¿En qué influye el tamaño del sensor?
¿Es cierto que los sensores más grandes ofrecen más calidad de imagen? ¿En qué otros aspectos puede afectar el tamaño del sensor?
- Tamaño del sensor y calidad de imagen
- Tamaño de los objetivos
- Factor de recorte (ángulo de visión)
- Profundidad de campo
Tamaño del sensor y calidad de imagen
Cuando hablamos de calidad de imagen en este contexto nos referimos a cómo es de fiel esa imagen con respecto a la escena real.
Factores que influyen en la calidad de la imagen:
- Resolución y nitidez, que nos permite apreciar en la imagen detalles y texturas. La nitidez depende de otros factores, como la calidad óptica del objetivo, pero aquí hablamos del sensor exclusivamente.
- Color. Reproducir los colores de forma que sean cercanos a la realidad o que tengan una apariencia natural al ojo humano.
- Ausencia de artefactos. Los artefactos en un imagen son elementos que no existen en la escena real: ruido digital (granulado), bandas de color, aliasing (Moiré)…
En este apartado me voy a centrar en la parte de ruido y resolución, que tienen una relación más directa con la superficie de captación del sensor.
La información de la escena es transportada por la luz y captada por el sensor.
Debido a la naturaleza cuántica de la propia luz, esa información va acompañada de fluctuaciones o variaciones aleatorias que conocemos como ruido fotónico.
Además, la electrónica del sensor añade también pequeñas fluctuaciones que se suman a la señal: ruido térmico, ruido de lectura…
La información (que llamaremos señal) siempre está acompañada de ruido, siempre.
Lo importante es la relación entre el nivel de la señal (número de fotones) y el nivel de ruido.
Si la imagen se genera usando pocos fotones tendrá una relación señal a ruido baja: y el ruido será apreciable en la imagen en forma de granulado y artefactos de color.
Si la imagen se genera a partir de muchos fotones la relación señal a ruido será alta: el ruido no será apreciable, la imagen se verá limpia y con todos los detalles que permita la resolución del sensor y la ‘resolución’ óptica.
En lo que respecta al sensor, la calidad o fidelidad de la imagen está directamente relacionada con el número total de fotones que se utilicen para generarla.
Aunque hay otros muchos factores que intervienen, como la evolución tecnológica del sensor, en general hay una relación directa entre el tamaño del sensor y la calidad de imagen, ya que para unas determinadas condiciones de exposición, el número de fotones captados es proporcional a la superficie de captación total.
Umbral de percepción de ruido
A partir de un cierto valor de relación señal a ruido, la visión humana es incapaz de percibir el ruido en la imagen.
Eso quiere decir que por ejemplo una imagen con una relación señal a ruido de 40dB (da igual las unidades) se percibirá como una imagen perfecta, limpia, sin ruido. Y será indistinguible de una imagen con una señal a ruido de 50dB y de otra con una señal a ruido de 100dB.
Cuando hay mucha luz en la escena (sobra luz literalmente) todos los sensores modernos generan imágenes que superan ese umbral.
La imagen generada por un sensor pequeño tendrá una relación a ruido menor, pero como supera el umbral de percepción se verá limpia, sin ruido.
En esas condiciones, el ruido es despreciable en todos los casos y los sensores grandes no sacan partido de su rendimiento potencial. Podríamos decir que los sensores grandes ‘desperdician’ su potencial.
A medida que van empeorando las condiciones de luz, la relación señal a ruido bajará para todos los sensores: menos fotones, menor relación señal a ruido.
Pero en estas situaciones sí será perceptible la diferencia entre sensores.
Habrá un rango de situaciones, de condiciones de iluminación o de parámetros de exposición, en las que un sensor más grande seguirá generando imágenes con una relación señal a ruido por encima del umbral de percepción (gran calidad) mientras que sensores más pequeños ofrecerán una relación señal a ruido por debajo del umbral (percepción de ruido)
Y si las condiciones de iluminación son muy malas o hay alguna limitación por el tiempo de exposición (siempre la hay a efectos prácticos) todos los sensores ofrecerán imágenes por debajo del umbral, pero el ruido será mucho más perceptible en las imágenes de los sensores pequeños.
