HDR 4ª: 1.4. Ampliando el Rango dinámico del sensor

En esta parte de este artículo, vamos a desgranar las claves para mejorar el ‘Rango Dinámico’ del sensor digital. Pero los milagros hay que tomarlos con mucha cautela. La razón fundamental es que el comportamiento del sensor, subjetivamente, no están bueno como el de una película. Recordemos que utiliza la electrónica y si usamos un ISO muy alto, en escenas con poca luz, puede provocar ruido en las zonas oscuras; además el captor utiliza una trama de filtros RGB (la Bayer es la más común) que repercute en una reducción colorimétrica importante porque hay que interpolar información de croma (es una pena que no se utilice y se perfeccione la tecnología Foveon de tres capas RGB superpuestas). Dejando a un lado la captura en crudo RAW, utilizada en las cámaras profesionales, debemos tener presente que la información que ofrece un sensor semiprofesional, se registra comprimiendo el archivo de imagen (por ejemplo en “mpg”); por no hablar de la pobreza cromática de una señal de 8 bits sumado a la utilización del submuestreo 4:2:0 que reduce la definición del color. Todos estos pasos degradan la imagen aunque en algunos casos no es apreciable en su visionado, si lo es cuando la postproducimos y retocamos. 

Una vez aclarados los inconvenientes debemos recordar que, en el segundo capítulo, decíamos que la respuesta entre la exposición y la cantidad de niveles de gris (o tonos de color) de la señal que salía del sensor, adoptaba, si la observamos dentro de un eje entre niveles y exposición, una línea recta oblicua que ascendía desde los tonos oscuros hacia los tonos claros…

En el ejemplo podemos ver la respuesta lineal del sensor y cuál sería el resultado visual en la codificación de la luminosidad

Si pudiéramos imaginar la codificación lineal de la señal del sensor, veríamos, que la escala tonal de grises no es progresiva cómo ocurre en la visión humana (imagen de arriba). Esto lo interpretamos de una manera sencilla. Cuando medimos la luz, debemos tener cuidado de no aplastar ni las altas luces, ni las sombras. Por ejemplo, si no compensamos un blanco brillante, quemado por la luz, que aparece en la imagen, en la codificación de la señal se producirá un recorte por la saturación de brillo y toda esa zona concreta aparecerá como una mancha blanca sin definición. Ha este recorte, se le conoce en inglés como “clipping”.

Por ejemplo: En el videoclip que grabé al grupo “Mamá” en 4K, en algunos planos, la iluminación cambiante del escenario, en ocasiones era tan fuerte que quemaba el rostro del cantante. Este inconveniente provocó que las altas luces, tras el recorte o clipping durante la codificación, se grabaran como manchas blancas sin definición. Desgraciadamente, estas zonas ya no se pudieron recuperar en el etalonaje. Podemos observar en la misma imagen de arriba, en el lado izquierdo, como en monitor de forma de onda, la señal de blancos puros se recorta en la parte de arriba (esta fuera de rango y se ha recortado). Dejar claro que esto también puede ocurrir con los negros. Para evitar el clipping debemos hacer una medición inteligente y exacta que pueda mitigar este recorte para que no sea tan visible. Otra opción podría ser, aprovechar toda la información que ofrece el sensor (que si se registra en RAW) y manipularla, antes de codificarla, en un formato comprimido tipo MP4, XVAC, ProRes, DNxHD, etc.

Corrección de gamma en los tubos CRT

Es el momento de retroceder en el tiempo y volver a las décadas gloriosas donde el tubo de imagen era el rey, tanto en las cámaras como en los televisores. Por inconvenientes, que no vienen a cuento explicar ahora porque me enrollaré seguro, los tubos de los televisores ofrecían una respuesta de gamma 2,2 que no era lineal. Esta curva había que compensarla, a la inversa en la cámara, en la llamada codificación de gamma ½,2 para que las imágenes se vieran correctamente en un televisor de CRT. Las cámaras digitales actuales siguen manteniendo esa compatibilidad, salvo las que trabajan en RAW, y por eso, toda codificación comprimida en el espacio de color sRGB (stándar RGB creado por Hewlett-Packard y Microsoft Corporation similar al espacio de color PAL/SECAM) se grabará con gamma codificada (existe la posibilidad de trabajar con gamma 2,4 si se utilizan monitores con un muy buen rango dinámico, pantallas OLED o un Monitor de referencia Dolby, pero no hablaremos de este caso). Si utilizas una DSLR, como yo, entra en los menús de tu cámara y verás que puedes trabajar en modo foto JPEG con espacio de color sRGB o Adobe RGB. Pero en cualquier caso este espacio de color no se utiliza en vídeo, si grabas en HD lo normal es trabajar en Rec. 709 cuya respuesta cromática es muy similar al sRGB.

