.

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[rush81]

Guillermo es mi pastor, nada me falta.

[Albider]

La carrera en la resolución es principalmente una estategia de marketing. La mayoría de los usuarios de cámaras no profesionales de alta resolución no realizan impresiones de grande formato. Pero la resolución es una medida que es fácil de entender para los consumidores, por lo tanto es la primera que se muestra.
Cuando mejora la tecnología de los sensores, automaticamente se aumenta la resolución. Opino que tener demasiado rendimiento en altos ISO sería contraproducente para las compañías, ya que muchos consumidores se conformarían con los kiteros y no se gastarían cientos de Euros en lentes luminosos. Además el aumento de resolución produce efectos más dramáticos en la visualización de las fotos al 100% de magnificación, con lo cual los usuarios desean que sus fotos de 36 Mpx se vean nítidas en cada esquina y se gastan un pastón en lentes.

[Nerea]

Guillermo es mi pastor, nada me falta.

+1

[Guillermo Luijk]

Gracias gente. Acabo depurar el artículo que viene de varios posts en otro foro.

Por cierto tenemos píldoras vacías, y algunos tenéis conocimientos sobrados para rellenarlas con un post de calidad. Os animo a que lo hagáis.

Salu2!

[fpujan]

Yo aqui hay algo que no entiendo, no me cuadra que una cámara FF tipo Nikon D810 solo tenga un paso iso de mejora respecto a la mejor de las micro 4/3 por poner un ejemplo. ¿O hay algo que me he perdido?

Además sabiendo que el iso de las Olympus esta inflado en un paso, quiero decir que cuando crees que estas disparando a iso 400 en realidad lo estas haciendo a 200 y poco. De ahí que el iso base no empiece en 100.

Lo dicho, yo no es que entienda mucho del tema, pero cuando veo fotos y comparo no me da la sensación de que haya solo un paso iso de diferencia, yo veo más bien unos tres pasos a favor de FF.

[Guillermo Luijk]

Lo dicho, yo no es que entienda mucho del tema, pero cuando veo fotos y comparo no me da la sensación de que haya solo un paso iso de diferencia, yo veo más bien unos tres pasos a favor de FF.

Puedes salir de dudas haciendo tú mismo la prueba: tengas la cámara que tengas, coge cualquier zoom y elige dos focales que sean una el doble de la otra, p.ej. 15mm y 30mm si tienes un zoom 12-40. Haz dos fotos de la misma escena (trípode), una con cada focal a igual ISO, apertura y velocidad. De la de la focal menor (la de 15mm en el ejemplo) recorta el rectángulo central de la mitad de alto y ancho de la imagen (estarás usando la 1/4 parte de superficie del sensor).

Reescala las dos imágenes a un mismo número de Mpx final y juzga si la diferencia que ves en ruido es de más de un paso. Ya te adelanto que no. En la captura 30mm, al usar 4 veces más fotositos tendrás la mitad de ruido que en la otra por promediado estadístico del ruido. Reducir el ruido a la mitad es un paso de ganancia en relación S/N.

Salu2!

http://www.guillermoluijk.com

[Fid]

Parte del problema es decir que "el tamaño no pesa tanto como indica la relación de superficies de los sensores", un sensor el doble de grande que otro (siendo de la misma tecnología) capta, exactamente, el doble de fotones que el otro y eso es, exactamente, un paso de diferencia.

Zascandileando por ahí

[Guillermo Luijk]

En cantidad de luz sí, pero en calidad de imagen que es lo que interesa al fotógrafo no.

Un sensor de superficie A expuesto durante 2s da más calidad que uno de superficie 2*A expuesto durante 1s aunque los dos capturen el mismo número de fotones. Y la ventaja en ruido del primero se puede medir en pasos de mejora de relación S/N.

Salu2!

[Fid]

Si Guillermo, eso vale en lo relativo al tiempo, de lo que no habíamos hablado, y tiene relación con la eficacia del sensor y con como no responden igual con poca luz que con mucha (por la no linealidad de la relación señal ruido) pero, de lo que hablábamos, relación de superficies, es exactamente así.

Zascandileando por ahí

[Guillermo Luijk]

Lo que he dicho no tiene nada que ver con la eficacia de los sensores. A igual tecnología, pesa más el tiempo de exposición que la superficie. O lo que es lo mismo, un sensor del doble de superficie no rinde un paso más de exposición que uno de la mitad de superficie.