La idea fundamental es que las diferencias entre sensores de diferente tamaño sólo son realmente apreciables en esas situaciones complicadas.
Y también debes tener en cuenta que las diferencias son graduales y en muchos casos sutiles.
Resolución y tamaño de celda
Lo que he comentado sobre la superficie total de captación del sensor aplica de forma similar a la superficie de captación de cada celda o fotosito.
A igualdad de condiciones de exposición, celdas más grandes captarán más fotones y generarán un ‘punto’ con mayor relación señal a ruido, con mayor precisión tonal.
El tamaño de celda también está relacionado con el rango dinámico teórico que es capaz de captar el sensor.
Por otro lado, dado un tamaño de sensor: celdas más grandes implican una resolución menor.
La resolución del sensor nos va a permitir captar detalles más finos de la escena (si la óptica lo permite)
Vemos que hay dos parámetros contrapuestos: mayor resolución implica celdas más pequeñas, celdas más grandes implican una resolución menor.
A la hora de diseñar un sensor se busca un equilibrio entre resolución y tamaño de celda. Esto dependerá del uso principal y de otros muchos factores.
Los sensores más grandes permiten más margen de maniobra: pueden ofrecer más resolución manteniendo un determinado tamaño de celda.
Resumen: tamaño del sensor vs calidad de imagen
Sensores más grandes tienen el potencial de conseguir imágenes con más calidad. Pero ese potencial sólo se va a apreciar y va a ser realmente efectivo cuando las condiciones de luz no son óptimas.
A igualdad de tamaño entre sensores, los sensores con menor resolución (celdas más grandes) pueden tener un mejor comportamiento.
Como la resolución también es un parámetro de calidad de imagen, en la mayoría de los casos se busca un equilibrio entre resolución y comportamiento con respecto al ruido.
Aquí tienes una explicación más detallada de la relación entre tamaño del sensor y calidad de imagen.
Tamaño de los objetivos
Los objetivos están formados por una combinación de lentes.
Uno de los parámetros más importantes del objetivo es su distancia focal.
Las distancias focales cortas se corresponden con ángulos de visión muy amplios (encuadre muy abierto).
Las distancias focales largas se corresponden con ángulos de visión muy estrechos (encuadres muy cerrados que solemos percibir como un aumento o ampliación de objetos lejanos)
Otro parámetro importante es la apertura, la relación entre el diámetro del objetivo y su distancia focal.
Y por otra parte está el área que tiene que cubrir la proyección de la imagen sobre el sensor. La luz que llega a través del objetivo tiene que cubrir un círculo que incluya toda la superficie del sensor.
Los objetivos se tienen que diseñar siguiendo una determinada geometría óptica.
La combinación de distancia focal, apertura máxima y círculo de proyección determinará el tamaño de los elementos ópticos y el tamaño del objetivo en su conjunto.
Cuanto mayor es el sensor, mayor es el área de proyección y mayor es el objetivo en general.
Como regla general: sensores más grandes necesitan objetivos más grandes.
Hay que tener en cuenta además que el precio de los objetivos no escala de forma lineal con su tamaño.
El precio de los objetivos diseñados para sensores más grandes suele ser bastante mayor. Hay otros factores que influyen en el precio, pero digamos que todos van en el mismo paquete.
Elegir una cámara con sensor más grande implica (en general) que la inversión en objetivos será comparativamente más alta.
Factor de recorte (ángulo de visión)
Aquí tienes más información para entender qué es y por qué se utiliza el factor de recorte.
La idea es que el tamaño del sensor afecta al encuadre (al ángulo de visión efectivo).
Dos cámaras con el mismo objetivo (distancia focal idéntica) pero con sensores de distinto tamaño generarán imágenes con diferente ángulo de visión de la escena.
Es como si la cámara con sensor más pequeño estuviera utilizando en realidad un objetivo con una distancia focal más grande.
Usar esta distancia focal equivalente nos permite estimar el ángulo de visión cuando utilizamos diferentes cámaras, con diferentes sensores.
Para calcular la distancia focal equivalente se utiliza un factor de multiplicación que se conoce como factor de recorte. Cada tipo de sensor (tamaño) tiene un factor de recorte diferente.
