Tema 6 — Captura fotográfica
1. Fundamentos de la formación de la imagen
1.1 De la cámara oscura al sensor
El principio óptico de toda cámara fotográfica —concentrar los rayos de luz procedentes de un objeto sobre un plano para formar su imagen— se remonta a la cámara oscura. El término lo acuñó Johannes Kepler (1571-1630), y ya en 1558 Gerolamo Cardano «sugiere una importante mejora, una lente en la apertura de la cámara», con lo que la simple caja estenopeica empieza a convertirse en un instrumento óptico. La primera fotografía conservada es de 1826, obtenida «con la utilización de una cámara oscura y un soporte sensibilizado mediante una emulsión química de sales de plata».
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 3-5
1.2 El paso de la película al sensor digital
El cambio que separa la fotografía analógica de la digital es «la substitución de la película de 35mm por otra "cosa" denominada sensor y sus consecuencias». Como la mayoría de sensores digitales (salvo los Full Frame) son más pequeños que un fotograma de 35 mm, se produce un recorte de la imagen proyectada por el objetivo: con un sensor APS, el factor de recorte habitual es de x1,6, de modo que un objetivo de 50 mm se comporta como uno de 50×1,6 = 80 mm equivalente. Es, en rigor, un «factor de recorte» y no un «factor de multiplicación de focal», aunque esta última denominación se haya popularizado.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", p. 7
En ambos soportes —química o sensor— la fotografía es, a ojos del observador, «un continuo de tonos de color y niveles de brillo»; lo que cambia es el elemento mínimo que reproduce esa continuidad: el grano de haluro de plata en la película, el píxel en la imagen digital.
2. Cámaras y ópticas
2.1 Tipos de cámara
Se distinguen fundamentalmente las cámaras compactas (encuadre a través de una pantalla y, en muchos modelos, exposición totalmente automática) y las reflex, en las que «el encuadre de la imagen se realiza por medio de un visor que transmite en directo la imagen formada por el objetivo de la cámara». La reflex permite el intercambio de objetivos —«desde un Zoom de 500mm (o más) un objetivo Macro 1:1 de 90mm pasando por uno de 50mm f 1,4»— y monta sensores de mayor tamaño, que «generan menor ruido a igualdad de resolución que una Compacta o Bridge». Entre ambas se sitúan las cámaras tipo bridge, de óptica fija pero cuerpo y controles similares a una reflex.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 27-28
2.2 El objetivo fotográfico
El objetivo concentra los rayos de luz entrantes sobre el plano en el que se forma la imagen. Una lente simple cumple esta función pero con aberraciones notables, por lo que los objetivos reales se construyen como conjuntos de varias lentes agrupadas en distintos grupos ópticos —el ejemplo citado en la fuente es un zoom «compuesto por 15 lentes en 13 grupos ópticos»— cuyo diseño conjunto corrige las aberraciones de cada elemento individual. La calidad de un objetivo se mide por su poder de resolución, es decir, «por su capacidad de mantener separados en la fotografía puntos que se encuentran cercanos en la realidad»; en una cámara digital, la resolución final depende tanto de la óptica como de la resolución del sensor.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 31-32
2.3 Aberraciones ópticas
Una lente simple presenta con facilidad aberraciones. La aberración cromática «consiste en que el objetivo no puede concentrar en un mismo punto los rayos de luz de distinta longitud de onda, es decir, de distintos colores», lo que produce una imagen borrosa rodeada de un halo de color. La curvatura de líneas (distorsión geométrica) «provoca que la imagen de los bordes de la fotografía aparezca distorsionada». Para reducir ambos defectos, las ópticas fotográficas se construyen con conjuntos de lentes que se corrigen entre sí: un objetivo acromático está formado por dos lentes y un apocromático por tres, de mayor calidad.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", p. 32
3. Apertura, velocidad, exposición, distancia focal, sensibilidad y profundidad de campo
3.1 Apertura (diafragma)
El diafragma es un conjunto de láminas en forma de iris que deja una abertura central circular y regula la cantidad de luz que llega al sensor: «cuánto más pequeña es esta abertura, menor cantidad de luz penetra en el interior de la cámara». Se expresa en una escala de valores f —por ejemplo 1,3 · 2,5 · 3,5/4 · 5,6 · 8 · 11 · 16 · 22— en la que «cada valor supone el doble de luz del valor que se encuentra a la derecha, y la mitad del que se encuentra a la izquierda»: un diafragma f/5,6 deja pasar el doble de luz que uno f/8 y la mitad que uno f/3,5-4. Nikon describe la apertura (aperture) como la abertura del diafragma del objetivo, calibrada en pasos f (f-stops): cuanto menor es el número f, mayor es la abertura y más luz entra; cuanto mayor es el número f, menor es la abertura y menos luz entra (fuente en inglés, traducción propia). Las aberturas de mayor calidad óptica suelen situarse en el tramo intermedio de la escala, habitualmente f/5,6 u f/8.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 56-57; Nikon USA, Learn & Explore, «What is Aperture: The Key to Sharper, More Creative Photography»
3.2 Velocidad de obturación
El obturador «deja pasar hacia el sensor una cantidad de luz concreta durante un determinado tiempo». En las cámaras reflex el obturador real está situado en el plano focal, delante de la película o el sensor, y «compuesto por dos láminas. Una lámina de apertura y otra lámina de cierre»: primero baja la cortina de apertura y, transcurrido el tiempo de exposición seleccionado, baja la de cierre. La velocidad de sincronización con el flash suele situarse «entre 1/60 y 1/250 s», porque a velocidades mayores la segunda cortina empieza a cerrar antes de que la primera termine su recorrido. La escala de velocidades sigue una progresión geométrica —por ejemplo … 30 · 60 · 125 · 250 · 500 · 1000 … expresados como denominador de 1 segundo— en la que, igual que en el diafragma, «cada uno de los valores del obturador representa el doble de tiempo de exposición respecto del valor situado a la derecha, y la mitad de exposición respecto del valor situado a la izquierda».
