En nuestra anterior entrega incidimos en los tipos de ruido electrónico y en el hecho de que suelen ser más aparentes en las zonas de la imagen más oscuras. Veamos a continuación qué sucede en las áreas de altas luces e incidamos en los conceptos más básicos que es obligatorio conocer a la hora de exponer según nuestras necesidades.

Manejo de las altas luces

"Días de Cielo" (Terrence Malick, 1978)
Fotograma de «Días de Cielo» (Terrence Malick, 1978); película en la que el extraordinario trabajo de Nestor Almendros como director de fotografía incluía planos en los que las áreas de altas luces y los contraluces llegaban al extremo de forma muy natural.

El control del margen adicional en las áreas de la imagen con gran intensidad de luz puede resultar complejo en primera instancia. Por simplificar, comenzaremos recordando que la mayoría de las películas que se han filmado en la historia del cine emplearon una emulsión fotoquímica negativa como formato de captación. Dicho negativo soporta muy bien las sobreexposiciones. Las peculiares características de la captación digital recuerdan más en muchos casos a las de la película reversible en color, tipo Ektachrome. La tendencia en ese caso es la de perder detalle en las altas luces mucho antes dentro del ciclo de exposición. No obstante, la impresión fotoquímica y la captura digital emplean modos muy diferentes de obtención del color y la saturación en la exposición.

Ektachrome E100G y E100GX
Curvas características, de sensibilidad espectral y de densidad de colorantes de las películas Ektachrome E100G y E100GX de Kodak

Hoy en día cualquier director de fotografía necesita aprender a exponer correctamente con cámaras digitales. En la práctica es preciso dominar las herramientas de medición de la exposición. Conocer lo distintos problemas posibles que presenta la parte superior del rango dinámico en un sistema de captación digital frente a los de una emulsión fotoquímica, es esencial.

Factor de relleno

Cuando un fotodiodo alcanza su punto máximo de saturación (clipping) no admite mayor cantidad de luz. Los fotones que alcancen dicho fotodiodo a partir de ese instante –durante el mismo ciclo de acumulación– rebotarán y caerán en los fotodiodos adyacentes provocando la aparición de zonas sobreexpuestas que no se pueden reducir (ni en tamaño ni en color) durante la postproducción.

Definimos el factor de relleno como la proporción entre la máxima potencia que es posible alcanzar con un fotodiodo y su máxima potencia teórica (que no se puede alcanzar). Por ejemplo, si el factor de relleno de un sensor es superior a un 80% se deduce que menos de un 20% de la superficie de dicho sensor está ocupada por circuitos y elementos mecánicos destinados a extraer la carga eléctrica de los fotodiodos. El calculo de la potencia máxima real y del ruido resultante está directamente relacionado con el número de fotones recogidos en cada fotodiodo y con el proceso matemático mediante el cual esa proporción se convierte en información de color.

"Antes que el diablo sepa que has muerto" (Sidney Lumet, 2007
Fotograma de «Antes que el diablo sepa que has muerto» (Sidney Lumet, 2007), rodada con Panavision Genesis; película excelente en la que el proceso muy intenso de Digital Intermediate (DI) produjo la aparición de muaré en una gran cantidad de escenas

También está asociado al límite de resolución Nyquist en sensores digitales. Cuanto más bajo sea el factor de relleno de un sensor mayor tendencia presentará a la aparición de problemas de aliasing más allá de la frecuencia Nyquist de dicho sensor. El aliasing espacial y el muaré ocurren por encima del límite Nyquist y hay que filtrarlos para prevenir la aparición de notables artefactos en la imagen. Las peculiaridades de la grabación de cine digital hacen imposible, por ahora, la eliminación del filtro de paso bajo, como se hace con algunas cámaras fotográficas. Ningún software de postproducción es capaz de eliminar los artefactos resultantes en imágenes en movimiento 24, 25, 30, 50, 60, 120 o 240 veces por segundo.

Microlentes
Trama de microlentes observadas a través de microscopio electrónico

El factor de relleno de los sensores CCD suele variar entre un 80% y un 90%. El de los sensores CMOS es mucho más bajo. Ronda el 30%. El porcentaje se incrementa cada vez más gracias a las constantes mejoras en la reducción de tamaño de los transistores por medio de nuevas técnicas de fabricación muy eficientes. La capacidad máxima de los fotodiodos de sensores modernos oscila por regla general entre los 10.000 y los 200.000 fotones. Su número influye de forma decisiva en la elaboración del mapa de datos para transformarlos en valores de codificación digital. Las microlentes ayudan a capturar luz que de otro modo se perdería en los espacios ocupados por la circuitería del sensor. Al dirigir esa luz hacia los fotodiodos se incrementa el factor de relleno.

