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La mayoría de las personas se dan cuenta de cómo usar las clasificaciones ISO en sus fotografías, pero ¿qué son? ¿De dónde vienen estos números y cuál es la diferencia entre ISO en película y digital? En este tutorial exploramos la historia y los fundamentos técnicos del sistema. Si alguna vez te has preguntado qué significa ISO o cómo funciona, esta es para ti.!
En fotografía, "ISO" significa el sistema estándar de medición de cuánta sensibilidad a la luz tiene una película fotográfica o un sensor. Podemos controlar el ISO para crear una imagen que esté expuesta correctamente: ni demasiado clara ni demasiado oscura.
ISO significa la Organización Internacional para la Estandarización, un organismo global que trabaja para estandarizar todo tipo de productos y procesos para la máxima interoperabilidad y seguridad. En 1974, la ISO tomó los avances más recientes en los sistemas alemanes DIN y American ASA (ahora ANSI) y los convirtió en una única norma universal para películas: números ISO. Cuando salieron los sensores digitales, los fabricantes finalmente adoptaron los mismos números estándar.
Los dos sistemas anteriores, DIN y ASA, se remontan a los años 1930 y 40, antes de que coexistieran varios sistemas de clasificación de diferentes fabricantes e ingenieros..
¿Qué significan los números en sí mismos? Existen cuatro estándares ISO, uno para película negativa en color, película negativa en blanco y negro, película de inversión de color (diapositiva) y sensores digitales. Estos se calibran de modo que, independientemente del tipo de película o medio, la sensibilidad efectiva sea la misma. Esto es muy útil para propósitos prácticos al disparar ya que le permite al fotógrafo un control más rápido y más rápido sobre la exposición..
Sin embargo, las diferencias en la emulsión y las interpretaciones de los procesos de medición entre fabricantes, fábricas e incluso lotes, así como la variabilidad inherente de un proceso químico, significa que incluso con la estandarización, los resultados pueden variar. En el campo, los fotógrafos han descubierto que, para algunas películas, ajustar las cámaras a valores ISO ligeramente diferentes a los de la velocidad nominal de una película en particular puede dar ciertos resultados deseables..
La velocidad de la película se mide a partir de una "curva característica", que describe el rendimiento tonal general de una película. Así es como funciona:
La curva tonal se crea mediante una "tableta sensitométrica", una pieza especial de vidrio que consiste en una matriz calibrada con precisión de 21 tonos de gris equidistantes (de negro a blanco). Los tonos graduados de gris están expuestos en la película. Después del procesamiento, la exposición graduada de la emulsión se puede leer utilizando un densitómetro calibrado, una máquina que lee la densidad real de la película..
Los 21 pasos se miden con precisión, y una vez que se han medido los 21 pasos, se representan en una gráfica en mililux-segundos.
Este gráfico tiene varias partes que explican diversos aspectos de cómo se realizó la película, como nebulización, gamma, contraste, etc. La parte que nos interesa para la clasificación de velocidad ISO de la película es de 0,1 unidades de densidad por encima de la densidad mínima. Llamemos a este punto X. Este valor no es particularmente científico, pero se acepta tradicionalmente como la diferencia mínima en densidad que el ojo humano promedio puede diferenciar.
La ecuación para la velocidad de la película (sí, hay una) es velocidad = 800 \ sobre log ^ - 1 (x). Si la exposición se mide en lux-segundos en lugar de mililux-segundos, esto se convierte en: velocidad = 0.8 \ sobre log ^ - 1 (x) Tenga en cuenta que escribo log para base-10, no en para troncos naturales (base-mi).
Lo importante es que, en general, a medida que la velocidad se duplica o se reduce a la mitad, también lo hace la sensibilidad a la luz..
La película está hecha de una suspensión de cristales de haluro de plata en un aglutinante de gelatina. Esta emulsión está finamente en capas muchas veces junto con cualquier colorante para colorear o agentes de procesamiento sobre una base de celuloide, protegida en la parte posterior con recubrimientos de manipulación física. Los cristales de haluro de plata son el medio fotorreactivo real..
Solo son reactivos al extremo azul del espectro de luz visible (de ahí la necesidad de filtros UV al filmar películas), se recubren o impregnan durante el crecimiento con compuestos orgánicos que los sensibilizan al espectro visible total..
Los fotones que golpean la plata pasan su energía a la molécula. Esto hace que un electrón sea expulsado de un ión haluro en el cristal de haluro de plata. Esto puede ser atrapado por un ión de plata para formar un átomo de plata neutro eléctricamente..