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 52-55
3.3 Exposición
La exposición correcta resulta de la combinación de diafragma y obturador. La fuente ilustra la relación con la analogía del depósito de agua: «El depósito lleno equivale a la cantidad de luz necesaria para obtener la exposición correcta. El caudal del grifo corresponde al diafragma, es decir, al diámetro de la abertura a través de la cual dejamos pasar la luz. El tiempo de llenado es la analogía del valor del obturador». La cámara dispone de distintos modos de medición de la luz —puntual o parcial (mide sobre una pequeña región central, en torno al 9 % del sensor), ponderada al centro o promediada, y matricial o evaluativa, «el sistema de medición más complejo de los tres, y el que funciona bien en el 90% de las situaciones»— y de distintos modos de disparo: Programa (P), Manual (M), prioridad a la Abertura (AV, donde «el usuario ajusta la abertura, el diafragma que desea y la cámara automáticamente ajusta la velocidad»), prioridad al Tiempo (TV, donde se selecciona la velocidad y la cámara ajusta el diafragma) y Auto-Depth-of-Field (A-DEP), orientado a maximizar la profundidad de campo. El histograma —gráfico de 256 columnas que representa la cantidad de píxeles de cada nivel de luminosidad, del negro (0, extremo izquierdo) al blanco (255, extremo derecho)— permite verificar la exposición con más fiabilidad que la apreciación visual en el visor.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 28, 47-50, 56
3.4 Distancia focal
La distancia focal es «la existente entre el plano de la imagen y el plano de la óptica cuando estamos enfocando al infinito»; se mide en milímetros y se relaciona con el ángulo de visión de forma inversa: «un valor bajo provoca un ángulo de visión amplio. Y a la inversa, un valor alto implica un ángulo de visión reducido». En el formato de 35 mm se asocian habitualmente: objetivo angular (ópticas inferiores a 35 mm, con los valores más comunes en torno a los 28 mm; por debajo de 18 mm se habla de «ojos de pez»), objetivo normal (en torno a 50 mm, con un ángulo de visión similar al de la visión humana) y teleobjetivo (85 mm o más). Los angulares deforman las proporciones y «con frecuencia presenta una curvatura de líneas más o menos acusada», mientras que un objetivo normal ofrece una perspectiva que «resulta familiar». Las cámaras compactas suelen trabajar con distancias focales reales mucho menores (entre 7 y 32 mm), compensadas por el menor tamaño de su sensor.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 39, 41-42
3.5 Sensibilidad (ISO)
La sensibilidad ISO «marca la cantidad de luz que necesita nuestra cámara para hacer una fotografía», concepto heredado de la fotografía química pero con un fundamento distinto en el sensor digital. «La sensibilidad de cada uno de los elementos del sensor es fija, con un valor aproximado equivalente a 100 ISO. Los índices ISO superiores que nos ofrece la cámara digital se logran no por un incremento en la sensibilidad de los elementos captores, sino por una amplificación electrónica posterior de la señal que estos emiten». Al amplificar una señal lumínica débil se amplifica también una parte de la emisión aleatoria del chip, de modo que «la mejor calidad de imagen con una cámara digital se obtendrá usándola a su menor sensibilidad ISO equivalente»; a sensibilidades altas aumenta el ruido, sobre todo en las zonas de sombra.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 50-51
3.6 Profundidad de campo
La profundidad de campo es la «zona de la imagen por delante y por detrás del sujeto principal (plano de enfoque) que consideramos suficientemente enfocada». Se ve afectada por cuatro factores: «apertura, distancia del sujeto, distancia focal de la lente empleada y tamaño del sensor». De ellos se derivan las reglas prácticas: «Aperturas mayores (menores valores f) disminuyen la profundidad de campo. Sensores mayores disminuyen la profundidad de campo. A menor distancia focal la profundidad de campo aumenta. Acercándonos al sujeto disminuimos la profundidad de campo». El bokeh —término de origen japonés— «se refiere a la calidad del desenfoque de lente o sea el debido a los efectos de la profundidad de campo», y depende en buena medida del diseño del diafragma y del número de láminas que lo forman.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 33, 41
4. Sensores digitales, resolución, rango dinámico, ruido, balance de blancos, enfoque e iluminación
