Como señalamos en la primera parte de este artículo, los niveles de rendimiento de muchas cámaras de cinematografía digital con respecto a la relación señal/ruido vienen indicados en decibelios (dB) por parte de los fabricantes. Su objetivo es poder comparar el ruido base en negros con la máxima potencia de la señal.

Ejemplo de ruido en bajas luces ("Collateral", 2004)
Fotograma de «Collateral» (Michael Mann, 2004) , película en la que sus directores de fotografía (Dion Beebe y Paul Cameron) emplearon el abundante ruido en bajas luces para añadir tensión y dureza a la narración.

Es esencial definir cuál es el nivel de ruido aceptable en una escena en el extremo más bajo de tal escala para comprender en su totalidad el rango dinámico de un sensor. Resulta mucho más fácil definir el extremo superior de la ecuación señal/ruido. Aprender a identificar en un monitor forma de onda el punto en que las altas luces carecen de información (clipping) porque los fotodiodos han llegado al máximo de capacidad es sencillo e intuitivo.

Ejemplo de clipping en altas luces ("Lucía y el sexo", 2001)
Fotograma de «Lucía y el sexo» (Julio Medem, 2001) , película en la que su director de fotografía (Kiko de la Rica) llevó a extremos el clipping en altas luces para enfatizar el carácter pseudo-onírico de la narración

Problemas de ruido cuando el rango dinámico es más reducido

El ruido es inherente al sistema de captación de cualquier cámara digital. Dentro de una imagen estable y sin cambios aparentes se muestra como el único elemento molesto y variable a pesar de que suele seguir un patrón más marcado. En el caso de las emulsiones fotoquímicas también  existe una estructura granulosa inherente, pero el patrón de dicha estructura es aleatorio. Por eso, si se expone y procesa de manera correcta, no llama tanto la atención como el ruido electrónico. Cuando este último es excesivo, distrae la atención del espectador de la historia que se pretende contar. Se interrumpe así la imprescindible suspensión de la incredulidad de la narrativa con lo que en lugar de involucrarnos en la trama nos da la sensación de estar padeciendo una campaña electoral.

Por lo general, el ruido se nota más en la parte más oscura de la escala tonal y en ocasiones puede ser muy difícil –cuando no imposible– remediarlo en postproducción. Hay varios fenómenos básicos que contribuyen a la aparición de ruido en las cámaras digitales.

Ruido de patrón fijo, ruido termal, ruido de lectura y ruido de fotón

Ruido de patrón fijo
Ruido de patrón fijo

Llamamos ruido de patrón fijo a una evidente falta de uniformidad en la salida de imagen de un sensor. Los fotodiodos presentan variaciones de sensibilidad y rendimiento que tienen como consecuencia una ausencia de consistencia en la salida de señal. Estas variaciones se incrementan cuando no contamos con iluminación externa.

Espectrómetros Sekonic Spectromaster C700 y C700R
Espectrómetros Sekonic Spectromaster C700 y C700R

Tal desviación en la salida de imagen de un fotodiodo con respecto a la media del sensor se verifica por medio de la comparación entre el conjunto de muestras tomadas por un espectrómetro –cuando no hay luz y dado un tiempo de integración determinado– y los valores de longitud de onda de la escena. Su denominación tradicional es falta de uniformidad en el espectro oscuro (o en la señal oscura). Se produce por la reacción individual de cada fotodiodo a la temperatura y al tiempo de integración. Los fotodiodos se comportan con respecto a la energía calorífica y a la infrarroja como si fuera luz. La circuitería que rodea al sensor contribuye a generar un nivel base de ruido por medio del calor que genera (efecto Joule).

Ejemplo de condiciones de frío extremo para la cámara ("El renacido", 2015)
Fotograma de «El renacido» (Alejandro G. Iñárritu, 2015) , ejemplo de rodaje en condiciones climatológicas de frío extremo para una cámara de cinematografía digital.

Cualquier cámara generará un nivel base de ruido diferente cuando funcione en entornos muy fríos y cuando lo haga en entornos muy cálidos. Es muy importante realizar con frecuencia un balance de negros en aquellas cámaras que lo permiten. Algunas lo aplican de forma automática, estableciendo una corrección de campo fotograma por fotograma. Como el ruido de patrón es consistente entre un fotograma y el siguiente, la captura de una imagen con el obturador cerrado puede emplearse para sustraer el negro resultante de la siguiente imagen tomada con idénticos valores salvo el de obturación (sustracción de fotograma oscuro o dark frame subtraction). A menudo esta técnica también sirve para corregir pixeles atascados o pixeles calientes.