El sensor Full Frame (o la película de 35mm) es el que se toma como referencia. Su factor de recorte es 1
Sensores más pequeños tienen un factor de recorte mayor que 1. Por ejemplo:
Sensor APS-C: 1.5x
Sensor APS-C de Canon: 1.6x
Sensor M 4/3: 2x
Sensor de 1 pulgada: **2.7x
**Sensor de 1/2.3 pulgadas: **5.6x
**Sensor de 1/2.55 pulgadas: 6x
Como el factor de recorte se suele usar para multiplicar, se le llama también factor de multiplicación (de la distancia focal).
Profundidad de campo
La profundidad de campo tiene que ver con el enfoque.
Para entenderlo de una manera sencilla:
- Coloca el pulgar de tu mano a unos 2 palmos de tus ojos y fija la vista en el dedo.
- Verás que el dedo aparece nítido, enfocado. Pero el fondo, lo que está más separado del dedo aparece desenfocado, se ve como borroso, sobre todo si está muy alejado de ti.
- Ahora coloca el pulgar de la otra mano, en la línea de visión, pero más cerca de tus ojos, a menos de 1 palmo.
- Este dedo también se ve borroso, desenfocado.
- Ahora ve acercando este pulgar que está más cerca al otro pulgar que estabas enfocando. Llega un momento en que los dos pulgares se ven más o menos igual de nítidos
Es decir, hay una zona, un rango de distancias entre tu ojo y el objeto que estás enfocando (por delante y por detrás de ese objeto) en las que otros objetos también se verían nítidos.
Objetos que estén más allá de esa zona (hacia el fondo) se empezarán a ver más borrosos, menos nítidos.
Y lo mismo ocurre con objetos que estén más cercanos a nosotros, fuera de esa zona de nitidez.
Al rango de distancias en que vemos nítidos los objetos se le llama profundidad de campo.
Qué influye en la profundidad de campo:
- La distancia entre la cámara y el sujeto al que estamos enfocando
Cuanto más cerca esté la cámara del sujeto, menor será la profundidad de campo - La distancia focal del objetivo que estemos usando
Cuanto mayor sea la distancia focal menor será la profundidad de campo - La apertura del diafragma del objetivo
Cuanto mayor sea la apertura (diámetro de entrada de luz) menor será la profundidad de campo
El tamaño del sensor y su resolución influyen de forma directa pero muy poco.
Lo que ocurre en la práctica es lo siguiente:
Imagina que tenemos 3 cámaras. Cada una de ellas con un sensor diferente. Por ejemplo, un sensor Full Frame, un sensor APS-C (factor de recorte 1.5x) y un sensor M4/3 (2x)
En todas las cámaras montamos un objetivo de 50mm de distancia focal. Y en todos los objetivos abrimos el diafragma a la misma apertura, por ejemplo f/1.8
Ahora colocamos a una persona en la escena para hacer un retrato.
Queremos comparar las fotos de las tres cámaras, por lo tanto queremos el mismo encuadre de la persona.
Como cada combinación de cámara (sensor) y objetivo ofrece un ángulo de visión diferente, cada fotógrafo se tendrá que colocar a una distancia diferente del modelo.
El fotógrafo con la cámara Full Frame se tendrá que colocar más cerca. El de la cámara APS-C un poco más lejos. Y el de la cámara Micro 4/3 más lejos del modelo.
En la imagen de la cámara Full Frame la profundidad de campo será más pequeña. Se apreciará el fondo más desenfocado.
La cámara APS-C dará una imagen con una profundidad de campo algo mayor.
Y la cámara M4/3 una profundidad de campo un poco mayor que la APS-C
La conclusión es que a efectos prácticos (no de forma directa, sino por el tipo de encuadre que queremos conseguir) el tamaño del sensor influye en la profundidad de campo.
Con un sensor grande nos resultará más sencillo conseguir fondos desenfocados, que puede ser un recurso útil en fotografía de retrato por ejemplo, para destacar a la persona y quitar protagonismo al fondo.
Por otra parte, con un sensor pequeño nos será más fácil conseguir una gran profundidad de campo. Por ejemplo para fotografía de paisaje, que queremos que todo esté perfectamente nítido.
