La cámara fotográfica y la cámara móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad.

Facultat d’Òptica i Optometria de Terrassa © Universitat Politècnica de Catalunya, año 2016. Todos los derechos reservados GRADO EN ÓPTICA Y OPTOMETRÍA TRABAJO FINAL DE GRADO La cámara fotográfica y la cámara móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. YULIA ANANENKO ANANENKO DIRECTOR: Jaume Escofet i Soteras Departamento de óptica i optometría FOOT-UPC 3 de junio de 2016 Facultat d’Òptica i Optometria de Terrassa © Universitat Politècnica de Catalunya, año 2016. Todos los derechos reservados GRADO EN ÓPTICA Y OPTOMETRÍA El Sr. Jaume Escofet i Soteras, como director del trabajo CERTIFICA Que la Sra. Yulia Ananenko Ananenko ha realizado bajo su supervisión el trabajo “La cámara fotográfica y cámara móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad” que se recoge en esta memoria para optar al título de grado en Óptica i Optometría. Y para que conste, firmo este certificado. Sr. Jaume Escofet i Soteras Director/a del trabajo Terrassa, 3 de junio de 2016 Facultat d’Òptica i Optometria de Terrassa © Universitat Politècnica de Catalunya, año 2016. Todos los derechos reservados GRADO EN ÓPTICA Y OPTOMETRÍA La cámara fotográfica y la cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. RESUMEN Cada día es mayor la tendencia a usar la cámara de un Smartphone como la herramienta principal a la hora de hacer fotografías. Esa tendencia viene dada, entre otros motivos, por la calidad fotográfica y de video que ofrecen algunos terminales de gama alta. Por otro lado, las prestaciones fotográficas y de video de la mayoría de teléfonos móviles ofrecen una calidad aceptable como para plantearse prescindir de dispositivos más voluminosos y complicados de usar que ofrecen funcionalidades mas especificas. Este estudio analiza las semejanzas y diferencias entre un teléfono móvil y una cama réflex a partir de parámetros cuantitativos y cualitativos extraídos a través de las especificaciones de sus respectivos fabricantes y del análisis cualitativo y cuantitativo de sus imágenes. Se valoran las partes que forman las dos cámaras, como el objetivo y sus óptica, el sensor, el exposímetro, el mecanismo de enfoque y etc. También, se determinan y se evalúan características específicas tales como el campo angular, el factor de recorte, la profundidad de campo, el balance de blancos, la sensibilidad del sensor etc… Finalmente, como parte experimental del trabajo se han realizado medidas de calidad de la imagen, en concreto medidas de la relación señal ruido i de modulación al contraste. En la parte final del trabajo se concluye que si bien la cámara Smartphone es más versátil, manejable y compacta, calidad de imagen obtenida con esta cámara, a día de hoy, es menor que la de la cámara réflex. Facultat d’Òptica i Optometria de Terrassa © Universitat Politècnica de Catalunya, año 2016. Todos los derechos reservados GRAU EN ÓPTICA Y OPTOMETRÍA La càmera fotogràfica i la càmera del mòbil. Comparació de característiques i prestacions. Anàlisi de paràmetres de qualitat. RESUM Cada dia és aumenta més la tendència a utilitzar la càmera d’un Smartphone com a eina principal a l’hora de fer fotografies. Aquesta tendència ve donada, entre d’altres motius, per la qualitat fotogràfica i de video que ofereixen alguns terminal de gamma alta. Per un altre banda, les prestacions fotogràfiques i de video de la majoria de telèfons mòbils ofereixen una qualitat acceptable com per plantejarse prescindir de dispositius més voluminosos i complicats d’us encara que ofereixin funcionalitats més específiques. Aquest estudi analitza les semblances i diferències entre un telèfon mòbil i una càmera reflex a partir de paràmetres quantitatius i qualitatius extrets a través de les especificacions dels seus respectius fabricants i de l’anàlisi qualitatiu i quantitatiu de les seves imatges. Es valoren les parts comunes que formen les dues càmeres com l’objectiu i les seves òptiques, el sensor, l’exposímetre, el mecanisme d’enfocament, etc... Tambè es determinen i s’avaluen característiques específiques tals com el camp angular, el factor de retall, la profunditat de camp, el balanç de blancs, la sensibilitat del sensor, etc... Finalment, com a part experimental del treball s’han realitzat mesures de qualitat de la imatge, en concret, mesures de la relació senyal soroll i de modulació al contrast. En la part final del treball es conclou que si bé la càmera Smartphone és més versàtil, manejable i compacte, la qualitat de la imatge obtinguda amb aquesta càmera, a dia d’avui, és menor que la de la càmera reflex. Facultat d’Òptica i Optometria de Terrassa © Universitat Politècnica de Catalunya, año 2016. Todos los derechos reservados GRAU EN ÓPTICA Y OPTOMETRÍA The photo camera and celular camera. Comparison of characteristics and benefits. Analysis of the quality parameters. ABSTRACT Every day, smartphones are used as principal devices for making photos. This trend is established, among other reasons, by the quality of the pictures and videos which can be offered by the high-end devices. The characteristics of photos and videos of many cellphones now can provide acceptable quality to think of avoidance of sophisticated large-scaled devices. This study analyses the similarities and the differences between a smartphone camera and a SLR camera comparing some of their quantitative and qualitative parameters, their ability to make pictures as well as those parts that form both cameras such as camera lens, sensors, light meter,focuser, etc. In addition, several specific characteristics are analysed such as the angular field, depth of field, crop factor, white balance, sensor sensitivity, etc. Finally, using the ImageJ program, the quality parameters of the pictures like signal noise ratio and modulation contrast are made. In the final part of the study the main conclusion is noted that there are a lot of differences between SLR y phone cameras not only by their characteristics and quality parameters but also by the mode of use. But despite the full range of offered functions it’s impossible for this device to reproduce the image quality of the reflex digital camera. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 1 Índice. 1. ABSTRACT. ........................................................................................... 3 2. INTRUDUCCIÓN. .................................................................................. 7 3. OBJETIVOS DE TRABAJO. ..................................................................... 8 4. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA CÁMARA. .............................. 9 4.1. Partes de una cámara. ....................................................................................... 9 4.1.1. El objetivo ................................................................................................... 9 4.1.2. Aumentos ópticos versus aumentos digitales (zoom digital). ................. 11 4.1.3. Usos para cada tipo .................................................................................. 12 4.2. El sensor. .......................................................................................................... 12 4.2.1. Tipos de sensores. .................................................................................... 13 4.2.2. Sensibilidad ISO. ....................................................................................... 15 4.2.3. Numero de pixeles. ................................................................................... 16 4.2.4. El factor de recorte FR de la cámara. ....................................................... 17 4.2.5. La relación de aspecto RA. ........................................................................ 19 4.2.5.1. Relaciones de aspecto más usados en la fotografía: ................................... 20 4.3 El campo angular. ............................................................................................. 20 4.3.1. Focal equivalente. ..................................................................................... 21 4.4 La exposición. ................................................................................................... 22 4.4.1 La abertura de diafragma. ........................................................................ 22 4.5 La profundidad del campo de la cámara. ........................................................ 23 4.5.1. El círculo de confusión. ............................................................................. 25 4.5.2. La distancia hiperfocal. ............................................................................. 26 4.6. El exposímetro. ................................................................................................ 27 4.7. El balance de blancos. ...................................................................................... 28 4.8. Espacios de color.............................................................................................. 29 4.9. Análisis de parámetros de calidad ................................................................... 