Esto no es estable, sin embargo. Deben estar disponibles más fotoelectrones en la misma región para formar más átomos de plata para que se forme un grupo estable de al menos tres o cuatro átomos de plata. De lo contrario, pueden descomponerse fácilmente en iones de plata y electrones libres. Se pueden formar más átomos de plata siempre que se generen fotoelectrones..
Después de la exposición, pero antes de procesar, su película tiene una latente Imagen: aún no existe una imagen, pero si la sumergimos en los productos químicos adecuados, podemos crear uno..
En el procesamiento, un grupo de átomos de plata pura del tamaño estable que describí anteriormente catalizará la reacción con el revelador, que luego descompone el cristal completo en un grano de plata metálico, que aparece negro debido a su tamaño y superficie sin pulir.
Luego, el fijador fija la imagen disolviendo los cristales de sal de haluro de plata restantes, que luego se enjuagan (y, con suerte, se almacenan para su reciclaje). Esta ha sido la base general de la fotografía durante más de un siglo. Entonces, ¿qué tiene esto que ver con la sensibilidad de la película?
La respuesta a eso es realmente muy simple: probabilidad. Cuanto más grandes son los cristales de haluro de plata, más probabilidades hay de que los fotones los golpeen y sean absorbidos. Para usar una analogía básica, si agitas una gran red de mariposas a través de un gran enjambre de mariposas, es probable que atrapes más de ellas que con la misma onda a través del mismo enjambre con una red pequeña..
Los cristales más grandes tienen una mayor área de superficie orientada hacia la lente, y lógicamente, la sensibilidad a la luz se correlaciona directamente con la probabilidad de que la luz llegue a la superficie.
Así, las películas lentas como ISO 25, 50 y 100 tienen granos muy finos para reducir la cantidad de luz que los golpea, útil para capturar detalles finos. Por el contrario, las películas muy rápidas como ISO 1600 y 3200 tienen granos relativamente grandes para la posibilidad máxima de capturar fotones, por lo tanto, su calidad extremadamente granulada..
Las cámaras digitales, que no tienen proceso químico, no pueden medirse utilizando el mismo método que la película. Sin embargo, el sistema de clasificación ISO está diseñado para ser razonablemente similar a la película en términos de sensibilidad a la luz real. Técnicamente, el término para sensores digitales es "Índice de exposición" en lugar de "ISO", pero debido a que una norma ISO lo cubre, no veo ningún problema al utilizar la "ISO" más tradicional. En términos prácticos, la mayor parte del mundo está de acuerdo..
En lugar de un nivel mínimo de exposición visible, los sensores digitales tienen su sensibilidad determinada por la exposición requerida para producir una salida de señal característica predeterminada. La norma ISO que regula la sensibilidad del sensor, ISO 12232: 2006, relaciona cinco métodos posibles para determinar la velocidad del sensor, aunque solo dos de ellos se usan regularmente.
El sensor de una cámara consiste en una matriz de millones de fotodiodos microscópicos, generalmente cubiertos con microlentes para obtener más luz y un filtro de patrón Bayer para capturar el color. Cada uno representa un solo pixel.
Un fotodiodo se puede ejecutar en modo fotovoltaico de polarización cero (sin tensión aplicada), donde la corriente de salida está restringida y la capacitancia interna se maximiza, lo que produce una acumulación de fotoelectrones en la salida.
También se puede ejecutar en modo fotoconductor de polarización inversa (marcha atrás), donde los fotones absorbidos en la unión p-n liberan un fotoelectrón que contribuye directamente a la corriente que fluye a través del diodo..
Los sensores de la cámara utilizan este último, ya que la tensión aplicada a la polarización inversa del diodo aumenta la capacidad de recolectar fotones al ampliar la región de agotamiento y reduce la probabilidad de recombinación debido a la mayor fuerza del campo eléctrico que separa los portadores de carga..
De repente perdido? Repasemos el funcionamiento de los fotodiodos que conforman el sensor en su cámara..
En lenguaje sencillo, cuando la luz incide en su sensor, excita el material. Esta excitación hace que una pequeña carga eléctrica fluya de una parte del sensor a otra. Cuando lo hace, podemos medir eso y convertirlo en una señal, que luego podemos convertir en una imagen..
Aquí está de nuevo en las especificaciones técnicas:
Un fotodiodo es esencialmente un diodo semiconductor normal, un dispositivo que permite el flujo de corriente eléctrica en una sola dirección, con la unión p-n expuesta a la luz. Esto permite que los fotoelectrones impacten la operación electrónica del dispositivo, es decir. hace que el sensor sea sensible a la luz.