Arquitectura de las microlentes en un sensor de captación digital
Arquitectura de las microlentes en un sensor de captación digital

Sensibilidad

"El gato y el violín" (William K. Howard/Sam Wood, 1934)
Fotograma de «El gato y el violín» (William K. Howard/Sam Wood, 1934), primer musical comercial que incorporó una secuencia en color filmada con el sistema Technicolor de tres colores, con una emulsión con un valor de sensibilidad de ASA 5 .

La sensibilidad y la clasificación ISO/ASA son dos factores muy importantes en cualquier cámara de cine moderna. Su evolución ha sido constante desde los días del sistema tricrómico de Technicolor que comenzó presentando un valor ASA de 5 (no, no nos hemos dejado ningún cero). En aquellos días era imprescindible llenar por completo un plató enorme con las mayores lámparas de arco disponibles, que usaban electrodos de carbón. Como consecuencia, los actores padecían a menudo de conjuntivitis crónica y queratitis y comenzaron a llevar gafas de sol en los estrenos aunque fuera de noche (con el fin de evitar la fotofobia que les producían los reflectores colocados en la alfombra roja).

Lámpara de arco de carbón
Lámpara de arco de carbón de la 20th Century Fox fabricada en 1935.

En la actualidad un director de fotografía puede iluminar ciertas escenas con la luz de velas o con prácticos estratégicamente situados para imitar a fuentes de luz presentes en el plano. Es plausible filmar exteriores de noche empleando casi exclusivamente la iluminación real ambiente. Los fabricantes de película han invertido en todo este tiempo miles de millones en investigación y desarrollo. Se han producido emulsiones de alta calidad con valores ISO muy altos, grano muy fino, reproducción vívida de los colores y negros intensos, pero con textura. La película ha elevado el listón a gran altura en lo que respecta a la calidad de imagen. En la última década, las cámaras de cine digitales han alcanzado un nivel en el que su tecnología excede las capacidades de aquella.

"Barry Lyndon" (Stanley Kubrick, 1975)
Fotograma de «Barry Lyndon» (Stanley Kubrick, 1975) que muestra una de las míticas secuencias filmadas por John Alcott a la luz de las velas para evocar las pinturas del siglo XVIII de Thomas Gainsborough. El rodaje con tan poca luz fue posible gracias al uso de una óptica Zeiss F/0.7 fabricada originalmente para la NASA y modificada con un adaptador Kollmorgen

El concepto de sensibilidad alude a la habilidad de capturar el detalle que deseamos obtener dada la iluminación específica de una escena. Tradicionalmente ha sido denominado también como velocidad de la película. Uno de los aspectos más elementales del diseño de una cámara es el de igualar la sensibilidad del captor con la iluminación de la escena.

Los sensores de silicio capturan información de la imagen gracias a su capacidad para convertir luz en energía eléctrica por medio del efecto fotoeléctrico. Los fotones incidentes incrementan la energía en el entramado de silicio expulsando a los electrones del núcleo para generar una carga de señal eléctrica en forma de pares de huecos de electrones.

La sensibilidad del sensor depende del tamaño del área fotosensible. Cuanto mayor es el tamaño de un fotodiodo mayor número de fotones por unidad de tiempo puede recoger. Asimismo, depende de la eficiencia cuántica de la conversión fotoeléctrica. Tanto el diseño de los fotodiodos como las longitudes de onda de la luz afectan a tal eficiencia. Las estructuras insensibles ópticamente del fotodiodo pueden absorber luz (pérdida por absorción). El silicio refleja de manera natural ciertas longitudes de onda (pérdida por reflexión). Pero las longitudes de onda muy cortas y las muy largas pueden atravesar la capa fotosensible de un fotodiodo sin generar electrones (pérdida por transmisión). No basta con la generación de carga eléctrica a partir de electrones. La sensibilidad requiere que el captor pueda manejar y medir la señal creada sin perderla ni ocultarla con ruido.

ISO, ASA e índice de exposición (EI)

Norwwod Director modelo B (foto cortesía de Anssi Puisto)
Podemos apreciar el índice ASA en este modelo B de fotómetro de Norwood Director, creado por Donald W. Norwood con la ayuda del director de fotografía Karl Freund (foto cortesía de Anssi Puisto).

