Sensores

[Antimonite]

He encontrado una forma fácil de obtener información sobre los sensores a partir de las fotografías RAW de Imaging-Resource ya que incluyen una escala de grises de Gretag-Macbeth

La iluminación controlada y homogénea de las tomas permite realizar con bastantes garantías una medida de la señal y del ruido en una escala natural ( Munsell) de luminosidad con seis tonos de gris, en la que el valor 5 corresponde al medio (18%).

 

Para la lectura de los datos he utilizado el programa Rawnalize. Desgraciadamente su autor Gabor Schorr, muy conocido en todos los foros internacionales de fotografía ( Gaborsch, Panopeeper, Panoholic), ha fallecido recientemente y ya no existe su página WEB. Desde aquí rindo mi más sincero homenaje a este canadiense amante de la fotografía que ofrecía desinteresadamente sus conocimientos ( que no eran pocos). La última versión de su programa todavía se puede descargar aquí.

 

Los modelos de cámaras que he analizado son:

 

D3s, D3x, D700, Canon 5D Mark II, D300s, Sony A55, Canon 7D y Canon 1D Mark IV.

 

Las fotografías:

 

D3ShMULTII000200.NEF, D3XhMULTI0100.NEF, D700hMULTII00100_NR_NORM.NEF, E5D2hMULTII00100.CR2, D300ShMULTII0200.NEF, AA55LL001004.ARW y E7DhMULTII00100.CR2.

 

El ruido está formado por el de disparo, que es proporcional a la raíz cuadrada de la señal (distribución tipo Poisson) y el resto ( lectura, térmico) que dependen de las condiciones de disparo. Si represento el cuadrado del ruido( varianza) frente a la señal, debo obtener una línea recta porque el de lectura y térmico son constantes en una única fotografía si la reducción de ruido del sensor no varía con el nivel de señal. El inverso de la pendiente de las rectas representa la cantidad de electrones captados por el sensor por unidad RAW ( ADU Analog Digital Unit)

 

El pantallazo de debajo muestra en detalle de la toma de datos de la D700 en el gris medio. Al canal verde le corresponde una señal media de 320 y una desviación típica 5,13. El cuadro de selección (en rojo) se desplazará por la escala de grises para tomar el resto de valores. Las fotografías han sido previamente convertidas al formato DNG porqué da explícitamente los puntos negro ( offset) y blanco ( saturación) a Rawnalyze. En este caso para la D700 Black point 0 y White point 3972 ADU. Por ejemplo la Sony A55 tiene a 14 bits el punto negro en 512 y el blanco en 16.300 ADU.

 

 

Representamos en el gráfico que sigue la varianza ( cuadrado del ruido) frente a la señal media linealizada obtenida restando el offset y dividiendo por cuatro los valores si están a 14 bits para pasarlos a 12 bits. He añadido en punteado unas líneas rectas de referencia para los rendimientos cuánticos ( electrones/ ADU).

 

 

I Rendimiento Cuántico

Como podéis ver, hasta el gris medio ( tercer punto) todas las curvas son aproximadamente rectas y nos permiten medir su pendiente y el rendimiento cuántico a su ISO nominal:

 

D3S= 17,2 electrones/ADU; D700= 13,8; Canon 1D Mark IV =13; Canon 5D Mark II= 12,7; D3x= 11,5; Sony A55= 7; 7D= 5,8; D300s= 5.

 

Estos valores con 14 bits quedarían reducidos a:

D3s= 4,3; D700= 3,4; 1D Mark IV= 3,3; 5DmarkII= 3,2; D3x= 2,9; A55= 1,7, 7D= 1,4; D300s= 1,2.

