El ISO no enciende nada: cuánta ganancia hace falta de verdad de noche

El deslizador del ISO es el control más fácil de alcanzar en cualquier aplicación manual, y a oscuras es también el más tentador. Treinta segundos de exposición no sacan la Vía Láctea de la pantalla, así que uno sube la ganancia, la vista previa se aclara y el asunto parece resuelto. Luego llega a casa y se encuentra un apilado lleno de estrellas blancas e hinchadas sobre un fondo con textura de arena mojada. Ese deslizador nunca ha dejado entrar un fotón de más por el objetivo. Entender qué mueve en realidad es lo que separa una noche aprovechada de una noche simplemente amplificada.

El fotosito cuenta, la ganancia multiplica

Un fotosito trabaja en un orden fijo. Recoge fotones durante toda la exposición, los convierte en electrones y amontona esa carga en un pozo. Cuántos electrones acaban ahí depende de tres cosas y de ninguna más: cuánta luz manda ese trozo de cielo, cuánto abre el objetivo y cuánto tiempo permanece abierto el obturador. La ganancia entra en escena cuando la recogida ya terminó, en el momento de leer la carga. Amplifica un voltaje antes de que el convertidor analógico-digital lo convierta en un número.

Por eso la palabra «sensibilidad» aplicada al digital es una herencia de la película. La norma que regula todo esto, ISO 12232:2019, no define una sensibilidad y se acabó: define cuatro magnitudes (índice de exposición, ISO speed, standard output sensitivity, recommended exposure index), y eso ya dice bastante. En una cámara digital, la relación entre la luz que llega y el número que aparece en el archivo es una convención del fabricante, construida con ganancia variable y procesado posterior a la captura. En el carrete el ISO era una propiedad química de la emulsión. En el teléfono es una tabla de conversión.

El ruido que ninguna ganancia baja

Hay un límite anterior al sensor, anterior al objetivo, anterior a todo lo que usted tenga. Los fotones llegan en instantes aleatorios y su recuento sigue una distribución de Poisson: el ruido sobre un recuento de N electrones vale la raíz cuadrada de N. Es la misma cuenta que el Space Telescope Science Institute pone en la base de sus cálculos de tiempo de exposición en el Instrument Handbook de la WFPC2, para el Hubble, y sirve igual para su teléfono sobre un trípode de cuarenta euros.

Las consecuencias se tocan con la mano. Un píxel que ha recogido 100 electrones lleva consigo 10 electrones de ruido intrínseco: relación señal ruido de 10, y no hay electrónica en el mundo que la mejore. Amplifíquelo por ocho y tendrá 800 electrones de señal con 80 de ruido. Sigue siendo 10. La imagen en pantalla está más clara y la información que contiene no se ha movido un milímetro. Subir el ISO enseña antes lo que ya está ahí. A lo que hay no le añade nada.

Donde acaba lo analógico y empieza el cálculo

Aquí viene la parte útil sobre el terreno. La ganancia analógica de verdad, la que se aplica al voltaje antes de la conversión, sólo existe hasta cierto punto de la escala. La documentación de la API Camera2 de Android lo declara sin rodeos mediante la característica SENSOR_MAX_ANALOG_SENSITIVITY: por debajo de ese valor el dispositivo garantiza amplificación puramente analógica, y por encima el resto lo pone el procesador de imagen, es decir, una multiplicación hecha sobre números ya digitalizados.

Esa multiplicación podría hacerla usted después, con cualquier deslizador. Hacerla en la cámara tiene un precio: infla los valores altos hasta saturarlos y así los escribe en el archivo, y en los teléfonos que aplican mapeo tonal antes de guardar, el destrozo es definitivo. Si su aplicación de captura muestra ese dato, mírelo una vez y memorícelo, porque marca el techo a partir del cual paga en rango dinámico algo que no recibe en señal. Si no lo muestra, queda la vía empírica: subir por escalones y localizar el punto en que el fondo de cielo se aclara mientras las estrellas débiles dejan de ganar contraste.

El único ruido sobre el que la ganancia sí manda

Existe una excepción honesta, porque de lo contrario todas las cámaras funcionarían a ganancia fija. El ruido de lectura, el que introduce la electrónica justo cuando mide la carga, se comporta distinto del ruido de Poisson: al subir la ganancia de conversión, la señal útil se amplifica antes de la etapa ruidosa y el ruido de lectura referido a la entrada baja. De ahí que los sensores modernos lleven doble ganancia de conversión, con un modo de ganancia alta pensado para escenas oscuras.

El precio está escrito en el mismo renglón. Subir la ganancia de conversión acorta el pozo. Un píxel bien documentado, el diseño de doble ganancia de conversión de 0,8 micras para un sensor de 64 megapíxeles presentado en el IEDM de 2019, declara una capacidad de 12 000 electrones a pozo lleno. A ese nivel el ruido de Poisson ronda los 110 electrones, así que la relación señal ruido anda por 110: el máximo teórico que ese píxel puede dar en una toma única. En modo de ganancia alta el pozo se acorta y ese máximo baja con él. Gana en las sombras y devuelve en las luces. Las estrellas brillantes viven en las luces.

El criterio práctico, en tres movimientos

El tiempo de exposición se decide primero, y quien lo decide es la rotación terrestre a través del límite tras el cual las estrellas se alargan. Eso es una restricción geométrica. Lo demás va detrás.

Fijado el tiempo, la ganancia tiene una sola misión: despegar el fondo de cielo del final de la escala. Si la señal del cielo se queda pegada al cero, los pocos electrones recogidos acaban aplastados en los primeros niveles del convertidor y la cuantificación se come una parte. La referencia es el histograma y no la vista previa: el pico del fondo debe separarse del borde izquierdo y colocarse alrededor de un décimo de la altura. Cada paso de ISO más allá es rango dinámico regalado.

Tercer movimiento, el que siempre se olvida. El ISO se mantiene idéntico durante toda la sesión, tomas de calibración incluidas: el ruido de lectura y el offset se desplazan con la ganancia, y un dark tomado a otro ISO resta algo que sus tomas no contienen. Lo mismo vale al revés. Si a mitad de noche sube la ganancia porque la Luna se ha puesto, tiene dos series, y como dos series hay que tratarlas.

Trescientas tomas ganan a cualquier deslizador

La cuenta que cierra el asunto no cambia nunca. Al apilar N tomas alineadas, la señal crece con N mientras el ruido aleatorio crece con la raíz de N: cien exposiciones integradas valen diez veces la relación señal ruido de una sola. Ninguna posición del deslizador del ISO hace nada parecido, por el sencillo motivo de que la ganancia amplifica también el ruido que pretende tapar. El tiempo total sobre el objetivo es la única moneda que el cielo acepta.

De ahí sale una regla que suena perezosa y funciona mejor que las alternativas: elija la ganancia más baja que mantenga el fondo de cielo separado del cero, después no la toque más y póngase con el número de tomas. Un apilado de trescientas a ganancia moderada tiene estrellas con color legible, un fondo que admite estirado y tomas de calibración que aún significan algo. Un apilado de treinta al máximo de ISO ya había dado todo lo que tenía mientras usted miraba la pantalla.

El cielo es tacaño con los fotones, pero lo es de forma equitativa. Se los queda quien aguanta más rato fuera.