Tema 7 — La imagen digital

1. La imagen digital: tipos y características

1.1 La imagen como matriz de píxeles

La imagen digital se compone de una matriz de píxeles que puede observarse en un monitor, almacenarse en memoria, interpretarse como puntos de tinta sobre papel o enviarse por internet; los píxeles de la fotografía digital son equivalentes a los granos de haluro de plata de la fotografía química o a los puntos de tinta de la imagen impresa, «pero hay que generarlos». Toda imagen digitalizada —fotografía, música, tipografía o vídeo— es, en el fondo, una cadena de ceros y unos.

Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", p. 11

1.2 Canales de color y profundidad de bit

Una imagen RGB tiene tres canales de color —rojo (Red), verde (Green) y azul (Blue)—, cada uno descrito con una profundidad de píxel de 8 bits, lo que da «256 combinaciones para describir cada una de las luces primarias que se representan en cada píxel», es decir, 256×256×256 = 16.777.216 colores (el llamado «color real»). En modo CMYK se utilizan 4 canales de 8 bits cada uno, por lo que «estas imágenes tendrán 32 bits de profundidad de color»; por eso un archivo CMYK es, en general, un tercio más grande que el mismo archivo en RGB. La profundidad de color de una imagen se refiere, en síntesis, al número de colores diferentes que puede contener cada píxel; para una imagen en blanco y negro bastan «256 tonos de gris», número que no es arbitrario sino que «se deriva de la forma cómo se estructura la información digital»: son «las 256 combinaciones posibles que permite una cadena de 8 dígitos».

Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 14, 20, 28-29

2. Calidad de la imagen

2.1 Enfoque, iluminación, ruido y balance de blancos

La calidad final de una imagen digital depende de los mismos factores de captura descritos en el Tema 6: el enfoque (una imagen nítida es la que concentra los rayos de luz de cada punto del motivo en un único punto del sensor, frente a los círculos de confusión de una imagen desenfocada), la iluminación de la escena, el ruido generado por el sensor —especialmente visible en condiciones de poca luz o sensibilidades ISO altas, y más acusado en el canal azul que en el rojo o el verde— y el balance de blancos, que corrige la dominante de color de la fuente de luz para que los objetos blancos se reproduzcan como blancos. Estos cuatro factores se desarrollan con detalle en el Tema 6 («Captura fotográfica»), del que la imagen digital es resultado directo.

2.2 Aberraciones cromáticas y geométricas

Las aberraciones son desviaciones del comportamiento ideal («paraxial») de un sistema óptico: «coloquialmente, son los defectos de un sistema óptico. Las aberraciones producen distorsiones en las imágenes que empobrecen su calidad». La aberración cromática «tiene como origen la dependencia de índice de refracción del vidrio con λ: n(λ)»: como el vidrio no refracta igual todas las longitudes de onda, el objetivo no puede concentrar en un mismo punto los rayos de luz de distintos colores, lo que se traduce en una imagen borrosa con un halo de color en los bordes de alto contraste.

Las aberraciones geométricas monocromáticas clásicas —llamadas de Seidel porque se deben «al segundo término del desarrollo en serie de Taylor del seno»— se dividen en aberraciones de punto, en las que la imagen de un punto aparece como una mancha (aberración esférica, coma, astigmatismo), y aberraciones de forma, en las que la imagen de un punto sigue siendo un punto pero en una posición distinta de la prevista (distorsión y curvatura de campo). La distorsión en particular «es una aberración de forma» que «se origina cuando el aumento lateral es función de la altura del objeto»: puede ser positiva o de «corsé» (mayor aumento en los puntos alejados del eje) o negativa, llamada de «barril» (menor aumento al acercarse al eje), y «la distorsión de barril es muy importante en objetivos gran angular y objetivos de ojo de» pez —el mismo tipo de óptica cuya curvatura de líneas ya se mencionaba, en términos más coloquiales, en el Tema 6—.

Fuente: Universidad Veracruzana, Seminario de Ingeniería Óptica, "Aberraciones" (óptica geométrica), pp. 2-4, 19; Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", p. 32

3. Resolución y dimensiones

La resolución de una imagen digital depende del número de fotodiodos del sensor, expresado en píxeles: «a mayor número de píxeles, mayor resolución». El tamaño físico del sensor —no solo su número de píxeles— determina además el llamado factor de recorte respecto al fotograma de referencia de 35 mm: la fuente consultada documenta, para el año 2007, sensores desde 1/3,2" (factor 8,7, de 2 a 3 megapíxeles) hasta el formato completo o full frame (factor 1, de 12 a 17 megapíxeles), pasando por los formatos intermedios 4/3 («Cuatro Tercios», factor 2) y APS-C (factor 1,5-1,6, el más extendido en cámaras reflex de gama media). Cuanto mayor es el sensor para una misma cantidad de píxeles, mayor es también la superficie de cada fotodiodo y, por tanto, menor el ruido generado a igualdad de resolución (véase el Tema 6, apartado 2.1).