 

Al subir el ISO reducimos el tiempo de exposición y con el los electrones en la misma proporción. Cuando la resolución cae por debajo de 1 electrón/ ADU ya no obtenemos ninguna ventaja con los 14 bits. El límite en este sentido sería:

 

D3s ISO 860; D700 ISO 680; D3x ISO 580; Canon 1D Mark IV 330; Canon 5D MarkII ISO 320; D300s ISO 240; A55 ISO 170; Canon 7D ISO 140;

 

 

También podemos observar en el gráfico que más allá del tercer punto ( gris medio) la respuesta está alterada por la reducción de ruido del sensor, que cambia con el nivel de la señal. En general el sistema de reducción de ruido consiste en un doble muestreo: se lee el valor del transistor de salida dos veces, una antes de descargar el fotodiodo y otra después. Ello permite restar el nivel de señal “residual” que se produce cuando la duración del “reset” no es suficiente para su puesta a cero. Como el tiempo para un reset completo es largo y puede ralentizar la velocidad de las ráfagas, parece que los fabricantes ajustan su valor al mínimo necesario para los medios tonos mientras que en intensidades superiores admiten la dispersión consecuencia del proceso de resta de una magnitud variable que se produce en el doble muestreo ( Correlated Double Sampling). Ello es perfectamente lógico en valores donde el ruido deja de ser significativo. Sólo la D3s ha mejorado tanto el proceso de doble muestreo que apenas aparece variación, lo que da una limpieza excepcional a sus fotografías en cualquier tono.

 

II Rendimiento Luminoso

 

Las eficiencia cuántica, multiplicada por la señal en el gris neutro nos da el numero de electrones capturados por cada fotodiodo y obtenemos el valor por unidad de superficie si multiplicamos por la densidad ( fuente DPReview). Por ejemplo para la D700 tenemos:

 

Señal media 320 ADU/Píxel; eficiencia 13,8 electrones/ADU, densidad 1,4 mPíxels/cm2 y por lo tanto tenemos 6.171 millones de electrones por cm2.

A ISO 200 en el gris medio llegan 20.300 millones de photones por cm2 por lo que sólo el el 30% de la luz que ilumina el sensor se convierte en electricidad.

 

Este cálculo repetido para todos los modelos, teniendo en cuenta que a ISO 200 llega la mitad de luz ( para igualar los modelos a ISO 100), nos da el gráfico siguiente.

 

 

Aquí vemos que el rendimiento disminuye con el tamaño del píxel como era de esperar. En mi opinión este es el mejor gráfico para juzgar la calidad relativa de un sensor.

 

III Relación señal/ ruido

 

El gráfico siguiente muestra la relación señal ruido en decibelios para cada la escala de grises con el ISO 200:

 

 

IV Rango dinámico

 

El rango dinámico no se puede deducir ya que la extrapolación para detectar el valor en el que SNR = 0 es demasiado grande y una variación de dos unidades a 12 bis es un EV.

 

Lo que si se puede calcular con bastante precisión es el margen en EV desde el gris medio hasta la saturación del sensor en el canal verde a partir del cociente de los datos:

 

D3S= 3,6 EV; D700= 3,6;Canon 1D Mark IV= 3,4; Canon 5D Mark II= 3,7; D3x= 3,5; Sony A55=3,6; 7D= 3,3; D300s= 3,7.

 

Espero que os haya resultado interesante, en particular los resultados del sensor de la Sony A55.

 

 

Como “propina” he comparado los sensores de la familia D300 para aclarar las diferencias en lo posible.

 

 

En el gráfico ilustro los motivos de la diferencia: el filtro paso bajo y la compresión en la D90 y la velocidad en la D300s. El precio para la D300s es un ligero aumento de ruido en la zona media ( inapreciable en la práctica) y una pérdida es una pérdida de resolución de la D90 como muestra el análisis del contraste en las zonas con rayado fino de las tomas:

 

 

En el canal verde en la zona de rayado más fino la D300 tiene un mínimo de 103 y un máximo de 962 y la D90 respectivamente 136 y 855 es decir una pérdida del 30% del contraste ( pasa de 9 a 6,3)

 

Espero que os resulte de interés.

 

 

Salu2

 

Antimonita

 

p.d. Reeditado para añadir la D7000 ( sólo SNR y rendimiento luminoso) a petición de Fotonauta añadido gráfico con rendimientos cuánticos.

[fpmato]

Amigo Antimonita, que alegría verte de nuevo posteando por aquí. Espero que la espalda se esté portando bien.

 

Vaya pedazo de post; últimamente te prodigas poco pero cuando lo haces traes las alforjas bien llenas. Me parece muy interesante por las cuestiones analizadas, las cámaras y los sensores.

 

Lo leeré con calma antes de hacer más comentarios.

 

Gracias por compartir los resultados y por el trabajazo.