4.1 Sensores digitales: CCD y CMOS
Los detectores CCD y CMOS, como las células fotovoltaicas, «se basan en el efecto fotoeléctrico, la conversión espontánea en algunos materiales de luz recibida en corriente eléctrica». La sensibilidad del chip depende de su eficiencia cuántica, es decir, de «la cantidad de fotones que deben incidir sobre cada detector para producir una corriente eléctrica», y «el número de electrones producido es proporcional a la cantidad de luz recibida», a diferencia del negativo fotoquímico. Al final de la exposición, los electrones acumulados en cada fotosite se transfieren mediante una variación cíclica de potencial eléctrico sobre bandas de semiconductores.
Como un sensor no distingue el color por sí mismo, la mayoría de cámaras intercalan un filtro de mosaico de Bayer: «un pixel registra luz roja, otro luz azul y dos píxeles se reservan para la luz verde», de modo que el mosaico se compone de «un 50% de filtros verdes, un 25% de rojos y un 25% de azules» (el ojo humano es más sensible al verde). Existen alternativas, como los sensores con tres CCD y un prisma dicróico (el más conocido es el Foveon X3, usado por Sigma), más caros pero sin necesidad de interpolación.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 11-13
4.2 Resolución
La capacidad de resolución de un sensor «depende del número de células fotoeléctricas (fotodiodos) del CCD/CMOS. Este número se expresa en píxeles. A mayor número de píxeles, mayor resolución». En una cámara digital, sin embargo, la resolución final de la fotografía depende tanto de la calidad óptica del objetivo como de la resolución electrónica del sensor: una óptica de baja calidad limita el resultado aunque el sensor disponga de muchos megapíxeles.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 12, 32
4.3 Rango dinámico
El rango dinámico es la capacidad del sensor para registrar simultáneamente el detalle en las zonas de luces y de sombras de una misma escena sin que unas se quemen o las otras se pierdan en negro puro. La fuente consultada documenta un desarrollo comercial específico orientado a ampliarlo: el sensor Super CCD "SR" de Fujifilm (desarrollado en 1999), cuyas siglas provienen de "Super dynamic Range" (rango super-dinámico), frente a la variante "HR" (High Resolution, alta resolución), orientada a maximizar el número de píxeles.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", p. 13
4.4 Ruido
El ruido es, frente a la señal útil, «cualquier otro dato que acompañe a la señal dificultando su transmisión, almacenamiento y comprensión». Cada celda del sensor genera «una cantidad más o menos fija de corriente eléctrica (y por lo tanto de datos) al azar, aún en ausencia de la luz y con relación a la temperatura»: a mayor temperatura, mayor ruido, lo que explica por qué el rendimiento de una cámara empeora en un día caluroso o tras dejarla en el maletero de un coche. El ruido aumenta además con la sensibilidad ISO, se manifiesta sobre todo en las sombras y no afecta igual a los tres canales de color: «Normalmente el canal azul suele ser el que contiene más ruido, seguido del rojo, por el contrario el verde es el menos afectado». Puede reducirse en el tratamiento posterior con software específico (la fuente cita como ejemplo NoiseNinja, un plug-in de reducción de ruido para Photoshop que parte de un «profile image» construido a partir de los metadatos EXIF de la toma), aunque un uso excesivo produce un efecto de «empaste» de la imagen.
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 50-51
4.5 Balance de blancos
El balance de blancos compensa el color dominante de cada fuente de luz para que un objeto blanco se reproduzca como blanco (y, en consecuencia, el resto de colores se reproduzcan fieles a la realidad). Las cámaras digitales ofrecen modos predefinidos —interiores o tungsteno, soleado, nublado, fluorescente y flash— que ajustan la compensación «asumiendo» un tipo de iluminación concreto. Para situaciones intermedias, como el amanecer o el atardecer, en que «la luz del sol debe atravesar una mayor longitud en las capas de la atmósfera», conviene recurrir al ajuste manual: «Basta con enfocar un objeto de color blanco (un papel, por ejemplo) y pulsar el botón de calibración de blancos. De este modo la ganancia de las tres componentes de color se ajustará automáticamente para dar el mismo nivel de señal bajo estas condiciones de iluminación».