Una unión p-n es una pieza de semiconductor dopado positivamente fusionado con una pieza de semiconductor dopado negativamente. El dopaje es la infusión de impurezas que donan o aceptan electrones para alterar la disponibilidad y la polaridad de carga en una pieza de semiconductor. Esta manipulación selectiva de la carga es la base de toda la electrónica..
Cerca del punto de unión en el semiconductor, los electrones en el lado dopado negativo son atraídos y tienden a difundirse hacia el lado dopado en positivo. Hay agujeros sin electrones dentro de la red del semiconductor, lo que resulta en una carga neta positiva. Los agujeros se tratan como partículas cargadas positivamente para propósitos generales. Estos también tienen una tendencia a difundirse en el lado dopado negativo.
Sin embargo, una vez que se han acumulado suficientes portadores de carga móviles (los electrones y los orificios) en cada lado, hay suficiente carga allí para generar un campo eléctrico que tiende a repeler la propagación de más portadores de carga. Se alcanza un equilibrio de carga. Los portadores difusores son iguales a los portadores repelidos en cada dirección..
Esta área equilibrada cerca de la unión es lo que se llama una región de agotamiento, donde hay una nube de electrones en el lado positivo dopado de la unión, y una nube de agujeros en el lado negativo dopado. Los transportistas se han agotado de sus posiciones originales y han creado una diferencia de carga, lo que resulta en un campo eléctrico, es decir. Potencial de voltaje incorporado. Esta es la base para un diodo. Un fotodiodo es esencialmente lo mismo, pero con una ventana transparente para permitir que los fotones lleguen a la región de agotamiento..
La polarización inversa del diodo amplía la región de agotamiento al superar el equilibrio de carga natural de la región de agotamiento y establecer una nueva, donde el campo eléctrico innato ahora debe ser lo suficientemente fuerte como para oponerse a la atracción, la difusión y también al campo eléctrico aplicado. Esto, por supuesto, requiere una región de agotamiento más grande que contenga más carga para generar un campo más fuerte.
Cuando un fotón de suficiente energía golpea y es absorbido por la red semiconductora, genera un par de orificios de electrones. Un electrón gana suficiente energía para escapar de la unión atómica de la red y deja un agujero. La recombinación puede ocurrir inmediatamente, pero en gran parte lo que sucede es que el electrón se tira en la dirección de la región con dopaje negativo y el orificio hacia la región con dopaje positivo..
A menudo, pueden recombinarse con otros portadores de carga en el semiconductor, pero idealmente, con una distancia de tránsito optimizada desde el fotosito al colector de electrodos (lo suficientemente corto como para evitar la recombinación, pero lo suficiente para maximizar la absorción de fotones) los portadores alcanzarán el electrodo y contribuirán La fotocorriente al circuito de lectura..
En pocas palabras, cuanto más se absorban los fotones, más cargadores de carga llegan a los electrodos y mayor es la lectura actual enviada al convertidor de analógico a digital de la cámara. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será la exposición recibida y más brillante será el píxel.
Como mencioné anteriormente, la ISO a menudo se mide utilizando la exposición requerida para saturar las fotositas. Acabo de explicar qué son los fotositos; La región de agotamiento dentro de los fotodiodos. Entonces, ¿cómo se saturan? Bueno, la cantidad de electrones disponibles para que los fotones se exciten no es ilimitada. Después de que se absorbe una cierta cantidad de energía luminosa, el semiconductor ha liberado la mayor cantidad de carga posible a los electrodos y ya no responde a una exposición adicional.
Fotográficamente, esta es la capacidad de pozo completo o el punto de recorte de resaltado. Por lo general, los fabricantes clasifican erróneamente sus sensores para mantener el espacio libre en los aspectos más destacados, lo que permite una recuperación de puntos destacados en RAW.
Según la norma ISO 12232, la ecuación para definir la velocidad basada en la saturación es S_ sat = 78 \ sobre H_ sat dónde H_ sat = L_ sat t. L_ sat es la iluminancia requerida para un tiempo de exposición determinado para alcanzar la saturación del sensor. El 78 se elige de tal manera que una superficie gris del 18% aparecerá exactamente 12.7% blanca.
Esto permite un espacio para resaltar en la clasificación final para que los reflejos especulares se salgan naturalmente y no como puntos en bloques. Esta clasificación es más útil para la fotografía de estudio donde la iluminación se controla con precisión y se requiere la máxima información..