30 4.9.1. La resolución. ............................................................................................ 30 4.9.1.1. Resolución del objetivo. .............................................................................. 31 4.9.1.2. Resolución del sensor .................................................................................. 32 4.9.2. La función de transferencia de la modulación ......................................... 34 4.9.3. La relación señal ruido para diferentes ISO.............................................. 36 4.9.4. El rango dinámico. .................................................................................... 36 4.9.5. Reproducción del color. ............................................................................ 39 5. SLR VERSUS SMART PHONE CÁMARA. ............................................... 41 5.1. Diseño y manejo. ................................................................................................. 41 5.2. Objetivo. ........................................................................................................... 41 5.3. Aumentos ópticos. ........................................................................................... 42 5.4. Aumentos digitales. ......................................................................................... 42 5.5. Numero de diafragma. ..................................................................................... 42 5.6. Shutter (velocidad de disparo). ....................................................................... 42 5.7. Autoexposure bracketing. ................................................................................ 42 5.8. Sensor. ............................................................................................................. 43 5.9. Campo Angular. ............................................................................................... 43 5.10. Distancia hiperfocal. ..................................................................................... 44 La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 2 5.11. Menús. .......................................................................................................... 44 5.12. Modos de fotografiado. ............................................................................... 46 5.13. Resolución. ................................................................................................... 47 5.14. Balance de blancos. ...................................................................................... 47 5.15. Medición de luz. ........................................................................................... 47 5.16. Enfoque. ....................................................................................................... 47 5.17. Resolución de pantalla. ................................................................................ 48 5.18. Resolución de video. .................................................................................... 48 5.19. Medida de parámetros de calidad ............................................................... 48 5.19.1. Ruido ..................................................................................................... 48 5.19.2. MTF ....................................................................................................... 50 6. VALORACIÓN, PROS Y CONTRAS ........................................................ 52 7. CONCLUSIONES. ................................................................................ 56 8. BIBLIOGRAFÍA. ...................................................................................... 57 9. ANEXOS. ............................................................................................ 60 9.1. Relación señal ruido. ........................................................................................ 60 9.2. MTF. ................................................................................................................. 63 La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 3 1. ABSTRACT. Introduction. In recent years, smartphone are used as principal devices for making photos. This trend is determined, among other reasons, by the quality of the pictures and videos which can be offered by the high-end devices. The characteristics of photos and videos of many cellphones now can provide acceptable quality to think of avoidance of sophisticated large-scaled devices. A smartphone is always with us, this is a one of things we always check before leaving home. Not many people use sophisticated SLRs or video cameras without any intention to perform a photo session or make a video report of excellent quality. Everybody, who has digital cameras, usually use them personally for the family events: walks, trips etc. In contrast, the smartphone cameras are used for many other events: traffic reports, location, purchasing, information sharing etc. And everything persons do with their phone cameras is limited by the mobile device capabilities. In the market, each kind of camera finds its client. The most worldwide popular cameras are compacts, then come bridge cameras and finally SLRs with a wide variety of devices for beginners and professionals. But nowadays phone cameras started to compete for clients, taking a market share of compact cameras. This fact highlights the trend that will become more important over time. This study analyses the difference between a smartphone camera and a SLR camera comparing some of their quantitative and qualitative parameters, their ability to make pictures as well as those parts that form both cameras such as camera lens, sensors, light meter etc. In addition, several specific characteristics will be analysed such as the angular field, depth of field, white balance etc. Finally, as the experimental part, some pictures from each camera will be made. Then, using the ImageJ program, the quality parameters of the pictures estimation will be made. Materials and method. To carry out the study, two digital cameras are used, one of them is Canon EOS 550D and the second is a smartphone Samsung Galaxy S4 camera. First of all, we’ll determine the main parameters of both cameras and describe their constructive parts: camera lens and a sensor. The main parameters of the camera lens are: type of lens, focal distance, optical and digital zoom. The main characteristics of sensor are: ISO sensibility, number of pixels, pixel size, crop factor FR and aspect ratio RA. Then we´ll describe angular field, depth of field, exposure meters and white balance. Finally we’ll research the quality parameters: camera resolution, signal noise relation, modulation transfer function (MTF). After determination of qualitative and quantitative parameters we’ll analyse the value of each one for the SLR and for the cellular camera. We’ll provide the calculations and comparative tables for both devices. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 4 We’ll use the ImageJ program to calculate the signal noise relation SNR and the modulation transfer function and then represent the results graphically. Results and discussion. The design of both cameras is totally different. The SLR is the camera with a possibility of video recording; and the smartphone camera provides a broader range of functions and form a small part of the device functionality. The SLRs are bigger in size then the smartphone and it’s impossible to carry it every time. The smartphone camera is accessible all the time and could be initiated by just a single finger. When making photo with the SLR, the object is observed directly through the viewfinder. The smartphone camera has not a viewfinder and shows the image on the phone screen. The camera lens of the SLR is removable with the possibility to change the diaphragm number and focal distance. The mobile phone camera has the camera lens fixed with the specific diaphragm number and focal distance. To change the exposure we use the software available on the mobile device. The SLR has only an optical zoom, and the smartphone camera only a digital one. This means that the SLR provides better quality of the picture, and the smartphone camera uses special software to enlarge some part of the picture. The SLR controls amount of light which enters to the camera by diaphragm variation. The smartphone camera has the diaphragm fixed and uses higher shutter speed as compensation. But the principal difference between the cameras is the sensor size. The sensor of the SLR is much bigger and allows to receive more light and provides better pictures. The ISO sensibility of the SLR represents a wider range comparing to the cellular camera. The both devices can make photo using JPG format but SLR also uses the RAW format for its photos. The SRL is able to change the focal distance and can behave as a normal camera, wide angle camera and a telephoto lens camera. The smartphone camera has only a fixed angular field which is more than 50º, so in essence it’s a telephoto lens camera. The menu option of each camera is different. SRL offers a lot of tools to make picture or video better as well as creative mode allowing modification of almost all parameters of the camera. It looks more solid and professional in comparison to the menu of the smartphone device. The smartphone camera provides a reduced menu functionality but it is more comfortable and fast for the users. The shooting mode is varied in both cameras. The shooting mode of Canon is based on changing of exposure in accordance to the lighting and the photographed object. There is a possibility of manual mode of exposure. The mobile camera manufacturers do not allow to make any exposure changes. Almost all functions are automatic. Here we can find the some software tools which allow to make images more creative without special professional skills. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 11 4.1.2. Aumentos ópticos versus aumentos digitales (zoom digital). El zoom óptico es la función de la cámara que agranda las imágenes. Se realiza mediante un movimiento de diferentes lentes en la cámara. Este tipo de zoom busca provocar una sensación de acercamiento al objeto sin necesidad de desplazarnos hacia él. Se cree, erróneamente, que el zoom acerca lo que queremos fotografiar, lo que hace esta función es aumentar el tamaño de la imagen. Este tipo de zoom provoca una pérdida de la región exterior de la imagen que observábamos antes de realizar el zoom. Dado que la imagen aumenta de tamaño, pero la región capturada (y observable a través del visor) se mantiene igual, la zona circundante de la imagen se pierde progresivamente a medida que aumentamos el factor de zoom. Al realizar este tipo de zoom, la zona de la imagen que aumenta de tamaño permite distinguir detalles que no se observaban antes de realizar el zoom. Esto se debe a que el efecto de agrandamiento se realiza de forma física a través del juego de lentes. Esta función es mecánica y por esto la calidad de la imagen no se ve afectada. En otras palabras, al utilizar el zoom óptico, la imagen no se pixela, es decir que no se verá borrosa ni con los cuadritos que hacen ver de mala calidad la imagen. En cuanto al zoom óptico, lo importante es la calidad de la imagen. No sólo se acerca más el objetivo que quiera destacar sino que no se pierde ningún detalle. El zoom digital. Esta función se genera a partir de un software o programa incluido en la cámara, que aumenta el tamaño de la imagen. El efecto es similar a cuando se agranda una imagen en el computador a tal punto que la ve pequeña. Cuando se utiliza el zoom digital, las lentes del objetivo se ajustan a la máxima distancia focal (teleobjetivo) del zoom. Se usa una zona más pequeña del sensor para grabar la imagen. Entonces, esta imagen se vuelve a procesar al tamaño original para generar una imagen con la ampliación equivalente a la que se hubiera tomado si se utilizara un teleobjetivo más potente. A medida que se incrementa la cantidad de zoom digital, se utiliza un área del sensor de la imagen cada vez más pequeña, dando lugar a una reducción de la calidad de la imagen proporcional a la cantidad de zoom utilizado. El zoom digital se realiza mediante la interpolación de píxeles. La idea se basa en deducir píxeles intermedios a partir de los ya existentes. Sabiendo que una imagen digital está compuesta por píxeles cuadrados, conformando una gran rejilla de píxeles (o también llamada matriz), si intercalamos píxeles, hacemos la rejilla más grande. Al hacer la rejilla más grande, la imagen se hace, por tanto, mayor, creando el efecto de acercamiento y, por tanto, el efecto de zoom. Los nuevos píxeles se deducen a partir de los ya existentes. Esto implica que no nos inventamos información, con lo cual, después de hacer un zoom digital, no se obtienen los objetos que veríamos si nos acercáramos o hiciéramos un zoom óptico a través de lentes. El uso de este zoom le baja la calidad a la imagen, porque al agrandar la imagen ésta se pixela y queda deformada. Se aumenta el tamaño total de la imagen y no elimina, por sí mismo, las zonas circundantes. Su uso en cámaras añade la limitación del zoom óptico, ya que, al tener que grabar la imagen en un tamaño definido, ha de descartar de forma forzosa las zonas circundantes. Si se realiza el zoom digital en un editor de imágenes, no es necesario perder ninguna zona de la misma. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 12 Figura3: Diferencia zoom óptico-zoom digital. Fuente: www.nukleoblog.com. A diferencia del zoom óptico, el zoom digital no aumenta el nivel de detalle de la imagen; por lo tanto, cuando se utiliza el zoom digital, la calidad de la imagen va en relación a la cantidad de zoom digital utilizado. 4.1.3. Usos para cada tipo Ambos tipos de zoom persiguen el mismo objetivo, acercar una zona de la imagen a costa de eliminar los alrededores de la zona. El zoom óptico produce imágenes de mayor calidad que el zoom digital en todos los casos. El zoom digital puede ser útil para distinguir qué acción está realizando un objeto lejano y efectuar un disparo en el momento más adecuado. Es un caso bastante particular, en el que resulta más importante la acción capturada que la calidad de la fotografía. El zoom digital también puede ser útil si no se desea realizar un procesamiento posterior de la imagen y se quiere capturar una zona concreta de la misma a un tamaño mayor, sin importarnos la pérdida de calidad obtenida al realizar el zoom digital. Si se dispone de herramientas, tiempo y predisposición para retocar posteriormente una imagen, siempre es mejor utilizar el zoom óptico y acabar de completar el procedimiento en el editor de imágenes, ya que, de este modo, tendremos la imagen original con más detalle. 4.2. El sensor. La función del sensor es transformar la imagen óptica creada por el objetivo en una serie de señales eléctricas que darán lugar a la imagen digital. El sensor está compuesto por una matriz de millones de diminutas celdas llamadas fotositos. Dentro de cada una de estas celdas se encuentra un fotodiodo, que es un componente electrónico sensible a la luz. Cada celda consiste en un receptáculo con el filtro, un sensor y una salida de la señal. El filtro discrimina la luz incidente según su longitud de onda. El sensor mide la cantidad de energía en forma de voltaje, el cual es convertido en un número digital mediante el conversor análogo-digital (ADC) La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 13 Durante la exposición, cada fotodiodo convierte la energía presente en la luz (fotones), en corriente eléctrica (electrones). De esta forma, los fotositos almacenan una mayor o menor carga eléctrica en función de la intensidad lumínica que reciben. El valor de carga acumulado por cada fotosito es bastante pequeño, por lo que debe ser amplificado antes de su digitalización. Un amplificador PGA (Programable Gain Amplificator) se encarga de esta función, aumentando la tensión de salida del sensor. El nivel de amplificación depende de la sensibilidad ISO seleccionada en la cámara. Cuanto mayor es la sensibilidad ISO, más debe ser amplificada la señal. Una vez amplificada la señal, un convertidor analógico/digital cuantifica su valor, convirtiéndolo en un número ADU (Analog to Digital Unit). Éste valor indica el nivel de brillo capturado por cada fotosito. Cuando finaliza la digitalización de la señal, el nivel de brillo de cada fotosito, sus coordenadas en el sensor y una serie de metadatos adjuntos, son almacenados en forma de imagen RAW que es el negativo digital de nuestra fotografía. 4.2.1. Tipos de sensores. Los sensores se pueden clasificar según su tecnología: o CCD y Super CCD o CCD RGBE o CMOS o Foveon X3 Hoy día existen dos tipos de tecnologías utilizadas para la fabricación de sensores de cámaras digitales, ya sean compactas o réflex. Se trata de los CCD (Charge Coupled Device) o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Ambos tipos de sensores están formados en su esencia por semiconductores de metal-óxido (MOS) y están distribuidos en forma de matriz. Su función es la de acumular una carga eléctrica en cada una de las celdas de esta matriz. Estas celdas son los llamados píxeles. La carga eléctrica almacenada en cada píxel, dependerá en todo momento de la cantidad de luz que incida sobre el mismo. Cuanta más luz incida sobre el píxel, mayor será la carga que este adquiera. Aunque en su esencia, los CCD y CMOS funcionan de una manera muy similar, hay algunas diferencias que diferencian ambas tecnologías. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 14 Figura 4. Esquema de sensor CCD. Fuente: http://sensorcleaning.com/whatisasensor.php En el caso del CCD, éste convierte las cargas de las celdas de la matriz en voltajes y entrega una señal analógica en la salida, que será posteriormente digitalizada por la cámara. En los sensores CCD, se hace una lectura de cada uno de los valores correspondientes a cada una de las celdas. Entonces, es esta información la que un convertidor analógico-digital traduce en forma de datos. En este caso, la estructura interna del sensor es muy simple, pero tiene como inconveniente la necesidad de un chip adicional que se encargue del tratamiento de la información proporcionada por el sensor, lo que se traduce en un gasto mayor y equipos más grandes. En el aspecto del rango dinámico, es el sensor CCD el ganador absoluto, pues supera al CMOS en un rango de dos. El rango dinámico es el coeficiente entre la saturación de los píxeles y el umbral por debajo del cual no captan señal. En este caso el CCD, al ser menos sensible, los extremos de luz los tolera mucho mejor. En cuanto al ruido, los sensores CCD también son superiores a los CMOS. Esto es debido a que el procesado de la señal se lleva a cabo en un chip externo, el cual puede optimizarse mejor para realizar esta función. En cambio, en el CMOS, al realizarse todo el proceso de la señal dentro del mismo sensor, los resultados serán peores, pues hay menos espacio para colocar los foto-diodos encargados de recoger la luz. La respuesta uniforme es el resultado que se espera de un píxel sometido al mismo nivel de excitación que los demás, y que éste no presente cambios apreciables en la señal obtenida. En este aspecto, el que un sensor CMOS esté constituido por píxeles individuales, le hace más propenso a sufrir fallos. En el CCD, al ser toda la matriz de píxeles uniforme, tiene un mejor comportamiento. A pesar de todo, la adición de circuitos con realimentación permite subsanar este problema en los CMOS, los CCD están un poquito por encima igualmente. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 15 Figura 5. Esquema de sensor CMOS. Fuente: http://sensorcleaning.com/whatisasensor.php En el caso del CMOS, cada celda es independiente. La diferencia principal es que la digitalización de los píxeles se realiza internamente en unos transistores que lleva cada celda, por lo que todo el trabajo se lleva a cabo dentro del sensor y no se hace necesario un chip externo encargado de esta función. Con esto se consigue reducir costes y equipos más pequeños. Además de ofrecer más calidad, los CMOS son más baratos de fabricar precisamente por lo que se ha comentado anteriormente. Otra de las grandes ventajas es que los sensores CMOS son más sensibles a la luz, por lo que en condiciones pobres de iluminación se comportan mucho mejor. Esto se debe principalmente a que los amplificadores de señal se encuentran en la propia celda, por lo que hay un menor consumo a igualdad de alimentación. Todo lo contrario que ocurría en los CCD. En cuanto a la velocidad, el CMOS es claramente superior al CCD debido a que todo el procesado se realiza dentro del propio sensor, ofreciendo mayor velocidad. Es esta una de las principales razones por las que Casio empezó a imponer los sensores CMOS en sus cámaras y por la cual éstas permiten grabar vídeos a velocidades de hasta 1000 fps. Otro aspecto en el que los sensores CMOS son superiores a los CCD es en el blooming. Este fenómeno se produce cuando un píxel se satura por la luz que incide sobre él y a continuación empieza a saturar a los que están a su alrededor. Aunque este defecto puede subsanarse gracias a algunos trucos en la construcción, en el caso de los CMOS nos olvidamos del problema. Los sensores CMOS se encuentran acoplados en la mayoría de las cámaras cuyo tamaño se sensor es menor o igual que 24x36 mm mientras que los sensores CCD constituyen la mayor parte de cámaras con sensores de tamaño mayor. 4.2.2. Sensibilidad ISO. Los sensores de las cámaras pueden trabajar a diferentes sensibilidades. De este modo, a mayor sensibilidad, mayor cantidad de luz son capaces de captar. La sensibilidad es un parámetro más que se puede configurar en la cámara en cada foto que se dispara. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 16 La sensibilidad se mide según el estándar ISO, en el cual cuanto mayor es el número mayor es la sensibilidad. Son sensibilidades típicas 100, 200, 400, 800, 1600. En cada uno de estos saltos se obtiene el doble de sensibilidad. Así, una cámara en ISO 200 tiene el doble de sensibilidad que una tomada a ISO 100. Muchas cámaras permiten además utilizar valores intermedios como 600 ó 1200. La desventaja de aumentar la sensibilidad de la cámara se concluye en la perdida de definición y aumento de nivel de ruido. El ruido son unos puntos de colores que van apareciendo, especialmente en las zonas oscuras. 4.2.3. Numero de pixeles. Cuanto más grande sea la superficie del sensor mayor será la calidad de las imágenes. En un sensor de tamaño grande hay sitio para mas fotositos o pixeles (lo que significa más resolución) o para fotositos/pixeles más grandes (lo que significa mayor calidad de imagen). En cuanto a la resolución, cuanto más megapíxeles tenga el sensor mayor nivel de detalle tendrán las imágenes. Esto implica la posibilidad de obtener copias en papel de mayor tamaño, o realizar recortes en la imagen sin pérdida de calidad. Como contrapartida, a medida que aumenta la resolución aumenta el tamaño de los ficheros de imagen, por lo que se necesitarían ordenadores con más capacidad de procesamiento y mayor capacidad de almacenamiento. Hay otros aspectos de la calidad de la imagen como el rango dinámico y el ruido que pueden empeorar si se aumenta mucho la resolución en relación al tamaño del sensor. La influencia de la relación entre el tamaño y la resolución del sensor a la calidad de la imagen, se explica a través de dos conceptos: la densidad de píxeles y el tamaño del píxel. La densidad de píxeles es el número de píxeles que tiene el sensor por unidad de superficie. Se calcula dividiendo la resolución por la superficie del sensor y se suele expresar en megapíxeles por centímetro cuadrado. El tamaño del pixel es la longitud teórica del fotosito (salvo algunas excepciones, los fotositos son cuadrados). Es teórico porque en la forma de calcularlo se supone que no hay espacio entre fotositos. Sin embargo, los fotositos se encuentren un poco separados unos de otros dejando algo de espacio para la circuitería del sensor. El tamaño del píxel se calcula dividiendo el ancho del sensor por los píxeles de ancho de la imagen. El tamaño del pixel se expresa en micras µm (1 µm=10-6 m) Ambos conceptos están estrechamente relacionados: con mismo tamaño de sensor, cuanto mayor sea la densidad de píxeles menor es el tamaño de cada pixel. La densidad y el tamaño de los píxeles del sensor determinan dos parámetros claves en la calidad de una imagen: el rango dinámico y el ruido. El rango dinámico (también llamado latitud) es la cantidad de niveles de iluminación que es capaz de capturar el sensor entre el valor mínimo y el máximo de exposición (el negro y del blanco puros). Se mide en pasos o valores de exposición y cuanto mayor sea mejor será la calidad de imagen. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 17 La relación entre el tamaño del pixel y el rango dinámico es la siguiente: cuanto mayor sea el área expuesta a la luz de cada fotosito (es decir cuanto mayor es el tamaño del píxel) más fotones captará el sensor y mayor será su rango dinámico. En cuanto al ruido, cuanto mayor es el área expuesta a la luz (mayor es el tamaño del píxel), mas fotones capta el sensor por lo que es mejor la relación señal/ruido. Las diferencias en el nivel de ruido de las imágenes de diferentes cámaras se pueden apreciar especialmente cuando se dispara a sensibilidades ISO elevadas. Generalmente, cuanto mayor sea el tamaño del píxel, mejor es la calidad de las imágenes. No obstante, esta afirmación suele ser válida dentro de cámaras de una misma generación. Las nuevas generaciones de cámaras incorporan sensores de mayor resolución, y por tanto, mayor densidad y menor tamaño de píxel. A pesar de ello, suelen mantener (o incluso mejorar) el rango dinámico y los niveles de ruido de cámaras con menor resolución de generaciones anteriores. Esto es debido a un factor adicional que influye en la calidad de las imágenes: la circuitería y el software del procesador de la cámara. Las nuevas generaciones de cámaras mejoran el funcionamiento y prestaciones de ambos. 4.2.4. El factor de recorte FR de la cámara. El factor de recorte hace referencia al tamaño del sensor de la cámara. Frente a unos pocos tamaños estandarizados que existían en el negativo tradicional (el más popular era el negativo de 35mm que usaban tanto las cámaras réflex como las compactas), con la llegada de la fotografía digital el tamaño del sensor se ha diversificado. Figura 6. Los factores de recorte para sensores de varios dispositivos. Fuente: http://objetivoimaginario.com/sobre-el-enfoqueselectivo-y-el-tamano-del-sensor/ En las especificaciones de las cámaras se puede encontrar las dimensiones en milímetros del sensor (ancho x alto) o bien la referencia al factor de recorte del sensor (crop factor). El factor de recorte es la relación existente entre el tamaño de un sensor de 35mm (36mm x 24mm) y el sensor de la cámara. Mide la relación existente entre las dimensiones de uno y otro, o lo que es lo mismo, el recorte del sensor frente al de un sensor de 35mm. Sensor que es popularmente conocido como de formato completo (Full Frame o FF). La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 18 Conociendo el factor de recorte o factor de multiplicación, se puede conocer dicha equivalencia multiplicando ese factor por la distancia focal. El sensor en este caso, al ser más pequeño recoge menos campo o información pero la distancia focal del objetivo no varía. La siguiente tabla 1 muestra los tamaños de sensor más utilizados por las cámaras digitales: Tabla 1. Tamaños de sensor más utilizados por las cámara digitales. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 19 Por ejemplo, un objetivo de 16mm., diseñado para una cámara con sensor APS-C, tiene un factor de recorte o multiplicador de 1,52 por lo que realizando la multiplicación, se obtiene que ese objetivo sería equivalente a un objetivo de 24mm en el formato full frame. Esta referencia al sensor de 35mm viene de la época de la fotografía química, en que el tamaño de los negativos más populares y utilizados por los fotógrafos era, precisamente, de 36mm x 24mm. En el momento de la evolución al mundo digital, éstas fueron las dimensiones de los primeros sensores que se comenzaron a crear. Sin embargo, pronto se empezó a trabajar con sensores más pequeños que permitieron reducir costes y democratizar el acceso a la fotografía digital hasta los niveles que hoy conocemos. A partir de ese momento se empezó a hacer una distinción entre cámaras con sensor de formato completo (full frame) y cámaras con sensor de tamaños más reducidos. ¿Cómo se calcula el factor de recorte? Para calcular el factor de recorte se utiliza el Teorema de Pitágoras. Se calcula el valor de la hipotenusa que es la medida de la diagonal del sensor: Figura 7. Tamaño de algunos sensores. Fuente: http://www.photojosebueno.com/blog/?page_id=613 4.2.5. La relación de aspecto RA. La relación de aspecto nos indica la proporción de altura y anchura de una fotografía. Se expresa separando la proporción de la altura con la anchura con dos puntos. Por ejemplo, si La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 20 una imagen mide 800 píxeles de alto, medirá 800 de ancho para una relación de aspecto de 1:1. Otro ejemplo sería una imagen con altura de 1000 pixeles y anchura de 1500 píxeles cuya relación fuera de 3:2. Cuanto mayor sea la diferencia entre un número y otro de la relación de aspecto, más alargada será la imagen, ya sea en vertical u horizontal. El formato cuadrado es 1:1; el estándar de fotografía es 3:2 (en horizontal, o 2:3 en vertical), mientras que una toma panorámica horizontal sería 3:1. 4.2.5.1. Relaciones de aspecto más usados en la fotografía: 3:2 – Es el equivalente a la película analógica de 35mm, el estándar universal en fotografía en el que disparan prácticamente todas las cámaras réflex de hoy en día. Tiene una clara dominante horizontal para el ojo humano. 4:3 – Proporción estándar para cámaras digitales compactas y la mayoría de las cámaras de smartphone. Este formato ha sido también el adoptado tradicionalmente por televisores y pantallas de ordenador, hoy ya en desuso. La dinámica de este encuadre no se impone mucho en la composición por no tener una horizontalidad muy dominante. 5:4 – El tamaño más estandarizado para la fotografía de gran formato es 5:4, esta proporción se deriva del tamaño de las hojas de película, que suelen ser 8x10 pulgadas. Este formato ofrece una proporción muy equilibrada entre ancho y largo. 1:1 – Formato cuadrado, sin dirección. Resulta muy estático por eso la mayoría de las estrategias de diseño y composición en este formato tienen que tender a escapar de su férreo equilibrio. La vista es conducida en todo momento hacia el centro, por eso suele ser difícil escapar de la sensación de geometría que impone. 4.3 El campo angular. El campo angular es el campo visual que abarca el objetivo, la amplitud de la escena que el objetivo es capaz de proyectar sobre el plano focal. Cuanto menor es la longitud focal de un objetivo, mayor es su campo angular. Por ejemplo, un objetivo de 35mm tiene un campo angular mayor que uno de 85mm. En función del valor de su campo angular, los objetivos se pueden clasificar en:  Normales. Tienen un campo angular en torno a los 50°. Se llaman normales porque este campo es similar al de la visión humana.  Angulares. Su campo angular suele estar entre el rango de los 60° a los 90°. Existen objetivos angulares llamados ojos de pez que tienen campo angular de hasta 180°  Teleobjetivos. Su campo angular es menor que el de los objetivos normales. Habitualmente está entre los 28° y 8°, o incluso menor en el caso de grandes teleobjetivos. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 27 La distancia hiperfocal está delimitada por tres parámetros: el tamaño del círculo de confusión c, la distancia focal f’ utilizada y la apertura del diafragma N.. Al modificar alguno de estos valores la distancia hiperfocal cambia. El tamaño del círculo de confusión cno va a cambiar, pero se puede variar la apertura y la longitud focal, aunque el valor de estos parámetros está condicionado por la hiperfocal que se quiere conseguir. Figura 14. Cuadro resumen con los factores que influyen en la profundidad de campo. Fuente: https://aprendofotografia.wordpress.com 4.6. El exposímetro. El exposímetro es el instrumento que mide la luz que incide en la cámara. En fotografía se utiliza para determinar la correcta exposición y permite determinar cuál combinación de apertura de diafragma y velocidad le conviene teniendo en cuenta el ISO de la cámara. Actualmente las cámaras traen incorporado un exposímetro. Existen dos tipos de exposímetros en dos en función del método que utiliza para medir la luz. Estos son:  De luz reflejada: Mide la luz que se refleja en las superficies.  De luz incidente: Mide la luz que incide sobre el fotómetro. Figura 15. Medición de la luz con el exposímetro. Fuente: http://www.digitalfotored.com/fotografia/exposimetros.htm La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 28 En las cámaras réflex, el exposímetro está a la vista a través del visor y permite ver la combinación adecuada de diafragma N y tiempo t para una exposición correcta. Las cámaras de móviles modernas, sólo miden la luz que se refleja en el sujeto, pero no la que se proyecta sobre él. Por eso la cámara del móvil por sí sola no puede medir la luz incidente en cada una de las partes del encuadre. Existen exposímetros manuales, que permiten tener un mayor control al hacer la toma y medir la luz en puntos específicos. Estos exposímetros miden tanto la luz reflejada como la incidente. Los principales modos de medición del exposímetro de la cámara son los siguientes: Medida matricial. Nació en 1983 a través del modelo "FA" de Nikon . Este presenta el sistema AMP (Advance Multi Pattern ). Este sistema se basa en una "matriz" que posee uno o varios sensores, que dividen la escena en varios segmentos, deduciendo la luz que hay en cada uno de ellos, El procesador integrado calcula el promedio de todos los segmentos, infiriendo la medición total. En la actualidad, algunas cámaras dividen la escena en más segmentos, llegando en las cámaras profesionales a 16 segmentos. Medida puntual. Se mide la cantidad de luz que incide en una región muy pequeña del sensor, abarcando aproximadamente un 3% de la escena. Coincide aproximadamente con el cuadrado que suele indicar el enfoque en el sensor. El resto de la escena no se mide. Medida ponderada. Es el método, también conocido como promediado al centro, equilibra algo más los valores de medición. Da mucho más peso a la luz que mide en el centro (con el sistema puntual), pero también tiene en cuenta los valores que recoge de la zona externa a esa superficie más interior. Con este modo se tiene en cuenta la luz que llega a toda la superficie del sensor, aunque tiene un mayor peso en el cálculo la luz de la zona central. 4.7. El balance de blancos. Los colores registrados por la cámara digital dependen de la fuente de iluminación. La luz que entra por el diafragma y registra el sensor no es siempre la misma. Puede ser natural o artificial, existiendo subtipos que dependen de una serie de características diferenciadoras. Una de ellas es la temperatura de color. La temperatura de color de una fuente de luz se define comparando su color dentro del espectro luminoso con el de la luz que emitiría un cuerpo negro calentado a una temperatura determinada. Se trata de un cuerpo teórico, el cual no absorbe ni refleja ninguna frecuencia lumínica, es capaz de irradiar luz según aumenta de temperatura. A cada temperatura a la que se caliente dicho cuerpo emitirá una determinada longitud de onda (color) que tendrá una energía máxima. Lo más parecido a dicho cuerpo son las estrellas, aunque éstas absorben una cierta cantidad de luz de diversos colores según sea su La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 29 composición. De hecho, analizando el espectro de colores de la luz emitida por una estrella, se puede averiguar su temperatura y su composición en base a las líneas ausentes en el mismo. La temperatura de color se mide en Kelvin, según una norma que sitúa en 5.500 K la luz del día teóricamente perfecta. Para días nublados, la temperatura del color sube (se produce una dominancia del azul) hasta los 12.000 K, mientras que en el interior de una casa con iluminación artificial esa temperatura baja a unos 2.500 K, con una dominancia del rojo. Por tanto, cuanto más cálida sea la luz (amarillo-rojo) más baja será la temperatura de color y cuanto más fría (azul), más alta la temperatura de color. Figura 16: Temperatura de color en escala Kelvin. Fuente: http://miracled.es/index.php?route=information/information&information_id=8 Las cámaras digitales tienen una opción de configuración que permite indicar distintos modos de balance de blancos, que varían la manera por la cual se percibe la temperatura del color, ajustando los niveles de los colores básicos (RGB - Red, Green, Blue), en función de las distintas condiciones de iluminación como pueden ser fotografías a la luz del día con días soleados, días nublados, iluminación artificial por bombillas incandescentes (tungsteno), o luz fluorescente, etc… 4.8. Espacios de color Un espacio de color es un rango de colores definido que captura la cámara. Los espacios de colores bien documentados incluyen sRGB, AdobeRGB y ProPhotoRGB. El sistema visual humano no es un sensor RGB simple pero se puede aproximar cómo responde el ojo humano al diagrama de cromaticidad CIE 1931 que muestra la respuesta visual humana con una forma de herradura. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 30 Figura 17. Comparativa de distintos espacios de color y la percepción de color del ojo humano. Fuente: http://photodiaspora.blogspot.com.es/ En la figura se observa que en la visión humana se detectan muchos más tonos de verde que de azul o rojo. El sistema sRGB fue definido por las empresas Hewlett Packard y Microsoft pensando sobre todo en las fotografías que se visualizan por Internet, ya que asume un promedio del espectro de color que suelen reconocer los monitores, con la salvedad de aquellos de gama alta que lo superan . El sistema AdobeRGB está especialmente indicado para la edición de fotografías e imágenes de alta calidad y para su posterior conversión a CMYK. CMYK es el modelo de gestión de color utilizado por la mayoría de imprentas. Por ello, AdobeRGB parece más apropiado para gestionar fotografías que van a ser impresas para publicaciones, exposiciones, etc. El sistema ProPhoto es espacio de color con mayor riqueza tonal y se usa frecuentemente para archivar documentos. Puede codificar casi todo el rango de colores detectados por el ojo humano e incluso codificar colores que el ojo humano no puede detectar. 4.9. Análisis de parámetros de calidad 4.9.1. La resolución. Se define la resolución como la capacidad del sistema para mostrar los detalles más pequeños de la imagen. La riqueza de detalles que puede ser resuelta por la cámara fotográfica depende de la habilidad de esta para hacer que los puntos del objeto que están muy cercanos aparezcan en la imagen como puntos separados. Mientras más corta sea la distancia entre esos puntos del objeto, más finos serán los detalles. La distancia mínima de separación entre esos dos puntos y’min se conoce como Límite de Resolución o Poder de Resolución y puede ser utilizada como un indicador de calidad de la cámara fotográfica. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 31 Figura 18. Límite de resolución Los dos elementos que más influyen en la resolución de la cámara fotográfica son el objetivo y el sensor. El objetivo a través de sus aberraciones y el sensor debido a su mestreo espacial. 4.9.1.1. Resolución del objetivo. Figura 19. Límite de resolución de un objetivo fotográfico En un objetivo fotográfico cuyas aberraciones ópticas estén corregidas hasta difracción la resolución lineal y’min,O del objetivo en el plano del sensor se expresa como1: Mientras que la resolución lineal ymin, O en el espacio objeto es: Donde m es el aumento lineal entre el objeto y la imagen. Si consideramos la resolución frecuencial u’L, O su expresión viene dada por1: 1 J. Escofet. “La càmera fotogràfica”. Apuntes de la asignatura “Óptica Geométrica y Instrumental”. Facultad de Óptica y Optometría. Terrassa. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 32 Cuyo valor conjugado en el espacio objeto es: 4.9.1.2. Resolución del sensor Consideremos un sensor formado por un mosaico de fotodiodos o píxeles cuadrados iguales entre sí según se muestra en la figura 20. Figura 20. Esquema de sensor digital y resolución. Sea p la distancia entre dos píxeles contíguos (pixel pitch). Sean x e y las dimensiones lineales del sensor en las direcciones horizontal y vertical respectivamente y sean Nx y Ny el número de píxeles en las direcciones anteriores. Dos puntos serán resueltos cuando su posición en la matriz de píxeles esté separada una distancia 2p. y'min,S 2p El valor de p se obtiene según se muestra la figura 20: La resolución lineal del sensor ymin, S en el espacio objeto es: ymin, S y'min, S m  2p m Si consideramos la resolución frecuencial u’L, S su expresión viene dada por1: La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 33 u'L, O  1 2p pl mm Cuyo valor conjugado en el espacio objeto es: uL, O  m 2p pl mm Figura 21. (a) El sensor resuelve la frecuencia del objeto. (b) El sensor no resuelve la frecuencia del objeto. La resolución de la cámara fotográfica y’min viene dada por la peor resolución del sistema objetivo sensor, de este modo: y'min max y'min,O; y'min,S    max  N1m  ; 2 p   Que expresado en el espacio objeto será: ymin max ymin,O; ymin,S    max  N1m   m; 2p m       Si los valores se expresan como frecuencias tendremos que la frecuencia límite en el espacio imagen u’L viene dada por: u'L  min u'L,O;u'L,S  min 1  N1m  ;1 2p       La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 34 Y en el espacio objeto: 4.9.2. La función de transferencia de la modulación La función de transferencia de contraste (MFT, modulation transfer function) permite ver que alteraciones sufren las variables frecuencia y modulación por el paso de la luz por cada componente del sistema fotográfico. Todos estos componentes tienen su propia función de transferencia de contraste. El contraste es la diferencia de tonalidad con la que se registra, percibe o reproduce un par de líneas, negra y blanca. El contraste es máximo, del 100%, cuando se consigue distinguir ambas líneas perfectamente, como una línea puramente negra y una línea puramente blanca. Pero cuando el contraste es menor se ven dos líneas grises, pero de intensidades diferentes. Resolución y contraste son las dos caras de la misma moneda. Cuando el contraste cae por debajo de cierto nivel no se percibe detalle (se necesita al menos un 5% de contraste para percibir algún detalle, aunque un 15-20% debe considerarse un mínimo razonable en la práctica). Por otra parte, el detalle se muestra de forma más clara y nítida cuanto más alto es el contraste. En la figura 22 se puede observar que al menor contraste, menos clara es la separación de líneas. Figura 22. Contraste y nitidez de imagen Fuente: http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF.html Las funciones de transferencia de contraste (MTF) muestran una relación inversa entre sus principales variables, es decir, el contraste se reduce conforme aumenta la resolución. Esto quiere decir simplemente que el objetivo tiene dificultad en distinguir nítidamente los detalles cuanto más finos son éstos. También se produce una pérdida de contraste cuando se aleja del centro de la imagen, que en algunos casos puede llegar a ser sustancial. De hecho, las MTF se La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 35 representan como curvas que muestran, para cada abertura y distancia focal de un objetivo, y en un punto concreto de la imagen, la relación decreciente entre contraste (en tantos por uno) y resolución espacial (en pares o ciclos por milímetro). Pero también pueden presentarse gráficamente como una curva que relaciona contraste (en tantos por uno) y distancia respecto del centro de la imagen (en milímetros), para resoluciones escogidas (en pares por milímetro, suelen ser 5 lp/mm, 10 lp/mm, 20 lp/mm, 30 lp/mm y 40 lp/mm, o cualquier selección de esos números, pues son las determinantes de la calidad percibida en impresiones de tamaño moderado, tradicionalmente cercano a un A4, a una abertura y distancia focal determinadas, en la dirección sagital (radial) y tangencial (hay por tanto dos MTF para cada punto de la imagen). La resolución y el contraste final de la imagen resultante dependerá de las MTF de cada eslabón del proceso. La figura 23 es una ilustración de esta idea: Figura 23. Contraste y resolución de los diferentes eslabones de la cadena de imagen Fuente: http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF.html Existen diferentes modos de medir la MTF de un sistema. En nuestro caso el método utilizado es método del borde inclinado (Figura 24). Para ello se traza un perfil del borde conocida como ESF del inglés Edge Spread Function. La derivada de este perfil proporciona la LSF (Line Spread Function) que equivale a la imagen de un punto. La Transformada de Fourier de la LSF proporciona la MTF. Figura 24. Test del borde inclinado. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 36 4.9.3. La relación señal ruido para diferentes ISO. El ruido digital es la variación aleatoria del brillo o el color en las imágenes digitales producido por el dispositivo de entrada (la cámara digital en este caso). El ruido en fotografía digital se refiere a los puntos de color repartidos al azar en la imagen obtenida, especialmente en las áreas de sombra y zonas monocolor. El ruido de las fotografías digitales es habitualmente comparado con el grano de la película fotosensible. Como ya se ha definido anteriormente, un sensor está compuesto por una malla de celdas fotosensibles, encargadas de recibir la imagen formada por las lentes de la óptica de la cámara. Cada una de esas celdas contendrá uno o más fotodiodos con capacidad de convertir la luz en una señal eléctrica, para ser procesada como una imagen (color), es decir, será convertida a datos numéricos que se almacenarán en forma binaria en la memoria de la cámara para dar origen a un píxel. Lo cierto es que esa actividad eléctrica, en si misma, generará una cierta señal aun en ausencia de luz, que oscilará en relación con la temperatura, generando datos al azar, que originarán ruido. La sensibilidad de cada uno de los píxeles del sensor es fija, correspondiéndose al valor más bajo de ISO que ofrece la cámara (generalmente 100 ISO). El aumento de la sensibilidad (200, 400, 800 ISO o más) no se logra por el incremento de la sensibilidad de los fotones, sino a través de la amplificación posterior de la señal que estos emiten. Al capturar una señal luminosa débil (sombras, foto nocturna…), en el caso de amplificarla al hacer uso de un valor alto de ISO, se están ampliando los datos aleatorios (puntos de color dispersos por la toma) fruto de la actividad eléctrica del sensor; es decir, aumenta el ruido de la fotografía, que al mismo tiempo se verá incrementado con los tiempos largos de exposición (más de 2 segundos) y altas temperaturas. La relación señal ruido (a menudo abreviado como SNR o S/R) es una medida de ingeniería electrónica que define la relación entre la potencia de una señal con la potencia del ruido que la corrompe. En términos menos técnicos, la relación señal ruido compara el nivel de una deseada señal (como imagen) con el nivel del ruido. Cuanto más alto es el valor de esta relación, menos molesto es el ruido. En general cuanto más alta es la señal sobre el ruido mejor; la señal es más clara. Los fotones capturados por un sensor siguen una distribución aleatoria. Por tanto, la raíz cuadrada del número de fotones captado es ruido, es decir, fotones que han caído en la celda por error. Es lo que se conoce como 'photon noise' o 'shot noise'. El tamaño de la celda determina el número de fotones capturados en un período determinado, y cuantos más fotones son atrapados mayor será la razón señal-ruido. En efecto, si se capturan 400 fotones 20 son de ruido (5% del total), la razón señal ruido será de 400/20=20. Pero si la captura es de sólo 16 fotones 4 serán ruido (el 25%), y la razón señal ruido será igual a 16/4=4, mucho menor. 4.9.4. El rango dinámico. El rango dinámico es un concepto físico aplicable a cualquier señal que varíe en función de una determinada variable independiente. Mide la relación existente entre los valores máximo y La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 43 5.8. Sensor. Las características principales de los sensores que se utilizaron para este estudio se encuentran en la tabla siguiente: Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 Tipo de sensor CMOS CMOS Tamaño del sensor, mm 22.3x14.9 4.69x3.52 Diagonal sensor, mm 26.8 5.86 Numero de pixeles del sensor 18 Mp 13 Mp Tamaño de pixel 18.5 µm 1.14 µm Factor recorte (FR) 1.6 7.38 Relación de aspecto (RA) 3:2 4:3 Formatos de imagen RAW, JPG JPG Sensibilidad ISO AUTO (100-6400) AUTO (100-800) 5.9. Campo Angular. Figura 30. Campo angular de una cámara fotográfica. Tal como se ha descrito anteriormente el campo angular depende de la focal del objetivo f’ y del tamaño del sensor (diagonal d). Se calcula según la fórmula: Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 Campo angular f’ = 18 mm; 2ω = 73,3º f’ = 4,2 mm; 2ω = 69,8º f’ = 55 mm; 2ω = 27,4º La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 44 5.10. Distancia hiperfocal. Calculamos la distancia hiperfocal aplicando la formula: Canon EOS 550D Rebel T2i Samsung Galaxy S4 FR = 1,6 FR=7,38 c=c0/FR=0,030/1,6=0,019 mm c=c0/FR=0,030/7,38=0,0041 mm H  f'2 Nc 182 3,4 0,019  5,015 mm  5 m. 5.11. Menús. SLR Canon EOS 550D. La relación de menús es muy variada. A continuación, y a modo de ejemplo, se muestran algunas de ellas. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 45 Figura 31. Ejemple de menú de la cámara Canon EOS 550DFuente: http://www.imaging-resource.com/PRODS/T2I/T2IMENUS.HTM Samsung Galaxy S4. El menú de la cámara móvil se divide en tres partes: opciones de la cámara fotográfica, video y opciones generales. A continuación se representa un ejemplo del menú: La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 46 Figura 32. Ejemplo de menú del Smartphone Samsung Galaxy S4 En la pantalla del móvil se encuentran las opciones de cambio de la cámara, que permite realizar fotos de la cámara principal o frontal del teléfono. Otra opción del menú es la posibilidad de visualizar imágenes de ambas cámaras en la misma pantalla. Al lado del botón de disparo hay un botón que permite elegir el modo de fotografiado. También, se puede encontrar un botón para poder acceder al menú de opciones de la cámara que incluye la siguiente información: Opciones de foto: Opciones de video: Opciones: Tamaño de foto Disparo continuo Detección de rostro Modos de medición ISO Antivibración Detección automática de noche Guardar como Tamaño de video Estabilización vídeo Etiqueta de ubicación Revisar fotos/vídeos Tecla de volumen Cuenta atrás Balance de blancos Valor exposición Instrucciones Flash Control de voz Nombre de archivo Restablecer 5.12. Modos de fotografiado. Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 Auto, retrato, paisaje, primer plano, deportes, retrato nocturno, flash desactivado, película, AE programada, AE con prioridad de obturador, AE con prioridad de abertura, manual, A-DEP Autoretrato, beauty face, best photo, Best face, sound & shot, drama, foto animada, HDR, borrado, panoramica, deportes, noche. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 47 5.13. Resolución. Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 • 5184 x 3456 ≈ 18 MP • 3456 x 2304 ≈ 8 Mp • 2592 x 1728 ≈ 4.5 Mp • 4128 x 3096 ≈ 13 Mp • 4128 x 2322 ≈ 9.6Mp • 3264 x 2488 ≈ 8 Mp • 3264 x 1836 ≈ 6 Mp • 2048 x 1152 ≈2.4 Mp 5.14. Balance de blancos. Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 • Balance de blancos automático (AWB), • Luz del día • Sombra • Nublado • Tungsteno • Luz fluorescente blanca • Flash • Personalizado • Compensación de balance de blancos: 1. Azul/ámbar +/-9 2. Magenta/verde +/-9. • Auto • Luz del día • Nublado • Incandescente • Fluorescente 5.15. Medición de luz. Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 • Medición TTL a plena abertura con SPC en 63 zonas • Evaluativa (relacionada con todos los puntos AF) • Medición parcial en el centro (aprox. 9% del visor) • Medición puntual (aprox. 4% del visor en el centro) • Medición promediada con preponderancia central • Centro-compensado • Matriz • Punto 5.16. Enfoque. Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 • AF de 9 puntos. • Selección de punto AF automática y manual. • Modos de AF: Foto a foto, AI focus, AI servo • Auto enfoque • Selección manual del punto de AF. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 48 5.17. Resolución de pantalla. Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 • 3.0" 3:2 TFT LCD • 1040,000 pixels • Cobertura aproximada del 100% • 7 niveles de brillo • 5.0" • 1080 x 1920 = 2073,600 pixels 5.18. Resolución de video. Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 • 1920 x 1080 (1080p, 16:9) @ 30/25/24 fps • 1280 x 720 (720p, 16:9) @ 60/50 fps • 640 x 480 (4:3) @ 60/50 fps • Quicktime MOV format (H.264 video,linear PCM audio) • Grabación hasta 29 min 59 sec (o tamaño máximo de archivo 4 GB) • 1920 x 1080p@30fps, dual-video rec (16:9) • 1440x1080 (4:3) • 1280x720 (16:9) • 320x240 (4:3) 5.19. Medida de parámetros de calidad 5.19.1. Ruido Medimos la cantidad de ruido a través de la relación señal ruido de una imagen. Se define la relación señal ruido SNR de una cámara como el cociente entre el valor medio de intensidad de una imagen uniforme y la desviación estándar de los valores de intensidad. Utilizaremos la formula: Expresaremos el valor de SNR también en decibelios (dB) aplicando la formula: Para medir el valor medio de la imagen se usa el programa de procesamiento de imágenes ImageJ. Realizamos fotografías del test de color con las dos cámaras de foto. Con cada toma de foto variamos el nivel de sensibilidad ISO. El ejemplo del test de color se da a continuación: La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 49 Figura 33. Test de color. Después de realizar las fotografías, las últimas se pasan al formato de blanco y negro. Con el ImageJ determinamos el valor de la intensidad y de la desviación de estándar de los siguientes archivos: Formato .tif (16 bits) Formato .jpg (8 bits) IMG_7013_g.tif 100 ISO IMG_7013.jpg 100 ISO IMG_7014_g.tif 200 ISO IMG_7014.jpg 200 ISO IMG_7015_g.tif 400 ISO IMG_7015.jpg 400 ISO IMG_7016_g.tif 800 ISO IMG_7016.jpg 800 ISO IMG_7017_g.tif 1600 ISO IMG_7017.jpg 1600 ISO IMG_7018_g.tif 1600 ISO IMG_7018.jpg 1600 ISO IMG_7019_g.tif 3200 ISO IMG_7019.jpg 3200 ISO IMG_7020_g.tif 6400 ISO IMG_7020.jpg 6400 ISO Los archivos tif corresponden al formato RAW de la cámara Canon. Con la cámara Samsung procesamos solo una imagen correspondiente al archivo 20160122_113438.jpg con el ISO100. En las demás imágenes aparecen bandas lo que hace imposible realizar medidas. En la figura 34 se puede observar la diferencia de calidad de imagen hecha con ISO 100 y 400. 