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Timestamp: 2020-05-28 03:28:52+00:00

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Sensores de imagen – Sin filtros y a lo loco (II) | Albedo Media
Sensores de imagen – Sin filtros y a lo loco (II)
En Sensores de imagen – Sin filtros y a lo loco (I) vimos la relación existente entre la frecuencia de muestreo espacial y los patrones de muaré derivados de los efectos del aliasing. En efecto, cuanto más pequeño sea el píxel pitch efectivo de nuestro sensor –inversamente proporcional a la resolución del mismo–, más capaces seremos de conseguir una imagen final libre de distorsiones producidas por los patrones repetitivos de alta frecuencia. Sin embargo, cuando la resolución del sensor no es suficientemente grande –es decir, el píxel pitch no es suficientemente pequeño–, la solución pasa por incorporar un elemento que elimine estas altas frecuencias de la escena a fotografiar antes de que «lleguen» al sensor. Hablamos del filtro AA o anti-aliasing.
Características de un filtro paso bajo
Un filtro es un elemento –hardware o software– que transforma su señal a la entrada en otra diferente a su salida. Para poder eliminar estas «indeseables» altas frecuencias espaciales resultado de los patrones repetitivos muy finos, se suele emplear un filtro paso bajo –en inglés, LPF de Low Pass Filter–. Como su nombre indica, este tipo de filtro bloquea las altas frecuencias de la señal de entrada y solo deja «pasar» las bajas frecuencias a su salida. Su frecuencia de «corte» determinará qué rango de frecuencia elimina y, por tanto, con qué parte del ancho de banda original del señal trabajaremos.
Este filtro actúa, pues, como un filtro anti-aliasing, pues permite garantizar –escogiendo correctamente esta frecuencia de corte– que la frecuencia de muestreo espacial no sea dos veces inferior a la frecuencia máxima del patrón repetitivo más excluyente y que, por tanto, cumplamos con el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon. Por supuesto, presenta algunos inconvenientes, pues limitar el ancho de banda significa perder detalle en la imagen final, ya que justamente este detalle se encuentra en las altas frecuencias eliminadas. El diseño del filtro paso bajo –mediante su frecuencia de corte, entre otros muchos parámetros– pasa por un compromiso entre resolución y capacidad de evitar el efecto muaré.
Esquema de inserción del OLPF © Nihon Dempa Kogyo
Filtro óptico, filtro digital
Las cámaras digitales han implementado comúnmente estos filtros anti-aliasing mediante elementos físicos –hardware–, usando lo que se conoce como OLPF (Optical Low Pass Filter), colocados justo delante del sensor de imagen. Estos filtros se realizan con capas de materiales con birrefringencia –como cristales de cuarzo–, cuyo índice de refracción depende de la polarización y la dirección de la luz incidente. Se incluye generalmente también en estos filtros una capa que elimina el infrarrojo para evitar los falsos colores. Sus prestaciones dependen de la finura de estas capas así como de los revestimientos ópticos de las caras externas de estos filtros. Pero lidiar con elementos físicos ópticos supone siempre un reto, pues no son elementos perfectos y hay que tener en cuenta los márgenes y tolerancias en el proceso de fabricación, y más aún cuando aspectos como el precio intervienen desfavorablemente.
¿Cuál es entonces la alternativa? La más evidente pasa por no utilizar filtro ninguno, lo que supone aceptar la posibilidad de tener que lidiar con el efecto muaré para aquellas escenas que tengan patrones repetitivos de alta frecuencia. Por este motivo, esta alternativa tiene sentido solo en cámaras con sensores de muy altas resoluciones, de modo que la probabilidad de ocurrencia disminuye. Se puede entonces hacer uso de algoritmos de procesado digital emular por software el filtro anti-aliasing.
