La "captura" de la luz.

La luz es energía libre, por lo cual la expresión captura de la luz es un oxímoron. Sin embargo es posible capturar una Imagen, la cual es una representación de la realidad que se consigue a través del principio de transducción, en donde la magnitud física de la luz se transforma en otra, la cual es susceptible de retener en forma material.

El efecto fotoeléctrico explica un fenómeno natural en donde la luz es capaz de liberar electrones de una estructura atómica determinada.

Todo sensor digital se explica desde este primer fenómeno, el cual conviene comprender un poco más en profundidad, especialmente para técnicos de imagen digital. Una característica de este efecto que por lo tanto rige a todo sensor es que un material fotoeléctrico libera una cantidad de electricidad que es proporcional a la luz, pero no de manera directa sino lineal. Por ejemplo 100 fotones pueden liberar 50 electrones, o sea una eficiencia cuántica que puede expresarse en 50%, sin importar a qué cantidad de fotones nos referimos.

Sin embargo la eficiencia cuántica del efecto fotoeléctrico no es igual para cada longitud de onda del espectro electromagnético, lo cual define una respuesta espectral diferente para cada tipo de sensor de acuerdo a su constitución.

Los electrones liberados pueden encauzarse en una corriente eléctrica, la cual es un voltaje que fluctúa de acuerdo a la intensidad de la luz, en una proporción lineal.

Por otra parte, el sistema visual humano es parte del sistema nervioso, el cual transmite por sus nervios y neuronas energía eléctrica. Frente a un estímulo de luz, el sistema visual no genera una bioelectricidad que guarde una proporción lineal con esta luz, y su complejidad impide aún el establecer una proporción no lineal expresada en términos matemáticos.

Por otro lado existen emisores de luz capaces de ser excitados mediante la electricidad, y estos también poseen su propia eficiencia y de acuerdo a la tecnología pueden emitir una cantidad de luz en proporción lineal al voltaje, dispositivos los cuales son los de “referencia” gracias a su nobleza en su funcionamiento.

El problema inicial es entonces crear señales eléctricas proporcionales a la luz y no a la percepción de esa luz, con el objetivo de utilizar un voltaje mínimo que represente lo que percibimos como brillo.

La escena lumínica, en donde sucede la acción de la luz sobre los objetos, es entonces representada por un voltaje capaz de transducirse a luz al final de una cadena de señales de video.

La fotoquímica no lineal

Otra manera de capturar una imagen es utilizar materiales que sean fotosensibles y que cambien su constitución molecular al liberar electrones estableciendo una reacción fotoquímica

La emulsión de haluros de plata permite este fenómeno, el cual no guardará una proporción lineal con la cantidad de luz a la que fue expuesta.

Aunque no es parecida a la respuesta sensorial de nuestro sistema visual, a lo largo de años de experimentación química se han logrado resultados que han definido un canon estético de cómo representar una imagen.

En los procesos fotoquímicos iniciales, la imagen latente es revelada en un proceso posterior por el cual el haluro que ha reaccionado a la luz pasa a ser opaco, mientras el resto de haluros menos expuestos podrán ser eliminados durante el proceso. Esto establece una relación entre la luz de la escena y opacidades que no guardan entonces una relación lineal, y para estudiar esta relación se han establecido valores que representen unidades en una escala logarítmica con base 10, tanto para medir una cantidad de tiempo/valor de exposición versus una opacidad logarítmica, dando lugar a una unidad nueva llamada Densidad.

Un Densitómetro será un dispositivo fotoeléctrico que expresara valores en esta escala, y se podrá utilizar para estudiar esta relación no lineal, resultando en una función expresada en los ejes exposición/densidad una curva en vez de una recta lineal, conocida como la curva característica del soporte fotoquímico.

Será la porción central lineal de la curva lo más preciado para exponer imágenes, debido a que puede representar las cantidades de luz de manera fiel, pero esta porción puede representar una cantidad bastante limitada de contrastes.

