RANGO DINÁMICO EN FOTOGRAFÍA DIGITAL

El rango dinámico en fotografía describe la relación entre las intensidades de luz medibles máxima y mínima (blanca y negra, respectivamente). En el mundo real, uno nunca se encuentra con el blanco o el negro verdaderos, solo con diversos grados de intensidad de la fuente de luz y la reflectividad del sujeto. Por lo tanto, el concepto de rango dinámico se vuelve más complicado y depende de si está describiendo un dispositivo de captura (como una cámara o un escáner), un dispositivo de visualización (como una impresora o una pantalla de computadora) o el sujeto mismo.

Al igual que con la gestión del color, cada dispositivo dentro de la cadena de imágenes anterior tiene su propio rango dinámico. En impresiones y pantallas de computadora, nada puede volverse más brillante que el papel blanco o un píxel de máxima intensidad, respectivamente. De hecho, otro dispositivo que no se muestra arriba son nuestros ojos, que también tienen su propio rango dinámico. Por lo tanto, la traducción de la información de la imagen entre dispositivos puede afectar la forma en que se reproduce esa imagen. Por lo tanto, el concepto de rango dinámico es útil para comparaciones relativas entre la escena real, su cámara y la imagen en su pantalla o en la impresión final.

INFLUENCIA DE LA LUZ:ILUMINACIÓN Y REFLECTIVIDAD

La intensidad de la luz se puede describir en términos de luz incidente y reflejada; ambos contribuyen al rango dinámico de una escena (consulte el tutorial sobre "medición y exposición de la cámara").

Las escenas con una gran variación en la reflectividad, como aquellas que contienen objetos negros además de fuertes reflejos, en realidad pueden tener un rango dinámico mayor que las escenas con una gran variación de la luz incidente. La fotografía en cualquiera de los escenarios puede superar fácilmente el rango dinámico de su cámara, especialmente si la exposición no es precisa.

Por lo tanto, la medición precisa de la intensidad de la luz, o luminancia, es fundamental al evaluar el rango dinámico. Aquí usamos el término iluminancia para especificar solo la luz incidente. Tanto la iluminancia como la luminancia se miden normalmente en candelas por metro cuadrado (cd/m). Los valores aproximados para las fuentes de luz más comunes se muestran a continuación.

Aquí vemos la gran variación posible para la luz incidente, ya que el diagrama anterior está escalado a potencias de diez. Si una escena estuviera iluminada de manera desigual tanto por la luz solar directa como por la obstruida, esto por sí solo puede aumentar considerablemente el rango dinámico de una escena (como se desprende del ejemplo del atardecer en el cañón con un acantilado parcialmente iluminado).

CÁMARAS DIGITALES

Aunque el significado del rango dinámico para una escena del mundo real es simplemente la relación entre las regiones más claras y las más oscuras (relación de contraste), su definición se vuelve más complicada cuando se describen dispositivos de medición como cámaras digitales y escáneres. Recuerde del tutorial sobre sensores de cámaras digitales que la luz se mide en cada píxel en una cavidad o pozo (fotosito). El tamaño de cada sitio de fotos, además de cómo se miden sus contenidos, determina el rango dinámico de una cámara digital.

Nivel de negro
(Limitado por el ruido) Nivel de blanco
(fotositio saturado) Nivel blanco más oscuro
(Photosite de baja capacidad)

Los fotositos se pueden considerar como cubos que contienen fotones como si fueran agua. Por lo tanto, si el balde se llena demasiado, se desbordará. Se dice que un sitio de fotos que se desborda se ha saturado y, por lo tanto, no puede discernir entre los fotones entrantes adicionales, lo que define el nivel de blanco de la cámara. Para una cámara ideal, su relación de contraste sería, por lo tanto, solo la cantidad de fotones que podría contener dentro de cada sitio de fotos, dividido por la intensidad de luz medible más oscura (un fotón). Si cada uno tuviera 1000 fotones, entonces la relación de contraste sería de 1000:1. Dado que los sitios de fotos más grandes pueden contener un mayor rango de fotones, el rango dinámico es generalmente más alto para las cámaras SLR digitales en comparación con las cámaras compactas (debido a los tamaños de píxeles más grandes).

Nota técnica :En algunas cámaras digitales, hay una configuración ISO baja ampliada que produce menos ruido, pero también reduce el rango dinámico. Esto se debe a que la configuración en efecto sobreexpone la imagen en un f-stop completo, pero luego trunca los reflejos, lo que aumenta la señal de luz. Un ejemplo de esto son muchas de las cámaras Canon, que tienen una velocidad ISO-50 por debajo de la normal ISO-100.

En realidad, las cámaras de consumo no pueden contar fotones individuales. Por lo tanto, el rango dinámico está limitado por el tono más oscuro donde ya no se puede discernir la textura; a esto lo llamamos el nivel de negro. El nivel de negro está limitado por la precisión con la que se puede medir cada fotosito y, por lo tanto, está limitado en la oscuridad por el ruido de la imagen. Por lo tanto, el rango dinámico generalmente aumenta para velocidades ISO más bajas y cámaras con menos ruido de medición .