La ISO define otra prueba de calificación que se usa menos pero que es más útil para escenarios del mundo real, que es la prueba de velocidad basada en el ruido.
Esta es una prueba bastante subjetiva, ya que la calidad de la imagen y los criterios de prueba son algo arbitrarios; las relaciones señal / ruido (S / N) utilizadas son 40: 1 para IQ "excelente" y 10: 1 para IQ "aceptable", según la visualización de una impresión de 180 ppp a 25 cm de distancia. La relación S / N se define como la desviación estándar de un promedio ponderado de los valores de luminancia y crominancia de múltiples píxeles individuales en el marco.
La desviación estándar es una forma de derivar matemáticamente la variación en los valores de los datos recopilados a partir del valor promedio o esperado. Es la suma de todas las diferencias al cuadrado, dividida por el número de puntos de datos en el conjunto, con raíz cuadrada. Esencialmente, un promedio de las desviaciones..
Fotográficamente, lo que esto significa es que los píxeles de prueba se promedian para encontrar el valor "esperado" de la señal luminosa. Luego, la desviación estándar define la distancia a la que se encuentran los píxeles de prueba individuales de este promedio. Suponiendo que los píxeles tienen un valor relativamente uniforme, esta desviación del promedio es el ruido, ya sea del sensor o de la electrónica de procesamiento..
La relación entre el valor promedio (señal) y la desviación estándar (ruido) es la relación S / N. Cuanto mayor sea esta relación, menos ruido habrá en la señal. Por ejemplo, para el "excelente" estándar de calidad de imagen de 40: 1, esto significa que en promedio, por cada 40 bits de señal de imagen, solo hay uno de ruido. La gran diferencia entre la imagen y el ruido es lo que crea la imagen limpia..
El ruido se puede introducir de varias maneras: saturación / corriente oscura en los fotodiodos, electrones aleatorios de liberación térmica en los fotodiodos o en la electrónica de procesamiento (ruido térmico), movimiento del portador de carga en la región de agotamiento de los fotodiodos (ruido de disparo) e imperfecciones en Estructura cristalina o contaminantes que resultan en capturas y liberaciones aleatorias de electrones (ruido de parpadeo).
El aumento en el ruido al aumentar la configuración de ISO en la cámara es el resultado de aumentar la ganancia de los preamplificadores entre el sensor y el convertidor A / D. La relación S / N se reduce necesariamente, ya que para producir una exposición "correcta" con alta amplificación, debe haber menos exposición. Menos exposición significa menos señal, por lo tanto, un ruido relativamente mayor como una fracción de ese nivel reducido.
Un ejemplo matemático simple; por ejemplo, en ISO 100, se logra una exposición correcta llenando un píxel particular hasta el 80% de la capacidad del pozo, y su relación S / N es 40: 1, por lo que +/- 2% de la lectura actual es inducida por ruido. El aumento de la ISO a 800 significa que los amplificadores están aumentando la señal en 8x, y por lo tanto, la exposición correcta se alcanza al 10% de la capacidad del pozo. El nivel de ruido de +/- 2%, sin embargo, sigue siendo el mismo y se amplifica junto con el nivel de señal. Ahora que la relación S / N 40: 1 se ha convertido en una relación 5: 1, y la imagen es inútil.
Puedes ver por qué es importante disparar con tanta exposición y con la menor amplificación posible. Los circuitos y la tecnología de sensores, así como los algoritmos de eliminación de ruidos, están mejorando constantemente; solo piense en la diferencia entre una toma ISO 800 de 2008 versus una toma ISO 800 de hoy. La mayoría de las imágenes ahora también se ven en tamaños relativamente pequeños en línea, y el cambio de tamaño también reduce el ruido.
Sin embargo, para propósitos de impresión en gran formato, puedes ver por qué es vital disparar con mucha luz y en la base ISO. De ahí también la máxima "exponer a la derecha", lo que significa obtener la imagen lo más brillante posible en el histograma sin resaltes de recorte. Eso no solo maximiza la cantidad de señal luminosa en comparación con el nivel de ruido razonablemente fijo de la electrónica de imagen, sino que la forma en que se digitalizan los datos significa que se puede almacenar más información en los puntos destacados que en las sombras..
Eso es todo, creo. Espero que este artículo sea de interés, posiblemente incluso para algunos de ustedes, y que no se haya perdido demasiado en los aspectos técnicos de la física del estado sólido.!
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