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 22-23
4.6 Enfoque
Una fotografía es nítida «cuando los rayos de luz provenientes de cada uno de los puntos del motivo se concentran de forma puntual en la superficie del sensor electrónico»; si no lo hacen, forman círculos de confusión, tanto más borrosos cuanto mayor es su diámetro. En las cámaras reflex, el enfoque manual desplaza físicamente las lentes girando el anillo correspondiente; en la mayoría de compactas, el enfoque es interno y se basa en el enfoque por contraste. El autofoco es hoy el sistema más extendido, rápido y preciso en la mayoría de condiciones, aunque puede ralentizarse con poca luz, motivos cercanos o teleobjetivos, y conviene complementarlo con control manual del punto de enfoque para lograr un foco selectivo (por ejemplo, enfocar un primer término y desenfocar el fondo en un retrato). Para compensar el desenfoque por trepidación, muchos cuerpos y objetivos incorporan estabilización de imagen, óptica o integrada en el cuerpo, capaz de «compensar entre dos y cinco pasos de velocidad/abertura en una toma difícil».
Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 33-35
4.7 Iluminación
Además de la luz natural, la fotografía técnica recurre a fuentes artificiales que se clasifican por su cantidad y calidad —luz directa (sombras fuertes, imagen contrastada), difractada (suaviza sombras y luces), reflejada (usada como luz de relleno) y de concentración (sobre un área pequeña, para crear brillos)— y por su dirección: frontal, lateral (la más utilizada como luz principal, normalmente a 45°), enfrentada (produce un halo alrededor de la silueta) y superior o inferior. Entre los equipos más habituales de iluminación artificial, el manual distingue las luces Spot («focos que concentran la luz precisa sobre una zona reducida, dando por tanto, sombras muy recortadas y de gran contraste») y las luces Flood («se utilizan para iluminar grandes zonas con no mucha intensidad. No dan sombras recortadas, sino suavizadas con completa gradación de grises»), que pueden emplearse como luz básica o complementaria, con o sin difusor, además de pantallas reflectoras.
Fuente: Universidad de La Laguna (F. Jarabo), «Manual Práctico de Fotografía», pp. 62-64
5. Aplicaciones a la documentación y reproducción de originales gráficos y cartográficos
La captura fotográfica profesional no se limita al retrato o el paisaje: es también la base de la fotogrametría aérea con la que el Instituto Geográfico Nacional (IGN) documenta el territorio para elaborar cartografía. La especificación técnica del vuelo fotogramétrico digital del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) exige una cámara «Fotogramétrica digital matricial» cuya resolución espectral del sensor combina «1 banda situada en el pancromático» con «4 bandas situadas en el azul, verde, rojo e infrarrojo cercano», y fija una resolución radiométrica —la profundidad de bit vista en el apartado 4.1— «De al menos 12 bits por banda», muy por encima de los 8 bits habituales en fotografía de consumo. Como en cualquier cámara, el campo de visión del objetivo está acotado («Mayor de 50º y menor de 80º sexagesimales») y el sistema debe incorporar compensación del movimiento de avance, pues «Será obligatoria la compensación del avance del avión por medio de TDI o FMC».
La combinación de banda pancromática (máximo detalle espacial, sin información de color) con bandas multiespectrales —idea emparentada con el filtrado de color del mosaico de Bayer descrito en el apartado 4.1— permite registrar a la vez la nitidez geométrica y la información cromática e infrarroja necesaria para distinguir cubiertas del terreno. La exposición correcta —el equilibrio entre diafragma y velocidad del apartado 3.3— depende también de la iluminación disponible: la especificación exige volar con un horario «Tal que la altura del Sol sobre el horizonte sea ≥ 40 grados sexagesimales», pues «Se evitarán las horas que propicien reflexiones especulares y "hot spot" en la zona útil de cada fotograma minimizando las sombras en zonas de pendiente acentuada», lo que garantiza una reproducción fiel de los originales gráficos y cartográficos fotografiados.
Fuente: IGN, Especificaciones Técnicas para el Vuelo Fotogramétrico Digital, PNOA-SPC-IMA-0082-IGN Ed 1.1, apdos. 1.1.a-i y 1.2.c, https://pnoa.ign.es/web/portal/pnoa-imagen/especificaciones-tecnicas