En fotografía la escala por excelencia es la que define una relación logarítmica con base 2 (y no 10 como en la densitometría, aunque el 2 puede expresarse en esa escala con el valor 0.3). Esta escala define pasos o en inglés stops de incrementos de a doble o mitad, los cuales son traducibles a una escala de valores de exposición, los cuales puede traducirse a superficies de orificio para la cámara en relación a la longitud focal, a través del famoso número f, o en incrementos de tiempo de exposición.

Dentro de la línea recta de la curva sensitométrica caben pocos stops, pero los suficientes para representar detalle en un rango de claroscuros.

El pequeño detalle

La ambición del arte es la de a través de estímulos provocar sensaciones en todos los sentidos posibles, transmitiendo así emociones, ideas y detonar el pensamiento, resultando en un goce estético similar o diferente al placer.

En sus inicios, la fotografia blanco y negro tuvo el desafio de compararse con el arte plástico, desplazando a retratistas con un simple ojo mecanico capaz de capturar imágenes.

Estas alcanzaron cierta reputación a medida que fueron capaces de representar tantos detalles como lo que se pueden alcanzar con un lápiz.

El detalle en blanco y negro puede asociarse no sólo con la nitidez, sino también con la capacidad de representar textura, la cual suele detonar una relación de sinestesia con el sentido del tacto, el cual es capaz de percibirla.

La representación fotográfica de algo conocido sin su textura de todas maneras puede disparar el goce estético, perdiendo los objetos y retratos una de sus características esenciales de su expresividad.

Adams

Fue Ansel Adams uno de los más preocupado en establecer un sistema que permita al fotógrafo conocer qué detalles de la escena serán o no representados en la captura de la imagen.

Para ello trazó una relación entre la fotografía impresa en papel y la escala de exposición, estableciendo una correspondencia entre stops o Zonas, y los Valores de grises de la copia impresa.

El papel posee una gran limitación de contraste, pues sin importar la cantidad de luz con la que fuera iluminado, al ser un sistema de reproducción sustractivo sólo puede absorber o reflejar luz. La reflexión especular de un papel no permitiría ver la impresión, por lo cual la base de este papel es un color blanco de reflexión lo suficientemente difusa como para no reconocer la fuente de luz reflejada en su superficie.

Lo más oscuro representable en un papel depende del tipo de técnica de impresión a utilizar. Si frente a una fuente de luz constante se toman medidas fotométricas, la relación entre lo más oscuro y lo más claro apenas desarrollará unos pocos stops, lo cual podríamos definir en cinco para poder establecer algún valor frecuente.

Al momento de la captura, estos valores de impresión deberán representar las Zonas del rango de luminancias medibles en la escena, las cuales en muchos casos como escenas diurnas poseen muchas más de las representables en el papel final.

En una pelicula blanco y negro, la cantidad de zonas representables son tambien limitadas, pero pueden alcanzar hasta 7 zonas y dentro de cada una representar el detalle de las texturas de cada objeto.

Adams hacía la distinción de tipo de reflectancia entre los objetos que participan en una escena bajo una sola fuente de luz, concentrando su atención en los de reflexión difusa pues los de reflexión especular reflejan una cantidad de luz muy elevada en relación a los objetos en sombras, lo cual excede cualquier posibilidad de usar las zonas de detalle de la película para semejante amplitud de luminosidad. Elige entonces no representar detalles de "especulares" y reservar las zonas de detalles para reflexiones difusas.

Con algunas técnicas en el proceso de revelado,Adams es también capaz de desplazar las zonas y comprimirlas o expandirlas, de acuerdo al tiempo o timing de uso del químico revelador, modificando así la relación de contraste de la escena al ser representada en una imagen de valores en papel.

Su Sistema Zonal servía entonces para razonar al momento de la captura, comprendiendo a través de la medición con un fotómetro cuales objetos o partes de estos podrán o no representar detalle, incluso utilizando sus métodos de compresión de laboratorio.