Recordemos también que la curva de gamma de una película analógica tenía forma de “S”, por lo tanto el camino a seguir sería, con cierta lógica, evitar grabar con una gradiente lineal o recta. 

Volvamos al presente y teniendo claro que los sensores actuales no son perfectos buscaremos la manera de mejorar el ‘Rango Dinámico’ de nuestra cámara digital. Actualmente las cámaras profesionales, que no graban en RAW e incluso algunas domésticas, permiten ajustes internos que facilitan exprimir al máximo el sensor y ofrecer una salida de señal con un mayor ratio de contraste. Lo que hacen básicamente es modificar la gamma lineal del sensor, por una nueva gama logarítmica. Aquí entran en acción las famosas “Log”. Se conocen cómo Log C (Arri), LogFilm (Red), Film Mode (Blackmagic), S-Gamut3 (Sony), Film Rec (Varicam), Cine-D o Cinelike (Panasonic), Cinestyle (Technicolor para Canon), también S-Log3 o S-Log2 o S-Log (Sony), Cinegamma, Hypergamma, etc. 

Bueno, no quiero extenderme más porque es navidad. La próxima semana continuamos...

¡FELIZ NAVIDAD!

MERRY CHRISTMAS!

С Рождеством Христовым!

FROHE WEIHNACHTEN!

聖誕快樂！

JOYEUX NOËL!

メリー·クリスマス！

FELIZ NATAL!

عيد ميلاد سعيد!

José Pastor Jaén 

Próximo capítulo: HDR 5º: "Cómo funcionan las Log o las curvas de gamma" 

Anterior capítulo: HDR 3ª: "Rango Dinámico en película química vs digital"

Videoclip 4K "Diseños de Interior"

Ya está disponible el vídeoclip que grabé en Ultra HD-4K con el grupo madrileño Mamá. La canción se titula "Diseños de Interior" de su último disco estándar. 

La grabación tuvo lugar en la sala Lococlub de Valencia, el 26 de septiembre de 2015.

Para todos aquellos interesados en el aspecto técnico, deciros que la sala utilizaba unas luces muy cambiantes, en intensidad y colorimetría, se tuvo que obturar a 25Hz con un diafragma muy abierto f2,8 para no forzar el sensor a más de 800 ISO.  Se grabó al límite, con la finalidad de no capturar una imagen con mucho ruido (por eso hay un efecto 'filage' en el vídeo). En algunas tomas, si se forzó a 1600 e incluso a 3200 ISO. En estos casos se han tenido que aplicar filtros 'denoiser' en la edición para mitigar el ruido de la imagen. 

La postproducción ha sido muy compleja y con muchos efectos invisibles y mucha corrección colorimétrica.  El grave inconveniente de trabajar con tan poca luz, fue que la cámara Panasonic que utilizamos tiene únicamente 8 bits de color y trabaja en el espacio de color sRGB (bueno para un exterior soleado, malo para interiores con una iluminación justita). 

Existe una versión en Blanco y Negro que seguramente podréis ver más adelante... Espero que os guste. 

Pulsando aquí podéis ver el vídeo. Recomendable verlo en calidad 4K, si disponéis de un monitor o televisor con esta definición.

José Pastor Jaén

HDR 3ª: 1.3. Rango Dinámico en película química vs digital

Latas de película negativa de 35mm para cine

Ya sabemos que el ‘Rango Dinámico’ de un sensor digital es de unos 9 pasos y también conocemos sus limitaciones a la hora de trabajar con una iluminación de alto contraste (sol y sombra). Antes de seguir indagando sobre este tema en el terreno profesional, vamos a ver qué ocurre con una película fotoquímica.

Si ampliamos suficientemente la imagen de una película fotoquímica podemos ver el grano de la emulsión

En un principio, podemos aseverar que la emulsión fotográfica tiene mayor escala de tonos que un sensor digital (aunque más adelante veremos que esta circunstancia está cambiando muy rápidamente). Pero antes de entrar en materia, es bueno recordar las diferencias de cómo se almacena la luz en uno u otro sistema.

En un sensor los fotodiodos acumulan cargas eléctricas de manera uniforme. Si no incide la luz, no hay carga y produce señal de negro, si incide la luz va aumentando la carga y produce blanco (o menos negro o grises). En una película química ocurre lo contrario. Cuando la luz incide en los cristales sensibles, que están suspendidos en la emulsión, estos se transforman y oscurecen. Cuanta más luz reciben más oscuros se vuelven. Pero en las zonas donde no incide la luz, los cristales no se sensibilizan y mantienen sus propiedades intactas. Estas partículas, que no han recibido luz, se eliminan durante el revelado mientras que las que sí la han recibido se fijan permanentemente.