 

Buenos vientos y un afectuoso saludo

[Antimonite]

Amigo Antimonita, que alegría verte de nuevo posteando por aquí. Espero que la espalda se esté portando bien.

 

Vaya pedazo de post; últimamente te prodigas poco pero cuando lo haces traes las alforjas bien llenas. Me parece muy interesante por las cuestiones analizadas, las cámaras y los sensores.

 

Lo leeré con calma antes de hacer más comentarios.

 

Gracias por compartir los resultados y por el trabajazo.

 

Buenos vientos y un afectuoso saludo

Hola amigo,

 

encantado de departir contigo. La espalda no es el problema, es una disección arterial que me prohibe las sacudidas violentas y la vela de acción. Que le vamos a hacer. Ultimamente es cierto paso poco por el foro, pero sigo muy interesado en la fotografía. Este post es debido a que buscaba información de la D7000 para a lo mejor renovar material, y como no encontraba nada serio, intenté analizar la Sony A55 ( que parece que lleva)y compararlo con el resto. Como los resultados eran coherentes con la información más fiable que tengo y con la que había obtenido de mi cámara (por otros procedimientos) me he decidido a compartir con vosotrops la información y el método. Por cierto, aunque el sensor de Sony está muy bien en relación al tamaño del píxel el nivel de ruido es peor que lo que tenemos ahora. Veremos si el de Nikon tiene un "tuneado" especial . Ya que estoy aquí voy a aprovechar para añadir a los gráficos el buque insigna de Canon: la 1D Mark IV.

 

Buen viento y...

 

Antimonita

[Macsura]

Gracias Antimonite por el magnífico análisis. Has hecho un buen trabajo de minería de datos.

[Roynikon]

Muy interesante, gracias por la informacion. un saludo

[fotonauta]

Felicitaciones, es una forma inteligente de aprovechar al máximo la información que hay en la red. Me apunto a la idea.

 

Una pregunta: ¿Porqué no has dado el valor de la capacidad del pozo de electrones?

 

Un ruego: Imaging Resource ha publicado ya fotos de la D7000. ¿ Podrías añadirlos para ver como queda?

 

Gracias y un saludo,

 

Fotonauta

[monteraz]

Una pregunta: ¿Porqué no has dado el valor de la capacidad del pozo de electrones?

 

Las cámaras tienen pozos de electrones? La leche.

 

No he entendido nada del post, pero me parece muy interesante, creo

 

Trabajazo.

[fotonauta]

Las cámaras tienen pozos de electrones? La leche.

 

Los sensores que forman parte de la cámara tienen pozos cuánticos de electrones. Este es un dato que se suele publicar. Sólo es física, no es la leche.

 

Un saludo,

 

Fotonauta

[Antimonite]

Felicitaciones, es una forma inteligente de aprovechar al máximo la información que hay en la red. Me apunto a la idea.

 

Una pregunta: ¿Porqué no has dado el valor de la capacidad del pozo de electrones?

 

Un ruego: Imaging Resource ha publicado ya fotos de la D7000. ¿ Podrías añadirlos para ver como queda?

 

Gracias y un saludo,

 

Fotonauta

No he dado la capacidad del pozo porque los datos de saturación del sensor no son medidos, son los de las tablas de Adobe. Sólo los he utilizado como referencia para el margen hasta la saturación en EV que es poco preciso.

Ahora actualizaré las dos tablas principales ( rendimiento y relación señal ruido) con los datos de la D7000. Como verás son mucho mejores que los de la Sony A55, hasta el punto que dudo de que sea el mismo sensor básico como se decía.

 

Salu2

 

Antimonita

[ROJO]

Me encanta la gente que realiza pruebas tan exhaustivas y que aplica el método científico.

Dicho esto, entiendo bastante poquito los resultados.

 

Tengo una D3 y me gustaría compararla con la D3S. Como el sensor de la D700 es idéntico al de la D3 intento comparar los resultados:

 

"En este caso para la D700 Black point 0 y White point 3972 ADU. Por ejemplo la Sony A55 tiene a 14 bits el punto negro en 512 y el blanco en 16.300 ADU."

Esto es mejor...es peor???

 

Rendimiento Cuántico:

D3S= 17,2 electrones/ADU; D700= 13,8; a 14 bits: D3s= 4,3; D700= 3,4

 

Supongo que cuanta más elevada la cifra mejor....pero entonces ¿por qué a 14 bits la cifra disminuye?