Aclaremos para empezar esta sopa de acrónimos, que provoca dolor de cabeza la primera vez que se habla de ella. La escala aritmética de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO) se corresponde con la de la antigua Asociación Estadounidense de Estandarización (ASA), denominada ahora Instituto Estadounidense de Estandarización Nacional (ANSI). Según esta escala, cuando se dobla la sensibilidad de una película (reduciendo a la mitad la cantidad de luz necesaria para exponerla) se indica doblando también el valor numérico que designa la velocidad de la misma.

Sede del DIN en Berlín
Sede del Instituto de las Deutsche Industrie Normen (DIN) en Berlín

Pero aún no hemos terminado con las siglas. La escala del índice de exposición logarítmico de la ISO se corresponde a su vez con la del antiguo Instituto Alemán para la Estandarización (DIN). En este caso, cada vez que una película duplica su velocidad se indica añadiendo tres grados al valor que designa tal velocidad. Por ejemplo, una película clasificada ISO 200/24º es el doble de sensible que una clasificada ISO 100/21º. Por regla general se omite el valor del índice de exposición logarítmico y se proporciona el del índice de exposición aritmético. Por ese motivo, el valor de ISO que siempre se menciona es –en cuanto a su denominación– idéntico al del antiguo ASA. Aunque el lector acaba de perder unos segundos preciosos de vida leyendo los últimos dos párrafos para llegar a una conclusión –con toda probabilidad– ya había alcanzado por su cuenta, al menos ya sabe de dónde viene este histórico desaguisado de nomenclaturas.

El concepto de ganancia se refiere a la proporción de la amplificación de la señal eléctrica procedente del sensor y que se dirige al conversor analógico-digital. En los sistemas de captación digital se alcanza una relación entre la saturación de los fotodiodos y los valores codificados resultantes mediante la amplificación de la ganancia de la señal analógica del sensor. La relación entre los datos que proporciona el sensor y la luminosidad de la imagen final es, en cierto sentido, arbitraria. Depende de muchos factores seleccionados para la interpretación de la información del sensor dentro de un espacio de color para la imagen, tal como el RGB.

Numerosos elementos contribuyen a incrementar la clasificación ISO del sensor. La mayor capacidad de los fotodiodos individuales y un factor de relleno elevado ayudan en términos generales a reducir el ruido de base. El fabricante se puede permitir entonces añadir ganancia para tener una salida de señal superior. Se dedica gran esfuerzo y potencia de procesado a los procedimientos de reducción de ruido y a la sustracción de fotograma oscuro para agregar también una mayor sensibilidad. Se especifica un valor de índice de exposición tal que los archivos de imagen RGB que produce la cámara tengan un brillo similar al que se obtendría con una emulsión con idéntico índice y la misma exposición. Todo ello manteniendo los niveles de ruido en valores aceptablemente bajos.

Resulta usual que los parámetros de cámara que se usan para interpretar los datos del sensor en el espacio RGB estén fijados. Para acomodar diferentes elecciones de EI se modifica la ganancia de la señal en la etapa analógica del proceso, antes de tomar muestras de dicha señal y codificarla en lenguaje binario. Dependiendo del modelo, las cámaras permiten elegir el EI ajustando la ganancia de señal del sensor dentro del universo de la captura digital. Unas cuantas proporcionan ajustes a través de la elección de parámetros de luminosidad para la interpretación de los datos dentro del espacio RGB. Esta variación permite compensar la gama de altas luces alcanzable con respecto a la cantidad de ruido que introducimos en las áreas más oscuras de la imagen. Cada escena requerirá de su propio equilibrio según la traducción visual que se pretenda realizar del guión. El trabajo del director de fotografía no ha cambiado ni un ápice en ese sentido pero su libertad de movimientos es mayor de lo que nunca ha sido a lo largo de la historia del cine.

Sensor ALEV III
Sensor ALEV III listo para su ensamblaje (foto cortesía de Jon Fauer. Film & Digital Times)

Conclusiones

Las cámaras de cinematografía digital han sobrepasado a la emulsión fotoquímica en términos de sensibilidad a la luz. Los procesadores cada vez más rápidos en conjunción con los avances en las técnicas de reducción de ruido por software incorporado a cámara mejoran día a día el comportamiento en tiempo real. La sustracción de fotograma oscuro y la disminución de artefactos son consecuencias claras de este desarrollo ininterrumpido. Lo que no hace mucho hubiera requerido de hardware carísimo y prohibitivo, así como de tiempos de postproducción eternos se ha convertido en la norma. La actual generación de cámaras procesa en el momento en que se capta la imagen y los directores de fotografía crean y almacenan imágenes con cada vez mayor intervalo tonal.

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