En toda esta explicación vale la pena aclarar de que el propio papel que positiva la imagen posee su propia respuesta no lineal, lo cual representa una nueva curva.

Lo mismo sucede con el positivo de proyección, incluso en los positivos más modernos de Kodak como el 2383.

Sus curvas distorsionarán siempre la representación de las zonas. Además otras limitaciones como el resplandor o flare que siempre sucede en el papel o en la pantalla blanca de cine afectará más a los tonos oscuros que a los claros.

SDR

En la televisión inicial, la relación de contraste de los televisores podrían representar seis o más stops, de acuerdo a su calidad tecnológica, pudiendo llegar incluso a diez en monitores de referencia. Pero la intensidad máxima de luminancia alcanzable por el dispositivo combinado con el flare de la pantalla de vidrio resultan siempre en una reducción final del contraste, sobre todo para el espectador final el cual usa su tv en un entorno con un grado de iluminación muy superior al utilizado en una oscura sala de cine.

La imagen canónica del cine llevó a la televisión a imitarla más de una vez, desde la proporción de imagen y también desde la representación de detalle.

Las TV inicialmente fueron pequeñas en relación a la pantalla de cine, y por lo tanto ocupaban una porción del campo visual muy pequeño, lo cual permite reproducir imágenes nítidas con relativamente poca definición.

En términos de detalle de textura, la tv eligió también representar reflexiones especulares con muy poco detalle, estableciendo en la emisión de luz del dispositivo un valor bastante alto para representar la reflexión difusa de un objeto blanco.

El objeto blanco es entonces el más claro de los objetos de reflexión difusa. El mas oscuro es el negro, pero un objeto blanco puede ser mas oscuro que uno negro si no recibe nada de luz. Es por ello que conviene pensar en los objetos “negros” y “blancos” de acuerdo a su Reflectancia y no a la cantidad de luz que reflejan que es su Luminancia.

Al mirar una TV, la reflectancia no existe, pues la imagen se forma desde la emisión de luz y no desde la absorción y reflexión.

Es entonces que el rango de claridades o lightness de las reflexiones difusas se representarán en valores de luminancia y no de reflectancia como en el papel fotográfico.

La claridad máxima corresponde al blanco difuso, y para lograr la ilusión de ver reflectancias, se establece para la tv un valor de adaptación a la luz, en donde si los objetos blancos se representan constantemente a determinado nivel de luminancia, el resto de valores serán percibidos en relación a este como si se trataran de valores en papel o en un medio sustractivo.

En la TV el 90% de la señal suele representar el rango de Claridad, mientras que el último 10% representara a los objetos de reflexión especular, o objetos brillantes más allá de lo claro, lo cual comprime la luminancia de la escena en pocos valores de luminancia del tv.

Existen escenas lumínicas con más de una fuente de luz donde una misma reflectancia de objeto puede retratarse con más de un nivel de luminancia, en donde el concepto de "especularidad" pierde sentido pues la reflexión difusa puede abarcar más que el rango de claridad, ese tipo de escenas son también analizables bajo este tipo de relaciones, abstrayendo cada sector de la escena bajo su propia fuente y eligiendo cual ponderar al momento de exponer o representar en el display.

OOTF

Tanto en el papel como en el display, sea este una proyección en pantalla de cine o en un TV, los stops fotográficos se representan de manera comprimida, excepto en algunos casos donde una escena de poco rango dinámico sea capaz de reproducirse en stops de representación, o de display.

Esto establece una relación de luz de escena con luz de display, o bien una relación opto-óptica, la cual rara vez se representa de forma lineal.

 

 

Con la llegada de la digitalización de las señales eléctricas, la relación analógica del efecto fotoeléctrico, la cual es de proporción lineal, puede ser almacenada con una codificación lineal. La codificación es ese paso de un valor de señal eléctrica a otro a otro valor definido bajo una transformación matemática, en donde una variable se convierte en otra a través de una función.