 

II Rendimiento Luminoso: D700: 30 % y D3S 38 %

 

¿que supone esta diferencia a efectos prácticos?

 

III Relación señal/ ruido

 

El rendimiento de las dos es parecido. En tonos claros aumenta la diferencia ¿esto que significa?

 

Con esto me gustaría sugerir a Antimonite que realice una interpretación más literaria, incluso novelada, de los gráficos. Para que así, los pobres mortales que hemos estudiado periodismo sepamos sacar algún dato utilizable de tan estupendo trabajo.

 

Muchas gracias

[monteraz]

Sólo es física, no es la leche.

 

Joder pues a mi parece la leche todas estas cosas. Va a resultar que la cámara lleva condensador de fluzo y todo. Yo que pensaba que se le metía la batería y ya está.

 

Bueno, cuando llegue la tormenta electromagnética saco la Nikkormat que es como un revolver, clak clack, todo mecánico, y lo que me voy a reír de vosotros.

 

Dicho esto, entiendo bastante poquito los resultados.

 

Yo los entiendo bastante nada. xD

 

sañudos. Perdón, saludos.

[Antimonite]

Me encanta la gente que realiza pruebas tan exhaustivas y que aplica el método científico.

Dicho esto, entiendo bastante poquito los resultados.

 

Tengo una D3 y me gustaría compararla con la D3S. Como el sensor de la D700 es idéntico al de la D3 intento comparar los resultados:

 

"En este caso para la D700 Black point 0 y White point 3972 ADU. Por ejemplo la Sony A55 tiene a 14 bits el punto negro en 512 y el blanco en 16.300 ADU."

Esto es mejor...es peor???

 

Rendimiento Cuántico:

D3S= 17,2 electrones/ADU; D700= 13,8; a 14 bits: D3s= 4,3; D700= 3,4

 

Supongo que cuanta más elevada la cifra mejor....pero entonces ¿por qué a 14 bits la cifra disminuye?

 

II Rendimiento Luminoso: D700: 30 % y D3S 38 %

 

¿que supone esta diferencia a efectos prácticos?

 

III Relación señal/ ruido

 

El rendimiento de las dos es parecido. En tonos claros aumenta la diferencia ¿esto que significa?

 

Con esto me gustaría sugerir a Antimonite que realice una interpretación más literaria, incluso novelada, de los gráficos. Para que así, los pobres mortales que hemos estudiado periodismo sepamos sacar algún dato utilizable de tan estupendo trabajo.

 

Muchas gracias

Hola Rojo,

 

no he hecho pruebas, me he limitado a explotar la información que existe en Internet. Mi idea ha sido ofrecer a todo el mundo la posibilidad de hacer comparaciones de una manera fácil y formarse su opinión.

La D700 y la D3s son como se ve en el gráfico de señal/ruido las mejores del mercado en este sentido. Las diferencias importantes no son arriba cuando hay mucha luz, las importantes están en los tonos obscuros ya que marcarán el ruido a ISOS altos al amplificar la señal para "aclararlos". En la zona baja la D3s el mejor en 2dB lo que es 1/3 de EV.

 

El gráfico de "rendimiento luminoso" frente al tamaño del píxel muestra la capacidad de llevar la luz a cada fotocélula lo que es tanto más difícil cuando más pequeña, la línea muestra la tendencia por encima son los mejores y por debajo los .... Si no me he equivocado ( y no lo creo) en base a las fotos de Imaging Resource el sensor de la D7000 es muy avanzado.

 

Nunca me he dedicado a la divulgación ni a la literatura, soy de ciencias y me expreso mejor con ecuaciones y gráficos. Lo siento. La única utilidad que tienen los gráficos es que permiten ordenar la bondad de los sensores bajo diversos criterios y hacerse una idea del nivel en esta materia de los fabricantes. El sensor ideal es el que tiene poco ruido y alta resolución, ya que permitiría ampliaciones importantes de fotografías de acción con poca luz. Sería como películas de grano fino con ASA alto. A mi modo de ver lo que da una idea de lo anterior es el rendimiento luminoso frente al tamaño.