Nota técnica :Incluso si un fotosito pudiera contar fotones individuales, aún estaría limitado por el ruido de los fotones. El ruido de fotones es creado por la variación estadística en la llegada de fotones y, por lo tanto, representa un mínimo teórico para el ruido. El ruido total representa la suma del ruido de fotones y el ruido de lectura.

En general, el rango dinámico de una cámara digital se puede describir como la relación entre la intensidad de luz máxima medible (en la saturación de píxeles) y la intensidad de luz mínima medible (por encima del ruido de lectura). La unidad más utilizada para medir el rango dinámico en las cámaras digitales es el f-stop, que describe el rango de luz total por potencias de 2. Por lo tanto, una relación de contraste de 1024:1 también podría describirse como si tuviera un rango dinámico de 10 f-stops. (ya que 2 =1024). Según la aplicación, cada unidad f-stop también puede describirse como una "zona" o "eV".

ESCANEADORES

Los escáneres están sujetos al mismo criterio de saturación:ruido que para el rango dinámico en las cámaras digitales, excepto que se describe en términos de densidad (D). Esto es útil porque es conceptualmente similar a cómo los pigmentos crean tonos en los medios impresos, como se muestra a continuación.

Baja reflectancia (Alta densidad)	Alta reflectancia (Baja densidad)	Alta densidad de pigmento (Tono más oscuro)	Baja densidad de pigmentos (Tono más claro)

El rango dinámico general en términos de densidad es, por lo tanto, la densidad máxima de pigmento (D), menos la densidad mínima de pigmento (D). A diferencia de las potencias de 2 para f-stops, la densidad se mide usando potencias de 10 (al igual que la escala de Richter para terremotos). Por lo tanto, una densidad de 3,0 representa una relación de contraste de 1000:1 (ya que 10 =1000).

Rango dinámico del original
Rango dinámico del escáner

En lugar de enumerar la densidad total (D), los fabricantes de escáneres suelen enumerar solo el valor D, ya que D-D es aproximadamente igual a D. Esto se debe a que, a diferencia de las cámaras digitales, un escáner tiene control total sobre su fuente de luz, lo que garantiza que el fotosito sea mínimo. se produce saturación.

Para una alta densidad de pigmentos, se aplican las mismas restricciones de ruido a los escáneres que a las cámaras digitales (ya que ambos utilizan una matriz de fotositos para la medición). Por lo tanto, la D medible también está determinada por el ruido presente durante la lectura de la señal de luz.

COMPARACIÓN

El rango dinámico varía tanto que comúnmente se mide en una escala logarítmica, de manera similar a cómo se miden las diferentes intensidades de los terremotos en la misma escala de Richter. Aquí mostramos el rango dinámico máximo medible (o reproducible) para varios dispositivos en términos de cualquier medida preferida (f-stops, densidad y relación de contraste). Mueva el mouse sobre cada una de las opciones a continuación para compararlas.

Seleccionar medida para rango dinámico:
f-stop	Densidad	Relación de contraste

Seleccionar tipos para mostrar arriba:
Medios impresos	Escáneres	Cámaras digitales	Dispositivos de visualización

Tenga en cuenta la gran discrepancia entre el rango dinámico reproducible en las impresiones y el que se puede medir con escáneres y cámaras digitales. Para una comparación con el rango dinámico del mundo real en una escena, estos varían desde aproximadamente 3 pasos f para un día nublado con una reflectividad casi uniforme hasta más de 12 pasos f para un día soleado con una reflectividad muy irregular.

Se debe tener cuidado al interpretar los números anteriores; El rango dinámico del mundo real es una función importante de la luz ambiental para impresiones y dispositivos de visualización. Es posible que las impresiones que no se vean con la luz adecuada no brinden su rango dinámico completo, mientras que los dispositivos de visualización requieren una oscuridad casi total para desarrollar todo su potencial, especialmente para las pantallas de plasma. Finalmente, estos valores son solo aproximaciones aproximadas; los valores reales dependen de la antigüedad del dispositivo, la generación del modelo, el rango de precios, etc.

Tenga en cuenta que las relaciones de contraste de los dispositivos de visualización a menudo se exageran mucho , ya que no existe un estándar del fabricante para enumerarlos. Las relaciones de contraste superiores a 500:1 a menudo son solo el resultado de un punto negro muy oscuro, en lugar de un punto blanco más brillante. Por esta razón, se debe prestar atención tanto a la relación de contraste como a la luminosidad. Las altas relaciones de contraste (sin una luminosidad correspondientemente mayor) pueden anularse por completo incluso con la luz ambiental de las velas.

EL OJO HUMANO

El ojo humano puede percibir un rango dinámico mayor que el que normalmente es posible con una cámara. Si tuviéramos que considerar situaciones en las que nuestra pupila se abre y se cierra para variar la luz, nuestros ojos pueden ver en un rango de casi 24 f-stops.