Por eso la ventaja de un sensor FF contra un M4/3 (4 veces menos superficie) a igual tiempo de exposición, apertura e ISO es de un paso de relación S/N, aunque capture dos pasos más de luz. Lo que al fotógrafo le importa es la relación S/N que va a obtener porque es la que cuantifica la calidad de imagen. De ahí que la cifra con la que hay que quedarse es un paso de ganancia, no dos. De eso va todo este hilo.

Salu2!

http://www.guillermoluijk.com

[Arenaza]

Muy interesante todo el razonamiento.

[josemalonso]

Y muchas gracias por todo el esfuerzo que nos permite aprender.

[supercolor]

Bravo, maestro Jedi. Me ha parecido estar leyendo una novela en chino mandarín, demasiado para mi cabeza! .

Enhorabuena por estas píldoras magistrales.

[zurito84]

Genial aporte, así sí se entienden estas cosas técnicas con las que nos perdemos algunos. Muchas gracias crack

[Guillermo Luijk]

Añado una comparativa real de ruido entre una cámara FF (Sony A7 II) y una cámara M4/3 (Olympus E-P5). Sobre la siguiente escena:



Cuando a ambas cámaras les aplicamos la misma exposición e ISO podemos ver la ventaja para el sensor FF de aprox. un paso (mitad de ruido):






Si en la cámara FF cerramos dos pasos diafragma para igualar PDC y subimos en dos pasos el ISO (esto ocurrirá en una situación real cuando haya un requisito de PDC mínima, y por falta de luz sea preciso subir el ISO con la apertura que nos la suministra):



La ventaja de la cámara FF no solo desaparece, sino que se torna en desventaja de aprox. un paso en relación S/N.
Aquí las imágenes en secuencia: FF con menos PDC -> M4/3 -> FF con igual PDC:



Salu2!

[soyeltroll]

Esa secuencia es demoledora

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[supercolor]

La unica sin espejo FF que me gusta es la A7S precisamente por la coherencia de megapixels redundante en el mayor tamaño de los fotorreceptores. Venderian muchísimas si rebajan unos cientos el precio . La E-p5 la verdad tiene un algo especial, esta infravalorada simplemente porque le falta un visor integrado.. pasan los años y evolucionan las micro 4/3 pero sigo diciendo que es de lo mejor que he tenido en ese formato y sistema.

[Guillermo Luijk]

Sigo completando información, aunque con lo que se ha dicho en el hilo ya estaba explicado. Ante el encabezonamiento de un forero de otro foro:

Lo que se asume es que un sensor FF a igual exposición y tecnología que uno M4/3 lo supera en dos pasos de ISO, que en fotografía no es poca cosa.

Aclaro: no es ésa la experiencia que tengo yo comentando con aficionados. De lo que he visto y leído, lo que se asume en la mayoría de casos, por simplificar y por desconocimiento, ya que la realidad no es trivial, es que la diferencia entre FF y M4/3 es de 2 pasos en todo: luz capturada, PDC, relación S/N, ISO,... y lo que venga.

Por tratar de clarificar resumo: entre un sensor M4/3 y uno FF la diferencia es:

• Superficie: el sensor FF tiene el cuádruple de superficie que el M4/3
• Luz capturada: por lo anterior, a igual exposición (apertura/velocidad) el sensor FF captura el cuádruple de luz (fotones) que el M4/3, lo que podría interpretarse como 2 pasos más de luz
• PDC: hay 2 pasos de diferencia, es decir para obtener la misma PDC el diafragma del sensor FF debe estar 2 pasos más cerrado o el del sensor M4/3 debe estar 2 pasos más abierto

Si además se da igualdad tecnológica (que los sensores a comparar sean contemporáneos, y del mismo tipo de comportamiento) entre los dos sensores:

• Relación S/N (cuánto ruido extra veremos en el sensor M4/3 a igual exposición que el FF): a igual exposición (apertura/velocidad) el sensor FF tiene 1 paso de ventaja en relación S/N, es decir, presenta la mitad de ruido en todo el rango de luminosidades que el sensor M4/3
• ISO (cuánto puede subirse el ISO en la FF, reduciendo la exposición equivalentemente, para tener la misma calidad de imagen que en la M4/3): esto ya lo hemos hablado como para dejar de perpetuar la cifra de 2 pasos, porque es errónea. Es complicado de establecer una regla fija en ISO porque entra en juego el comportamiento de cada sensor al cambiar este parámetro. La mejora promedio la calificaría en vista de ejemplos reales entre 1-1,5 pasos del FF, pero insisto, habría que ir caso por caso. En el ejemplo que puse puede verse como la E-P5 a ISO3200 (imagen central) es superior a la A7 II a ISO12800 (imagen derecha). Esto quiere decir que la A7 II tiene menos de 2 pasos de ventaja en ISO frente a la E-P5:

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Y añado: cuál de estas dos últimas comparaciones (relación S/N o ISO) es más relevante para el fotógrafo en un caso real y práctico, no como ejercicio numérico ingenieril?. Pues es la relación S/N y explico porqué: dos fotógrafos van a hacer fotos, uno con una FF y otro con una M4/3. Fotografían la misma escena, igual de exigente para ambos en cuanto a luz disponible y velocidad de disparo más lenta admisible para no trepidar. Incluso voy a dejar fuera la variable PDC, es decir, admitiremos que en cada cámara se use la apertura máxima, que sí asumimos es la máxima del objetivo e igual en ambas, aún sabiendo que eso da menos PDC en la FF y que tener un f/2,8 en FF cuesta bastante más en precio, tamaño y peso que un f/2,8 en M4/3.

Qué ocurre? ambos pondrán la velocidad más lenta posible, la apertura disponible (p.ej. f/2,8), y hacen la foto al ISO requerido para exponer correctamente (me lo invento, ISO3200). La imagen de la FF tendrá 1 paso menos de ruido (la mitad) que la M4/3. Puede alguien decirme qué utilidad puede tener saber que en la FF puedo subir el ISO en X pasos (me lo invento, por ejemplo hasta ISO 12800), aumentando la velocidad, para obtener la misma calidad que en la M4/3 (sean X muchos o pocos), si eso no lo va a hacer ningún fotógrafo?. La mejora en ISO no tiene utilidad práctica más allá del ejercicio numérico que supone. Lo que va a pasar en la práctica es que la foto final obtenida con el sensor FF tendrá la mitad de ruido, como todos sabemos que ocurre, y fin de la historia.

El corolario de todo es que la mejora en ruido por aumentar el tamaño de sensor, tiene un coste muy alto en superficie, precio y tamaño de las ópticas. Por eso insisto en que la ventaja práctica y real del FF está en la mayor capacidad para obtener PDC estrechas y en el abanico de ópticas de 35mm disponibles. La supremacía en ruido del FF es subóptima desde un punto de vista de análisis de costes.

Salu2!

[Fid]

Sí lo es, aunque más demoledor es recordar que poca profundidad de campo es más a menudo un problema que mucha profundidad de campo, de mi época réflex FF, de película, recuerdo más veces cerrar diafragma para aumentar la PDC que lo contrario, muchas más.

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[yasduit]

En mi modesta experiencia una ventaja practica a favor de la FF (no sé si estaréis de acuerdo quienes utilicéis ambos formatos), es una mayor tolerancia en el revelado y la manipulación del archivo digital, siempre que hablemos de tecnología y generación de sensores similar. Hay más margen (o así lo aprecio) para recortar y manipular el raw sin que aparezca ruido u otros artefactos. No se cómo se cuantifica esto, aparte del 50% o el 100% más de píxeles, ni cómo se relaciona con otros factores como tamaño de píxel, rango dinámico, relación S/R o profundidad de color, pero a efectos prácticos para un aficionado malillo como yo esto resulta una ventaja práctica y real, o al menos yo lo valoro así.

En cuanto a la PDC, supongo que se puede percibir como ventaja o inconveniente en función del tipo de fotografía. En mi valoración particular, me gustaría que un zoom (equivalente) 24-80mm F2.8 en m43, pudiera dar el desenfoque que ofrece esa misma focal y apertura en FF. En este ejemplo y de acuerdo con mis prioridades, el FF ofrece más posibilidades fotográficas aunque el precio a pagar, en dinero y en tamaño y peso es más que evidente.

Por lo demás, muy de acuerdo con lo expuesto en cuanto a ruido cuando se sube el ISO. También utilizo una Olympus m43 y una FF Sony 7 II y creo que el 3.200 de la Oly queda más cerca del 6.400 de la FF que del 12.800. Las ventajas prácticas no dejan de tener un componente subjetivo, y para mí y en cuanto al tema del ruido subiendo ISO, el formato m43 es más que satisfactorio.

Saludos !

[mariazuelo]

Muchas gracias Guillermo por arrojar luz (una vez mas) sobre estos temas tan "controvertidos" y por los ejemplos tan claros.
un saludo