 

Ya no tengo más tiempo ( tardo más en escribir esto que en obtener las curvas), otro día más

 

Salu2,

 

Antimonite

[fotonauta]

Joder pues a mi parece la leche todas estas cosas. Va a resultar que la cámara lleva condensador de fluzo y todo. Yo que pensaba que se le metía la batería y ya está.

 

Bueno, cuando llegue la tormenta electromagnética saco la Nikkormat que es como un revolver, clak clack, todo mecánico, y lo que me voy a reír de vosotros.

Yo los entiendo bastante nada. xD

 

sañudos. Perdón, saludos.

Seguro que tus cámaras tienen de todo. Yo en tu lugar me dedicaría a la pintura claro que de brocha.....gorda.

[ROJO]

Muchas gracias Antimonite.

Centrando un poco más mis dudas...

Por mi propia observación uso la D3/D700 hasta 1250 ISO sin percibir un ruido molesto me alegra saber que mi observación coincide bastante con la gráfica.

La pregunta es ¿cuantos diafragmas de uso con calidad se gana con la D3s frente a la D3/D700?

 

Los profesionales a los que he hecho esta pregunta me han contestado que 1,5 EV.

 

Me gustaría saber que dicen los gráficos al respecto y a que sensibilidad puede llegar la D3s obteniendo similares resultados que la D3/D700 a 1250 ISO.

 

Gracias por anticipado por tu respuesta.

[Macsura]

Una duda. En la figura de Rendimiento Luminoso, no sé si es un error pero los puntos de la A55 y D7000, ¿no deberían estar en la misma vertical?.

 

Un saludo :)

[monteraz]

Seguro que tus cámaras tienen de todo. Yo en tu lugar me dedicaría a la pintura claro que de brocha.....gorda.

 

AAARGH, que alguien me arranque los ojos!!!

 

No puedo soportar tanta ironía.

[fotonauta]

AAARGH, que alguien me arranque los ojos!!!

 

No puedo soportar tanta ironía.

Tú mismo

[fotonauta]

Una duda. En la figura de Rendimiento Luminoso, no sé si es un error pero los puntos de la A55 y D7000, ¿no deberían estar en la misma vertical?.

 

Un saludo

Me ha pasado lo mismo que a tí, pero DPReview ( que usa como referencia) da valores distintos de la densidad de píxeles:

 

A55 4,4

D7000 4,6

 

Un saludo,

 

Fotonauta

[Antimonite]

Muchas gracias Antimonite.

Centrando un poco más mis dudas...

Por mi propia observación uso la D3/D700 hasta 1250 ISO sin percibir un ruido molesto me alegra saber que mi observación coincide bastante con la gráfica.

La pregunta es ¿cuantos diafragmas de uso con calidad se gana con la D3s frente a la D3/D700?

 

Los profesionales a los que he hecho esta pregunta me han contestado que 1,5 EV.

 

Me gustaría saber que dicen los gráficos al respecto y a que sensibilidad puede llegar la D3s obteniendo similares resultados que la D3/D700 a 1250 ISO.

 

Gracias por anticipado por tu respuesta.

El valor admisible es un tema personal y depende mucho del nivel de ampliación. Para contestar a tu pregunta sobre las diferencias con el máximo de precisión acabo de descargar unas fotos. La D3s a 1600 y 3200 ambas del 2/12/2009, una de la D700 del 15/7/2008 y una de la D3 del 5/12/2007 todas ellas de Imaging Resource. A continuación te muestro los gráficos de relación señal ruido en EV para que la sdiferencias se puedan convertir fácilmente en pasos. Por supuesto es mejor cuanto mayor sea la señal frente al ruido ya que este se notará menos.

 

 

En la zona típica ( gris medio) las diferencias son de tan sólo 1/3 de paso ( 0,3 EV como te había anticipado en mi anterior respuesta) y las curvas de la D3 y D700 prácticamente coinciden como era de esperar a pesar de que la de la D3 está sobreexpuesta 0,7 EV según Imaging. O sea que las fotos a ISO 1600 de la D3s tendrían el mismo ruido que las de tu D3 a 1250.