Imagen fotoquímica, negativa y positiva, de un campo de té en Sri Lanka 

De esta manera, obtenemos una imagen negativa donde las altas luces son muy oscuras y las sombras son transparentes. Dependiendo de la sensibilización de los cristales estos se han oscurecido más, siguiendo un patrón logarítmico similar al de la visión humana, produciendo diferentes tonalidades de gris que van de un blanco puro a un negro oscuro. Cuando el negativo se positiva, la imagen se invierte, las zonas de luz son más transparentes y las zonas de sombra son más oscuras (ocurre lo mismo en b/n y en color, salvo que la película sea reversible). Esta comportamiento, totalmente analógico, no es exacto (el contraste de la densidad, el grano, la definición, las características de reproducción tonal, etc) y por ello la emulsión química ofrece una respuesta de tonalidades de gris que muestra una curva logarítmica no lineal (en un sensor digital si es lineal) que se refiere a su latitud de exposición (conocido como Rango Dinámico en digital). Podemos decir que una película negativa en color alcanza unos 13 pasos o stops (si la digitalizamos, utilizando diferentes técnicas, podemos alcanzar hasta un poco más de 14 pasos) con un ratio de contraste cercano a los 20.000:1 que es muy próximo al 30.000:1 que alcanza como media la visión humana. 

Llegado a este punto, me tenéis que perdonar, debo introducir otro concepto importantísimo llamado sensitometría (este palabro va más allá del famoso sistema de zonas, del que hablaré más adelante). Para aquellos que no lo sepan, la sensitometría es el estudio científico de la respuesta de las emulsiones fotográficas a la energía radiante y el establecimiento de las consiguientes relaciones numéricas entre exposición y densidad. El estudio tiene su origen en las investigaciones que realizaron,  sobre las primeras emulsiones en blanco y negro, los químicos Ferdinand Hurter, Vero Charles Driffield y que finalizaron hacia 1876. Ellos determinaron cómo la densidad de los haluros de plata que se sensibilizaban en una película, variaba con la cantidad de luz recibida.

Curva característica de una película fotoquímica, en este caso en Blanco y negro. 

En la imagen de arriba podemos apreciar, que en el pie de la curva estarían las zonas subexpuestas y cerca de la cima estarían las zonas sobreexpuestas. En la zona intermedia estaría la zona de latitud de la película que es donde no se producen cambios inadecuados en los resultados. Para simplificar, podríamos decir que la latitud de exposición, es la capacidad de una película para ser subexpuesta o sobreexpuesta, sin que la imagen resultante sea inutilizable (en la zonas oscuras o quemadas todavía puede mostrar detalles). Finalmente diré que los negativos en color poseen una latitud similar a las de blanco y negro, pero es verdad que en la práctica fotográfica (por favor realizar un acto de ‘fe’ para no tener que enrollarme) se pueden alcanzar los 2 diafragmas en Blanco y negro, 1 diafragma en color y ½ diafragma en película reversible o diapositiva. Esto quiere decir que la latitud se refiere al margen de error o equivocación, para no arruinar una toma, que se puede cometer cuando se mide la luz y se ajusta la cámara.

Pero el aspecto más interesante, es que si nos fijamos en las diferentes curvas de respuesta y las comparamos, podemos apreciar que la película fotográfica tiende a formar una curva característica en forma de “S”, mientras que un sensor digital forma una línea ascendente perfecta. Esa curva en "S" nos dará la clave para hacer los ajustes correspondientes en la cámara digital, para ampliar su Rango Dinámico,  en un intento de reproducir un comportamiento similar al 'look' cinematográfico analógico. En el gráfico también podemos apreciar que una emulsión en blanco y negro tiene mayor latitud de exposición que una emulsión en color (sobre todo en las altas luces). En comparación, con ambas, un sistema de captación digital siempre es mucho más pobre. La pregunta del millón es ¿Podemos mejorar la respuesta del sensor y aumentar el Rango Dinámico? La respuesta es, sí. Pero sed pacientes porque tenéis que esperar al siguiente capítulo.

José Pastor Jaén

Próximo capítulo: “HDR 4ª: 1.4. Ampliando el Rango Dinámico del sensor”

Capítulo anterior: "HDR 2ª: 1.2. El Rango Dinámico en digital"