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Imagen digital y difracción |
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Un artículo de Rubén Osuna Guerrero
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miércoles, 07 octubre 2009 |
 Los límites impuestos por
la difracción
En The
Luminous Landscape
ha venido apareciendo una larga discusión sobre el tema de los límites
previsibles de la carrera de los megapíxeles, esa competencia entre
marcas basada en la oferta de un tamaño de imagen cada vez mayor (no es
correcto usar resolución).
Dos son los posibles límites a esa carrera. El primero es la difracción,
tema sobre el que se trató en una primera serie cruzada de artículos de
opinión. El segundo es la propia eficacia de unos fotorreceptores cada
vez más pequeños en la tarea de capturar luz y generar un impulso
eléctrico interpretable a partir de ella.
Como veremos, cuando
se tratan estos temas se suelen mezclar argumentos y puntos de vista
sin mucho orden, y aquí queremos ofrecer una breve guía para seguir la
interesante serie de artículos mencionada.
***
Esencialmente,
hay dos enfoques diferentes, y en cierto modo enfrentados. El primero
asegura que la utilidad y uso prácticos de las imágenes determinará el
límite deseable a su tamaño (es decir, al número total de píxeles).
Este argumento se basa en definitiva en el concepto tradicional de
círculo de confusión, que es el tamaño del detalle que una cámara y
objetivo deben proveer para que el ojo del observador lo perciba en el
positivo ampliado (la foto en papel, o en pantalla, como veremos). Esto
depende por supuesto del poder resolutivo de un objetivo y del medio de
captura, del tamaño de la copia final y de la distancia de observación,
además de la agudeza visual del observador. El otro argumento es que
cuando se trata del límite de la capacidad resolutiva de una cámara el
único círculo de confusión relevante es el propio fotorreceptor del
sensor, es decir, el “píxel”. Según este argumento, la difracción
pondría el límite al tamaño mínimo de los “píxeles”, y por tanto, para
un formato dado, al tamaño de la imagen (número total de píxeles).
Podemos resumir diciendo que el primero es un argumento práctico o
puramente fotográfico, y el segundo un argumento técnico o ingenieril.
El primer artículo
es de Charles Sidney Johnson, Jr., de 2007, y en realidad habla sobre
la relación entre distancia focal y profundidad de campo, para lo cual
emplea el concepto tradicional de círculo de confusión. Nathan
Myhrvold, físico que trabajó con Stephen Hawkins antes de ser jefe de
tecnología de Microsoft, escribió una réplica en la que cuestiona el
concepto de círculo de confusión manejado por Sidney Johnson - ligado
al tamaño de impresión como sabemos- e introduce la idea de que es la
diagonal del píxel el verdadero círculo de confusión en el medio
digital, pues fija el límite al máximo detalle que puede dar un
sistema. Este nuevo criterio, desligado de las características de la
impresión final, afecta también a la profundidad de campo y a la
estimación de los efectos de la difracción sobre la resolución.
Algo más tarde, a mediados de 2008, Efraín García y Rubén Osuna, desarrollan
los argumentos de Myhrvold, y abordando directamente el tema del límite
óptico a la resolución de los sensores, que cuantifican con
todo detalle.
La
separación entre microlentes y la propia estrucura física de la
superficie fotosensible (pixel) hace que el captor sea una superficie
fotosensible discontínua. Ello hace que deban producirse fenómenos de
imagen diferentes que en los sistemas fílmicos
Aún
en los captores "full frame transfer" (no confundir con el llamado
formato "full frame") como es el caso de los sensores representados, el
propio canal antiblooming supone una barrera entre píxeles contiguos
La discusión se retomó un año después, en 2009, con otro
artículo
de Ray Maxwell, quien insiste en la idea de que la difracción fija un
límite al incremento del número de píxeles en los sensores digitales.
La llamada Ley de Moore,
según la cual densidad de transistores en los microprocesadores se
duplica cada año al mismo coste, no tendría una traslación directa a
los sensores, debido fundamentalmente al límite resolutivo que fija la
difracción. Si el objetivo proyecta detalles -círculos de luz conocidos
como discos de Airy- mayores que el píxel, reducir el tamaño de estos
no aumenta el detalle captado. Aunque la electrónica permita reducir el
tamaño de los píxeles manteniendo la calidad, ese límite óptico lo hace
innecesario, según Maxwell.