20160122_113438.jpg ISO 100 20160122_112749.jpg ISO 400 Figura 34. Ejemplos de fotos hechos por la cámara Samsung Galaxy S4 con ISO 100 y 400. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 50 Tras obtener las medidas de valores de intensidad y desviación estándar de cada imagen calculamos SNR y SNR(dB) aplicando las formulas mencionadas anteriormente. Los resultados representamos gráficamente utilizando aplicación Excel. En el anexo 9.1 se observan las graficas de barras que corresponden al nivel del ruido que tiene cada parche de color cuando la sensibilidad ISO varía. También aparece la grafica comparativa entre SNR de la cámara Canon y Samsung de la imagen captada con ISO 100. 5.19.2. MTF Uno de los parámetros que caracterizan un sistema óptico es la determinación de su poder resolutivo. Este límite se denomina el límite de la resolución o la frecuencia de Niquist, la máxima frecuencia de una señal que puede ser reproducida con una determinada frecuencia de muestreo y se expresa en pares de líneas por milímetro (lp/mm). El valor teórico se calcula según la fórmula: Buscaremos el valor de la frecuencia Niquist para cada uno de los dispositivos: Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 La frecuencia limite difractiva es otro factor que limita la resolución del sistema óptico. Su valor se determina según la fórmula: Teniendo en cuenta que m≈0, entonces Calculamos la frecuencia limite difractiva para cada dispositivo: Canon EOS 550D Samsung Galaxy S4 A la vista de los resultados obtenidos la resolución de las dos cámaras está limitada por el muestreo de la matriz del sensor. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 51 Para comprobar en la práctica las resoluciones límite encontradas determinaremos la MTF utilizando el programa ImageJ con su método denominado SET (Slanted Edge Test o Test del borde inclinado). Para eso realizamos varias fotos del test con la cámara y con el teléfono móvil. Con la cámara Canon realizamos varias fotos con la distancia focal distinta, el móvil solo ofrece una distancia focal. El ejemplo del test es el siguiente: Figura 35. Test del borde inclinado. Fuente propia. La cámara Canon EOS 550D permite hacer fotos en dos formatos, RAW y JPG, en cambio la Samsung ofrece un formato, JPG. Entonces, procesaremos tres tipos de fotos correspondientes a los formatos disponibles. Para facilitar el proceso y poder comparar los resultados, los archivos procesados pasan en el formato de blanco y negro. La primera serie de archivos es: IMG_7003_g.tif (f’ = 18 mm; N=11) IMG_7004_g.tif (f’ = 24 mm; N=11) IMG_7005_g.tif (f’ = 34 mm; N=11) IMG_7006_g.tif (f’ = 55 mm; N=11) Son archivos obtenidos a partir del formato RAW que solo corresponde a la cámara Canon. La segunda serie de archivos a procesar es la siguiente: IMG_7003_g.jpg (f’ = 18 mm; N=11) IMG_7004_g.jpg (f’ = 24 mm; N=11) IMG_7005_g.jpg (f’ = 34 mm; N=11) IMG_7006_g.jpg (f’ = 55 mm; N=11) 20160122_113904.jpg Dichos archivos corresponde al formato JPG de ambas cámaras. Las curvas de MTF obtenidas se encuentran en el anexo 9.2. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 52 La grafica ESF representa el borde o transición entre la zona negra y blanca. La parte inferior corresponde a la zona negra y la parte superior la zona blanca. La pendiente es la zona de paso entre un área y el otro, cuanto más definida esta, mas contraste hay en el borde. La curva MTF tiene la forma S poco pronunciada, demuestra cómo se reduce el contraste a medida que se decrece la respuesta espacial. 6. VALORACIÓN, PROS Y CONTRAS El diseño de las dos cámaras es totalmente distinto, la cámara réflex es una cámara de foto, con una posibilidad de grabación y reproducción de video. La cámara del teléfono móvil físicamente forma parte de un Smartphone y es una de las muchas opciones de ese dispositivo. Permite realizar las mismas tareas que la cámara réflex y no ocupa espacio adicional. El usuario puede llevarla en el bolsillo y utilizar en cualquier momento. La réflex tiene dimensiones y peso significativo, no puede estar siempre a mano. Una sesión con una cámara réflex se planifica y se organiza con antelación. En cambio, la cámara del móvil es accesible y se abre con el movimiento de un dedo. Otra diferencia, es que realizando una foto con la cámara réflex el fotógrafo observa el objeto tal como lo ve sin la cámara (observación directa), si se usa la cámara del móvil, se observa la imagen del objeto a fotografiar en la pantalla del móvil. Veamos la comparación de los objetivos de los dos dispositivos. La cámara Canon permite cambiar los objetivos lo que significa cambiar prestaciones de la cámara entera. Para hacer el trabajo el objetivo disponible es EFS 18-55. La variación de la distancia focal abarca el rango entre 18 y 55mm y el diafragma puede cambiar entre f/3.5 y f/5.6. La cámara del móvil tiene objetivo fijo con la óptica fija. La distancia focal única de 4,2 mm. El diafragma mantiene valor de f/2.2. La posibilidad de cambiar la distancia focal y de diafragma da la ventaja a la cámara canon en cuanto a variar la exposición, controlar profundidad de campo, iluminación y campo angular. Por otro lado toda esa ventaja requiere espacio para poder reorganizar la posición de lentes, la cámara se hace más gruesa y de mayor peso. La óptica de la cámara móvil es fija y se encuentra dentro de la carcasa del mismo cuerpo del Smartphone. La única posibilidad de hacer la imagen más creativa es a través del software de la cámara que ofrece muchos modos de fotografiado. La cámara Canon EOS 550D tiene el zoom óptico el cual necesita muchos elementos (lentes) para lograr buena calidad de imagen a diferentes focales. La cámara Galaxy S4 presenta una estructura mucho más integrada y simple debido a la tendencia de móviles a ser más delgados. La cámara Samsung utiliza el zoom digital, una aplicación del móvil que permite agrandar imagen sin mover lentes del objetivo. Aunque el zoom digital de la cámara móvil no logra utilizar el zoom sin la perdida de la calidad de imagen. Algunos móviles poseen cámaras de mayor resolución que permite usar el zoom digital sin pérdida de calidad mediante la técnica de sobre-muestreo, en el que una pluralidad de píxeles se combinan para formar uno. Por lo tanto, el nivel de detalle de las imágenes es mejorado y reduce significativamente el ruido digital. El número de diafragma determina la cantidad de luz que llega al sensor a través del objetivo. Cambiando el número de diafragma se puede controlar la cantidad de luz entrante. Esta posibilidad existe en la cámara Canon, mientras la de Samsung tiene la apertura fija de f/2.2. Para compensar la luminosidad del objetivo al hacer fotos en situaciones en las que la luz La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 59 Ojeda J. 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Comparación de relación señal ruido de los archivos JPG (db) La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 62 Grafico 5. Comparación de relación señal ruido de los archivos JPG de la cámara Canon EOS 550D y Samsung Galaxy S4. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 63 9.2. MTF. IMG_7003_g.tif (f’ = 18 mm; N=11) IMG_7004_g.tif (f’ = 24 mm; N=11) IMG_7005_g.tif (f’ = 34 mm; N=11) IMG_7006_g.tif (f’ = 55 mm; N=11) Grafico 6. Cámara Canon EOS 550D Rebel T2i. Curvas MTF de los archivos TIF. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 64 IMG_7003_g.jpg (f’ = 18 mm; N=11) IMG_7004_g.jpg (f’ = 24 mm; N=11) IMG_7005_g.jpg (f’ = 34 mm; N=11) IMG_7006_g.jpg (f’ = 55 mm; N=11) Grafico 7. Cámara Canon EOS 550D Rebel T2i. Curvas MTF de los archivos JPG. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 65 Grafico 8. Samsung Galaxy S4. Curva MTF. 20160122_113904_g.jpg La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 66 IMG_7003_g.tif (f’ = 18 mm; N=11) IMG_7004_g.tif (f’ = 24 mm; N=11) IMG_7005_g.tif (f’ = 34 mm; N=11) IMG_7006_g.tif (f’ = 55 mm; N=11) Grafico 9. Cámara Canon EOS 550D Rebel T2i. Curvas SNF de los archivos TIF. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 67 IMG_7003_g.jpg (f’ = 18 mm; N=11) IMG_7004_g.jpg (f’ = 24 mm; N=11) IMG_7005_g.jpg (f’ = 34 mm; N=11) IMG_7006_g.jpg (f’ = 55 mm; N=11) Grafico 10. Cámara Canon EOS 550D Rebel T2i. Curvas SNF de los archivos JPG. La cámara fotográfica y cámara del móvil. Comparación de características y prestaciones. Análisis de parámetros de calidad. 68 20160122_113904_g.jpg Grafico 11. Samsung Galaxy S4. Curva SNF.