Ejemplo de condiciones de calor y humedad extremas para la cámara ("Mad Max: Furia en la carretera", 2015)
Fotograma de «Mad Max: Furia en la carretera» (George Miller, 2015) , ejemplo de rodaje en condiciones climatológicas de calor y humedad extremas para una cámara de cinematografía digital.

Tomando estas imágenes con el mismo tiempo de exposición y a la misma temperatura de operación es posible identificar el patrón medio del ruido termal. El patrón que se obtiene con este procedimiento consiste en su mayor parte en la suma del ruido termal y del ruido de lectura de patrón fijo. Al sustraerlo de la imagen final reduciremos los efectos del ruido termal de forma notable.

Ruido de lectura
Ruido de lectura

La salida de señal de los fotodiodos también puede variar en situaciones en las cuales reciben una idéntica cantidad de luz. Si esta respuesta no es uniforme es porque existen diferentes niveles de sensibilidad entre un fotodiodo y otro. O bien porque el rendimiento de los amplificadores anejos a cada fotodiodo es inconsistente. El fenómeno es conocido como ruido de lectura o ruido parcial. Se incrementa cuando se producen variaciones en el voltaje o en la corriente en los circuitos de cámara. También cuando se produce inductancia electromagnética –aquella propiedad que ostentan los circuitos eléctricos por la cual se produce una fuerza electromotriz una vez que existe una variación en la corriente que pasa– ya sea por el propio circuito o por otro próximo a él. El ejemplo clásico de inductancia puede producirse al situar un walkie-talkie cerca de la cámara. Todas las cámaras profesionales de cinematografía digital incorporan aislamientos electromagnéticos entre sus componentes electrónicos internos. Para abaratar costes, es común que se prescinda de los mismos en las versiones de prueba y prototipos que se muestran en lanzamientos y ferias. Es uno de los principales motivos –aunque no el único– por el que los periodistas especializados y los beta testers debemos ser extremadamente cautos a la hora de valorar el comportamiento de una cámara que no es el producto terminado que se venderá a posteriori.

Los circuitos electrónicos analógicos son vulnerables al ruido. En la etapa de conversión de la señal de analógica a digital es cuando dicha señal es más pequeña (tanto en sensores CCD como CMOS). Es entonces cuando el movimiento aleatorio de los electrones en los transistores –que amplifican la señal analógica para su muestreo– genera ruido. En este caso, no depende del nivel de la señal que se amplifica sino de cómo están diseñados los componentes electrónicos de esa placa.

Ruido de fotón
Ruido de fotón

Las cámaras digitales graban imágenes de manera muy estricta y metódica. Cuando reciben una cantidad exacta de luz, procuran presentar como resultado un voltaje preciso. Sin embargo, en determinadas circunstancias lumínicas (cuando la cantidad de luz que llega al sensor varía de forma aleatoria y minuciosa entre un fotograma y otro) los cambios en los valores de cada fotodiodo pueden provocar la aparición de otro tipo de ruido. Se le conoce como ruido de fotón o ruido de Poisson. Las sutiles variaciones en el número de fotones que llegan desde los objetos filmados producen cambios en el voltaje que generan los fotodiodos que obtienen muestras de esos fotones. Estos cambios se producen según un factor bastante constante.

Los fotones que llegan al sensor pueden diferir de forma aleatoria produciendo un ruido de fotón también aleatorio. El porcentaje de ruido tiende a ser mayor cuando los niveles de luz son inferiores. Cuando se capta un objeto muy oscuro con respecto a la escena general la variación entre los fotones es más significativa en comparación con la totalidad de la señal de la que se están extrayendo muestras. Pero cuando ese objeto es más brillante, la misma variación estadística resulta mucho menos significativa. Por eso las áreas más oscuras de la imagen son más susceptibles de presentar ruido de fotón que las áreas brillantes.

En nuestra siguiente entrega, analizaremos que factores elementales debe tener en cuenta el director de fotografía a la hora de exponer las imágenes según sus propósitos.

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