Nathan Myhrvold reaparece con un
nuevo artículo
de respuesta, cuestionando el argumento de Maxwell. Myhrvold presenta
varias ideas. Los objetivos con corrección de las aberraciones a un
alto nivel pueden conseguir resoluciones muy elevadas (abriendo el
diafragma), y sin duda superiores a las actuales (véase la tabla).
También es verdad que el límite resolutivo de un objetivo sin
aberraciones es mucho mayor para longitudes de onda de la luz más
pequeñas (más hacia el azul). Además, siempre se pueden aprovechar los
píxeles combinando su información, y si la Ley de Moore
hace cada vez más barato aumentar su número, no hay motivos para no
hacerlo, aunque los beneficios derivados sean decrecientes. Myhrvold no
parece cuestionar la idea básica de que la difracción pone un límite a
la resolución de los sensores, pero lo fija en cifras muy
superiores a las actuales (habla de hasta 100 megapíxeles en formato
24x36mm).
Estos dos artículos generaron una cascada de réplicas recogidas,
ordenadas y publicadas por Michael Reichmann en una
página.
Maxwell insiste en la idea de la aplicabilidad práctica de sensores con
cada vez mayor número de píxeles (retomando uno de los argumentos
originales, como hemos visto). Harold M. Merklinger y Dan Seligson
muestran su confianza en el progreso técnico, que permitirá sortear
todas las barreras, incluida la difracción (aunque las imágenes
fotográficas no se forman con luz ultravioleta, por lo que la
experiencia en microlitografía de Seligson no es fácilmente
extrapolable a la fotografía). Por último, Dan Wells vuelve a la idea
de los costes que para el fotógrafo suponen los avances sin fin y la
constante renovación de equipos, con ganancias decrecientes en el mejor
de los casos.
***
La
fotografía siempre fue el positivo sobre papel, lo que hoy sería la
foto impresa. Los tiempos han cambiado, pero en general los nuevos
medios de presentación y uso de las fotografías (pantallas de diverso
tipo) no requieren más detalle (pensemos también en el video o el
cine). Las pantallas actuales tienen resoluciones de unos 72 a 96
píxeles por pulgada, frente a las resoluciones típicas de entre 200 y
300 píxeles por pulgada de las copias impresas. Sí es verdad que antes
la inspección directa y ampliada del negativo era más complicada,
mientras que hoy es fácil conseguir una ampliación enorme del
“negativo” fotográfico digital en cualquier ordenador, resultando
además mucho más rápidas y sencillas las comparaciones y la
distribución de imágenes. Hay por tanto dos mundos diferentes,
relacionados entre sí pero también separados: el de la fotografía (en
papel, u otro soporte físico) y el de la imagen digital (en pantalla).
Para
la imagen en papel la utilidad práctica de un cada vez mayor tamaño de
imagen tiene unos límites fáciles de calcular. Una impresión A3
(297×420mm, 11,7x16,5 pulgadas) a 300 píxeles por pulgada requiere casi
18 millones de píxeles, y una impresión A2 (420×594mm, 16,5x23,4
pulgadas) con esa misma densidad requeriría casi 35 millones. Mientras
que la primera puede considerarse aún “doméstica” o “habitual”, la
segunda es un tipo de impresión más excepcional y especializada (y
cara). Hay trabajos fotográficos que requieren eso y más, pero está
claro que dichos requerimientos afectan a un determinado tipo de
cámaras, y que tamaños de imagen superiores a los 30 millones de
píxeles tienen poca utilidad práctica para la mayoría de las
aplicaciones, y sí algunos serios inconvenientes (relacionados sobre
todo con el tamaño de los archivos asociados). Habrá cámaras con esos
tamaños de imagen, o superiores (ya las hay, de 60 millones), pero es
dudoso que se extiendan a las cámaras de consumo masivo, además de a
muchas profesionales diseñadas para otras aplicaciones. Charles S.
Johnson y Maxwell tienen razón en esto.
Captores de
diversos tamaños,
fabricados todos ellos por Kodak: ¿cuánta "resolución" es necesaria
para cada tamaño de impresión?