Esa función puede establecer una relación opto-eléctrica no lineal, lo cual no modifica en absoluto al efecto fotoeléctrico, sino más bien en la relación de luz ya convertida por la eficiencia cuántica del sensor en electricidad, y esta electricidad volcada a una señal que se distorsiona al codificarla en valores binarios. Por lo tanto la codificación de la señal digital (y no la señal en estado analógico que aun guarda proporcion lineal con la luz) puede utilizar una función matemática que altere su relación “opto-eléctrica”, lo cual sería ideal expresar con un término más esclarecedor: función de transferencia “opto-valor de código”, lo cual en inglés quedaría horrible lamentablemente.

Las OETF son entonces funciones para no guardar la relación lineal del efecto fotoeléctrico en valores de código lineales, ahorrando así muchos valores gracias a representar a cada stop fotográfico con una cantidad similar de valores de código.

ARRI incluso en su formato ARRIRAW utiliza la codificación OETF del LogC4 para así poder guardarlo en apenas 13 bits, en vez de necesitar 18 bits lineales debido a su rango dinámico de más de 17 stops.

Dependiendo del rango dinámico de un sensor, existirán OETF diferentes para almacenar cada uno, en donde dentro de una función de operaciones mixtas, hay una que se distingue que es la logarítmica, la cual es la inversión de una escala exponencial, como las utilizadas para definir por ejemplo el tiempo de exposición. Cada paso logarítmico define la mitad de valores de código a medida que la luz aumenta sus valores fotométricos de candela por metro cuadrado o NIT exponencialmente, lo cual es ideal para expresar con la misma cantidad de valores a cada paso o "stop" fotográfico.

Estas codificaciones luego serán totalmente reversibles, pues así como exponente es el inverso de Log, la multiplicación encontrará su inverso en la división, y la suma en la resta.

La palabra codificación o encoding lo dice todo: la imagen de la escena está codificada y hará falta decodificarla para volver a ella y operar sobre un espacio de trabajo de codificación lineal, típicamente para tareas de CGI y Compositing, o bien a una codificación Log-based como ACEScct, T-Log, DaVinci Intermediate o directamente sobre la codificación OETF de cámara.

Por su lado la curva sensitométrica, la cual puede parecer en un gráfico como una función, no es en realidad “invertible”, pues no nace de una función matemática que tenga complementos. Ya no hay manera de volver a la linealidad, o sea a una representación proporcional entre la opacidad y la luz de la escena.

Por esto mismo la insistencia de considerar a la codificación “una imagen sin revelar”, o bien el Raw considerarlo así es un error conceptual. Pero al mencionar al Raw, algo dentro del proceso de conversión a display deberá aplicarse, de manera similar a lo que sucede de manera espontánea en el proceso fotoquímico, que es la compresión tonal.

Render

Y aquí aparece el gran concepto perdido en el camino, pues este eslabón de la cadena suele ocultarse bajo el concepto marketinero de la “ciencia del color” de los fabricantes de cámara.

La ciencia consiste en describir lo que sucede en la naturaleza, como Einstein pudo describir al efecto fotoeléctrico. No lo inventó, sino que pudo explicarlo bajo la singular belleza de la lengua matemática, el lenguaje favorito de la expresión científica.

El Render es un término que para hispanoparlantes puede evocar ideas bastante confusas. Yo elijo traducirla como el Plasmar una imagen en el dispositivo de reproducción, sea una pantalla, proyección en lienzo o en papel, como también un artista plástico puede plasmar una imagen en un lienzo o papel.

Este plasmar tiene el desafío de representar el detalle, y para sistemas de reproducción de poco rango dinámico, suele elegirse el comprimir valores de "especulares" para así desplegar el rango de claridad, o sea de reflexiones difusas de la escena en valores con detalle.