Por otro lado, para comparaciones precisas con una sola foto (con apertura, obturador e ISO constantes), solo podemos considerar el rango dinámico instantáneo (donde la apertura de nuestra pupila no cambia). Esto sería similar a mirar una región dentro de una escena, dejar que nuestros ojos se ajusten y no mirar a ningún otro lado. Para este escenario hay mucho desacuerdo, porque la sensibilidad y el rango dinámico de nuestro ojo en realidad cambian según el brillo y el contraste. La mayoría estima entre 10 y 14 pasos f.

El problema con estos números es que nuestros ojos son extremadamente adaptables. Para situaciones de observación de estrellas con poca luz extrema (donde nuestros ojos se han adaptado para usar células de varilla para la visión nocturna), nuestros ojos se acercan a rangos dinámicos instantáneos aún más altos (consulte el tutorial sobre "Percepción del color del ojo humano").

PROFUNDIDAD DE BITS Y RANGO DINÁMICO DE MEDICIÓN

Incluso si la cámara digital de uno pudiera capturar un amplio rango dinámico, la precisión con la que las mediciones de luz se traducen en valores digitales puede limitar el rango dinámico utilizable. El caballo de batalla que traduce estas mediciones continuas en valores numéricos discretos se denomina convertidor analógico a digital (A/D). La precisión de un convertidor A/D se puede describir en términos de bits de precisión, similar a la profundidad de bits en las imágenes digitales, aunque se debe tener cuidado de que estos conceptos no se usen indistintamente. El convertidor A/D es lo que crea valores para el formato de archivo RAW de la cámara digital.

Precisión de bits del convertidor analógico/digital	Relación de contraste	Rango dinámico
		F-stop	Densidad
8	256:1	8	2.4
10	1024:1	10	3.0
12	4096:1	12	3.6
14	16384:1	14	4.2
16	65536:1	16	4.8

Nota:Los valores anteriores son solo para la precisión del convertidor A/D y no deben usarse para interpretar los resultados de archivos de imagen de 8 y 16 bits. Además, los valores que se muestran son un máximo teórico, suponiendo que el ruido no sea limitante, y esto se aplica solo a los convertidores A/D lineales.

Como ejemplo, 10 bits de precisión tonal se traducen en un posible rango de brillo de 0-1023 (ya que 2 =1024 niveles). Suponiendo que cada número de convertidor A/D sea proporcional al brillo real de la imagen (lo que significa que el doble del valor de píxel representa el doble de brillo), 10 bits de precisión solo pueden codificar una relación de contraste de 1024:1.

La mayoría de las cámaras digitales utilizan un convertidor A/D de 10 a 14 bits, por lo que su rango dinámico máximo teórico es de 10 a 14 pasos. Sin embargo, esta alta profundidad de bits solo ayuda a minimizar la posterización de la imagen, ya que el rango dinámico total suele estar limitado por los niveles de ruido. Del mismo modo que una imagen de alta profundidad de bits no significa necesariamente que la imagen contenga más colores, si una cámara digital tiene un convertidor A/D de alta precisión, no significa necesariamente que pueda registrar un mayor rango dinámico. En efecto, el rango dinámico se puede considerar como la altura de una escalera, mientras que la profundidad de bit se puede considerar como el número de escalones. En la práctica, el rango dinámico de una cámara digital ni siquiera se acerca al máximo teórico del convertidor A/D; De 8 a 12 paradas es generalmente todo lo que uno puede esperar de la cámara.

INFLUENCIA DEL TIPO DE IMAGEN Y LA CURVA TONAL

¿Pueden los archivos de imágenes digitales registrar realmente el rango dinámico completo de los dispositivos de gama alta? Parece haber mucha confusión en Internet sobre la relevancia de la profundidad de bits de la imagen en el rango dinámico grabable.

Primero debemos distinguir entre si estamos hablando de rango dinámico grabable o de rango dinámico visualizable. Incluso un archivo de imagen JPEG ordinario de 8 bits posiblemente pueda registrar un rango dinámico infinito, suponiendo que se aplique la curva tonal correcta durante la conversión RAW (consulte el tutorial sobre curvas, bajo la motivación:rango dinámico), y que el convertidor A/D tenga la precisión de bit requerida. El problema radica en la usabilidad de este rango dinámico; si se distribuyen muy pocos bits en un rango tonal demasiado grande, esto puede conducir a la posterización de la imagen.

Por otro lado, el rango dinámico visualizable depende de la corrección gamma o la curva tonal implícita en el archivo de imagen, o utilizada por la tarjeta de video y el dispositivo de visualización. Usando una gamma de 2.2 (estándar para PC), sería teóricamente posible codificar un rango dinámico de casi 18 f-stops (consulte el tutorial sobre la corrección de gamma, que se agregará). Una vez más, sin embargo, esto sufriría una severa posterización. La única solución estándar actual para codificar un rango dinámico casi infinito (sin posterización visible) es usar archivos de imagen de alto rango dinámico (HDR) en Photoshop (u otro programa compatible).