Podemos preguntarnos
también si los objetivos son capaces de aprovechar toda la capacidad de
captar detalle de un sensor. Para números f pequeños (una gran
abertura) todo dependerá de la calidad del diseño óptico y construcción
del objetivo. Para números f grandes (cerrando el diafragma) la
difracción, que no tiene cura, establece los límites. Éstos dependen
también de la longitud de onda de la luz, y por supuesto del tamaño del
sensor o fotograma. La existencia de filtros Bayer y anti-alias en
sensores digitales hace más complicados los cálculos, pero se puede
llegar a una estimación que nos de una idea aproximada (véase la
tabla). En resumen, los sensores de alta resolución se desaprovechan
cuando cerramos mucho el diafragma en cualquier caso, y también cuando
empleamos objetivos de mediana calidad cuando lo abrimos. Por tanto la
difracción, en la práctica, también impone un cierto límite al tamaño
de imagen máximo y útil, aunque es más difuso, pues depende de muchas
variables.
Tabla.
Número de píxeles aprovechables para un objetivo libre de
aberraciones,
para luz día (longitud de onda media, w = 0,55 μ) y distintos formatos,
considerando 4 píxeles para toda la circunferencia de un disco de Airy.
| Abertura |
Cuatro Tercios (13,5x18) |
APS-C (16x24) |
35mm (24x36) |
FM (36x48) |
| f/1 |
530 |
838 |
1885 |
3769 |
| f/1,4 |
270 |
427 |
962 |
1923 |
| f/2 |
133 |
209 |
471 |
942 |
| f/2,8 |
68 |
107 |
240 |
481 |
| f/4 |
33 |
52 |
118 |
236 |
| f/5,6 |
17 |
27 |
60 |
120 |
| f/8 |
8 |
13 |
29 |
59 |
| f/11 |
4 |
7 |
16 |
31 |
| f/16 |
2 |
3 |
7 |
15 |
| f/22 |
1 |
2 |
4 |
8 |
Como
puede verse, en un formato 24x36mm, con un objetivo limitado sólo por
la difracción, tenemos un límite de resolución equivalente a 16
millones de píxeles cuando cerramos a f/11, tratándose de un límite
óptico, es decir, válida incluso si el sensor es capaz de generar una
imagen mucho mayor. Si abrimos a f/5,6 el límite óptico se relaja hasta
los 60 millones de píxeles, pero para ello se requeriría un objetivo
con las aberraciones totalmente corregidas para esa abertura. Puede
haber objetivos, sobre todo teleobjetivos de distancia focal fija,
limitados por la difracción para esas aberturas (o incluso mayores, con
lo que alcanzaríamos los 100 millones de los que hablaba Myhrvold). Sin
embargo, la mayoría de los objetivos, o los más populares, son de focal
variable, con distancias focales más cortas, o de construcción más
modesta y económica. También hay que tener en cuenta que en formatos
más pequeños el límite óptico es más bajo en términos absolutos.
Los
nuevos sensores Fujifilm "EXR"agrupan cargas de píxeles contiguos a fin
de ofrecer, bien menor ruido a altos índices ISO; bien un más extenso
rango dinámico. Aunque con una arquitectura distinta, Phase One en sus
respaldos "Sensor+"
emplea también el "pixel binning".
Nada
impide, por otro lado, que los sensores aumenten su resolución a la vez
que ofrecen posibilidades de combinar la información de varios píxeles
adyacentes para conseguir imágenes más pequeñas pero con mejores
propiedades, como apunta también Myhrvold. En este caso, si se necesita
un gran tamaño de imagen, y si se dan las condiciones para aprovechar
la capacidad resolutiva extra, sólo habría que desactivar la
combinación. Otra salida tecnológica y comercial sería detener el
incremento en el número de píxeles pero aumentando la calidad de la
información que se obtiene de cada uno de ellos, y una forma evidente
de hacerlo sería captando el color real en cada “píxel” con sensores
multicapa. El tiempo dirá
qué camino tomarán las compañías de fotografía (y video).
Siempre
es difícil predecir cómo evolucionará la tecnología. La dimensión
electrónica no debería preocuparnos: se obrarán prodigios. En ese
aspecto estamos aún en la infancia de la fotografía digital. Pero sigue
habiendo dos límites contundentes, difíciles de superar. Uno viene dado
por los tamaños y resoluciones de impresión (o proyección) comunes,
habituales, que a su vez dependen de sus aplicaciones prácticas y de la
agudeza visual humana; y el otro por la difracción, que hace que cada
incremento adicional en el número de “píxeles” aporte ganancias
decrecientes en cuanto a detalle realmente captado (a no ser que
saltemos de formato), y problemas e incomodidades crecientes (por el
tamaño de los archivos).
Que cada uno se forme su opinión.
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Última actualización ( jueves, 08 octubre 2009 )
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