Sin embargo, este movimiento del «sin filtro» no fue de hecho iniciado por el aumento de resolución de los sensores, sino por un cambio en su estructura. La arquitectura Foveon del sensor tricapa de Sigma permitía obviar el filtro AA, pero los problemas derivados de su escasa resolución y su comportamiento errático para alta sensibilidades limitaban las ventajas de este sistema. No fue hasta enero del 2012, con la nueva arquitectura X-Trans del sensor de la Fujifilm X-Pro1, que las ventajas de la ausencia del filtro AA se hicieron realidad. La particular disposición del filtro de color CFA –un patrón 6×6 más aleatorio que el clásico de Bayer 2×2, ver Sensores de imagen – Filtros y colores– permitió a Fujifilm ofrecer un captor monocapa que sí aprovechaba la mejor capacidad resolutiva del sensor de imagen. De hecho, su «modesto» sensor de tamaño APS-C rivalizó con sensores de mayores dimensiones, cosa que seguramente propició la reacción de sus competidores que también estaban inmersos en buscar soluciones que redujeran los efectos del filtro AA.
Es importante matizar que hablamos de movimiento en el mercado de cámaras «convencionales», pues, de hecho, las cámaras digitales de formato medio, al tener resoluciones mucho más altas, no acusaban tanto el problema del muaré, y por tanto podían prescindir del molesto filtro anti-aliasing. Pero fue la democratización de las altas resoluciones en equipos fotográficos menos onerosos lo que propició esta «moda» en el resto de las cámaras que hasta entonces habían hecho uso del omnipresente OLPF.
El hecho de prescindir del clásico filtro AA gracias al aumento de resolución de los sensores basados en la pauta de Bayer –ver Sensores de imagen – Introducción– llegaría con cámaras como la Nikon D800E, presentada en febrero de 2012 o la Sony A7R, al año siguiente. Ambas cámaras disponían de sensores de 36 Mpx –en realidad, se trataba del mismo sensor fabricado por Sony–, una resolución muy alta para tratarse de sensores 24×36 mm, y que permitía prescindir de los efectos convencionales del OLPF.
La Nikon D800E, variante de la D800 que emula el filtro AA para optimizar para resolución © Albedo Media
En la práctica, la eliminación del filtro AA no es tal como en un principio nos podríamos imaginar. La mayoría de los fabricantes ha ido implementando su propia solución al respecto, de forma más o menos reservada –existe poca información divulgada oficialmente–. En el caso de la Nikon D800E citada anteriormente, tal como podemos apreciar en los esquemáticos de la compañía japonesa, no se eliminan los filtros ópticos paso bajo (low pass filters), sino que se modifica su estructura para mitigar los efectos del OLPF.
OLPF en Nikon D800 © Nikon
OLPF en Nikon D800E © Nikon
Filtro óptico variable en Sony RX1 II LPF © Albedo Media
Pero a medida que la tecnología avanza, los fabricantes van encontrando soluciones más complejas para los sensores con pauta clásica de Bayer. Si bien Fujifilm se mantiene fiel a su sensor X-Trans, los fabricantes que siguen apostando por la pauta de Bayer siguen también su propio camino. Es el caso del filtro OVLPF que Sony presentó en la segunda versión de su compacta de alta gama Sony RX1R, y que tuvimos ocasión de analizar con la firma durante nuestros Encuentros CP+ 2016 – Tecnología de la Sony RX1R II.
En este caso, se utiliza un filtro óptico variable –de ahí las siglas en inglés Optical Variable Low Pass Filter–, mediante el cual se modifica el efecto del filtro gracias a una variación del voltaje aplicado en el cristal líquido situado entre los dos filtros paso bajo. El diagrama siguiente –gentileza de los ingenieros de Sony– muestra un esquemático de ese refinado comportamiento.
Filtro óptico variable en Sony RX1 II LPF © Sony
Esta última alternativa es muy interesante ya que se puede variar el comportamiento de la cámara y adecuarla así en función de los requisitos de cada momento. No obstante, se trata de una solución de elevado coste actualmente –tal como nos indicaron oportunamente los ingenieros responsables–, con lo que de momento parece reservada a cámaras de alta gama. De momento.
OVLPF

References: resolución 
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