El gran rango dinámico capturable por las cámaras digitales modernas que hoy alcanzan hasta 17 stops, necesitan de una compresión tonal al representarse o hacer “render” en un display. Eso se suele conseguir a través de una función sigmoidal, o función en forma de letra ese, de manera tal de comprimir tanto las primeras y últimas zonas en el display.

En el proceso fotoquímico eso sucede naturalmente puesto que tanto el positivo y el papel tienen su curva característica que resulta en una forma sigmoidal, el famoso toe & shoulder fotográfico.

En el digital, esta función hay que agregarla matemáticamente, a través del rendering.

En ACES, la Reference Rendering Transform o RRT es la encargada de comprimir el contraste con una función sigmoidal, la cual se está revisando para la version 2.

ARRI posee su propio render, el cual estaba adherido a la transformación a display, la cual su manera clásica era la curva k1s1, una manera de enumerar la primera opción de knee y shoulder artificial para encajar el gran rango dinámico de manera comprimida a un display.

Sony ha imitado este rendering definiendo una conversión 709-A, una función para ir a la normativa 709 al “estilo Alexa”, y de allí la letra A.

RED definió un término bastante confuso que son “opciones de gamma” como el gamma3, gamma4… lo cual incluye mapeos tonales al convertir a display.

Toda la gama de Gammas

En TV, la función gamma es la que define una función exponencial para codificar la señal, pero este exponente es igual a 1 dividido un valor, el cual es el valor gamma. Por lo que un gamma 2 es igual a un exponente 0.5, o sea elevar a la potencia 1/2.

Como ya deberíamos comprender, el sistema sensorial humano no tiene una respuesta lineal a los estímulos, cualquiera sea, y es por ello que no conviene desperdiciar la pequeña señal de apenas un voltio de amplitud en valores que distinguiremos muy poco.

Los milivoltios de la señal no deben equivaler a la luminancia a emitir en la pantalla del tv, sino a las “sensaciones de brillo”, y una forma rudimentaria de describir matemáticamente esas sensaciones es a través de las funciones exponenciales.

La TV aplicará un exponente a la señal, cercano a 2 (2,4 para ser exactos), o sea multiplicará el valor de la señal eléctrica por sí misma, elevandola al cuadrado (un poco más, ya lo sabemos) antes de convertir la electricidad en luz, recuperando así la “linealidad” en la transformación electro-óptica.

La codificación del display es entonces a través de una EOTF, una función gamma que se deshace en el display por el built-in gamma que es un exponente del mismo valor que gamma, el cual esta vez no divide a uno, resultando en deshacer la codificación: decodificando.

Tanto la OEFT y la EOTF se deshacen en los extremos de las cadenas Opto-ópticas.

Dentro de estos extremos, el eslabón crucial es la plasmación a display, que le da nombre al Display Rendering Transform o DRT, o bien la RRT, o bien el mapeo tonal que queramos definir como “stock digital”, pero de copia y nunca de registro, pues en digital siempre el original es el efecto fotoeléctrico.

Y es por ello que no tiene sentido alguno intentar encontrar algo significativo en una codificación, sea EOTF, OETF o cualquier otra: todas se deshacen.

El sistema zonal de Adams se preocupaba por el rango de claridades, el cual hoy es directamente visible incluso en el display SDR, y gracias al mapeo tonal podremos elegir cómo comprimir especulares y oscuridad total.

El sistema zonal nos puede seguir sirviendo para imaginar escenas a representar en pantallas de cine (SDR), y ya no copias en papel, sin necesidad incluso de tener fotómetro en mano.

Pero hoy en día contanmos con un nuevo reproductor de imágenes de alto rango dinámico, el cual nos pone en la situación de repensar cómo se hace el rendering, el rol del detalle y su rol en la narrativa visual.

 

Fuentes:

Reporte ITU-R BT.2390-5

Teledyne FLIR

Ansel Adams - El Negativo

ARRI.com

Kodak.com

ACESCentral.com

 

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