 

Salu2

 

p.d. Edito para ampliar a Isos máximos. La diferencia se mantiene en el gris neutro. Sin embargo la diferencia se amplia a 1 EV en los negros ( la linea de 3200 de la D3s se confunde con la de 1600 de la D3/ D700 y lo mismo a 6400 y 12800)

[Antimonite]

Me ha pasado lo mismo que a tí, pero DPReview ( que usa como referencia) da valores distintos de la densidad de píxeles:

 

A55 4,4

D7000 4,6

 

Un saludo,

 

Fotonauta

Así es,

 

Salu2

[ROJO]

¿una respuestita para mi?

[Macsura]

Antimonite y fotonauta, a eso me refería de que no sabía si era un error de la fuente, es decir de Dpreview, que diera densidades de pixeles distintas para ambas cámaras. Y sí que va a ser un error porque también según Dpreview, el sensor de la D7000 tiene 16,2 Mpx efectivos que dividido por su área de 23,6 x 15,6 mm da 4,4 MPx/cm^2 y no 4,6.

 

De todas formas eso no cambia nada, sólo es un detalle que podría contribuir para determinar si ambas cámaras tienen el mismo sensor o no, y por lo menos desde el punto de vista de la densidad de pixeles no hay diferencias.

 

¿La diferencia en el rendimiento luminoso puede deberse a la pérdida del 30% que tiene la A55 por el espejo semitransparente?.

[Antimonite]

Antimonite y fotonauta, a eso me refería de que no sabía si era un error de la fuente, es decir de Dpreview, que diera densidades de pixeles distintas para ambas cámaras. Y sí que va a ser un error porque también según Dpreview, el sensor de la D7000 tiene 16,2 Mpx efectivos que dividido por su área de 23,6 x 15,6 mm da 4,4 MPx/cm^2 y no 4,6.

 

De todas formas eso no cambia nada, sólo es un detalle que podría contribuir para determinar si ambas cámaras tienen el mismo sensor o no, y por lo menos desde el punto de vista de la densidad de pixeles no hay diferencias.

 

¿La diferencia en el rendimiento luminoso puede deberse a la pérdida del 30% que tiene la A55 por el espejo semitransparente?.

Pues tienes razón, DPreview se ha confundido. Actualizo el gráfico. También tienes razón en lo de la absorción y va a ser el mismo sensor. Sin espejo los valores quedan casi iguales: A55 35% D7000 38%.

 

Salu2

[Antimonite]

Después del examen a ISO nominal, lo he extendido a ISO máximo. Es interesante ver que al estar en valores muy bajos de señal, no hay cambio de pendiente en la varianza para los modelos pro o semi-pro. Ello permite hacer una regresión lineal con garantías y separar el ruido de disparo ( variable) del de lectura ( fijo):

 

 

 

Los rendimientos cuánticos a ISO max serían :

 

D3s= 0,31 electrones /ADU; D3= 0,47; D3X= 0,73; D300= 0,33

 

o en ISO nominal ( multiplicados por la amplificación)

 

D3S= 20; D3= 15; D3X= 11,7 y D300= 5,3 valores algo superiores a los estimados con el iSO nominal (eran 17,2; 13,8; 5)

 

También podemos calcular el valor en el que el ruido igualaría la señal a ISO nominal resolviendo la ecuación de segundo grado:

 

D3s = 1,32; D3= 2,21; D3X= 1,74; D300= 4,07.

 

Que combinados con los valores disponibles para la saturación nos da los siguientes rangos dinámicos:

 

D3s= 11,5; D3X= 11,2; D3= 10,8 y D300= 9,9

 

He tenido una sorpresa al descubrir que los datos RAW de la D7000 han sido tratados ya que la variación de la pendiente depende del valor RAW (igual que en la D90) y no es una simpe CDS ( correlated double sampling). A pesar de ello la linearidad se conserva como en las cámaras pro y semi-pro::

 

 

Tomando la parte baja de la curva obtenemos para la D7000 un rango dinámico de 10,8 EV y una ganancia cuántica de 10 electrones/ ADU algo superior a la estimada as ISO nominal ( 9,7)

 

Salu2

[ispirescu]

Perdonar mi ignorancia,me he leydo todo el tema tratando de averiguar que entre la D7000 y la D700 qual da menos ruido a iso 3200 .Pero no lo tengo muy claro... Segun veo los graficos la D7000 esta simpre como mas ariva.Esto es bueno o malo ?!