Las dimensiones en píxeles de una imagen (ancho × alto) determinan tanto su resolución efectiva como el tamaño del archivo resultante: cuanto mayor es la resolución seleccionada en la cámara, menor es «al número de fotografías que en base a la resolución seleccionada en este momento caben en la tarjeta de memoria existente» que indica el visor.

Fuente: Universidad Veracruzana, "Introducción a la Fotografía Digital", pp. 8, 12, 26

4. Formatos de archivo: TIFF, BMP, JPEG, JPEG 2000, WebP y RAW

4.1 TIFF (Tagged Image File Format)

TIFF es «a tag-based file format for storing and interchanging raster images», que actúa como contenedor de distintas codificaciones de bitstream para imágenes de mapa de bits, incluidos distintos esquemas de compresión y de representación del color. La versión más reciente es la revisión 6.0, publicada en 1992; como los archivos TIFF conformes a versiones anteriores son válidos en TIFF 6.0, la especificación sigue siendo pertinente para esas versiones previas. El formato se estructura mediante una cabecera de archivo de imagen (IFH), uno o varios directorios de archivo de imagen (IFD) y sus mapas de bits asociados; cada IFD contiene estructuras de datos llamadas tags («etiquetas»), registros de 12 bytes que describen una característica concreta de los datos. Entre sus subtipos se encuentran TIFF sin compresión, TIFF con compresión LZW, TIFF/IT (para artes gráficas) y TIFF/EP (para fotografía digital), además de servir de base al formato RAW propietario DNG de Adobe. La Library of Congress lo incluye como «preferred format for photographs in digital form, other graphic images in digital form, 2D and 3D Computer Aided Design raster images». Una limitación histórica es el tamaño máximo de archivo: «in the standard TIFF format, [the] offset is specified by a 32-bit integer (4 bytes). The largest offset that can be specified is thus 232 bytes, or 4 GB», límite que la variante BigTIFF eleva mediante desplazamientos de 64 bits.

Fuente: Library of Congress, Sustainability of Digital Formats, "TIFF, Revision 6.0" (fdd000022)

4.2 BMP (Bitmap Image File)

BMP —Microsoft Windows Bitmap Format— «is a simple raster graphics image file format designed to store bitmap digital images independently of a display device, originally and primarily on Microsoft Windows and OS/2 operating systems», por lo que también se conoce como Device-Independent Bitmap (DIB). A diferencia de otros formatos de imagen, «unlike other image-file formats like GIF (CompuServe's Graphic Interchange File format) and JPEG (Joint Photographic Experts Group), the BMP file format was not designed to be portable. Instead, it was designed to easily work with the Windows API using the same structures that Windows applications use to manipulate in-memory bitmaps»; se usa sobre todo para iconos y capturas de pantalla dentro del entorno Windows. Pese a su origen propietario, la Library of Congress lo acepta como formato preferido para fotografías y otras imágenes gráficas digitales.

Fuente: Library of Congress, Sustainability of Digital Formats, "Bitmap Image File (BMP), Version 5" (fdd000189)

4.3 JPEG

JPEG es una «family of image compression codecs specified in the various parts of ISO/IEC 10918 and ISO/IEC 14495 (and in the parallel ITU-T.81, 83, 84, 86, and 87 standards)». La norma ISO/IEC 10918-1 cubre compresión con y sin pérdida en varios «modos de operación», pensados para imágenes de tono continuo en color o escala de grises (no para imágenes bitonales o de paleta de color). Los modos de compresión con pérdida (lossy) «employ discrete cosine transforms (DCT) applied to 8-by-8-pixel Minimum Coded Unit (MCU) blocks», y según el nivel de compresión elegido permiten, literalmente, «typical settings provide from 10:1 to 20:1 reductions in file size». Entre las codificaciones con pérdida destacan la secuencial básica (baseline sequential, que codifica los coeficientes de cada bloque de uno en uno, en zigzag) y la progresiva (que codifica primero los coeficientes de igual posición de todos los bloques). El estándar internacional que define formalmente el algoritmo es la Recomendación UIT-T T.81, idéntica a ISO/IEC 10918-1, cuyo título es «Information technology — Digital compression and coding of continuous-tone still images — Requirements and guidelines».

Fuente: Library of Congress, Sustainability of Digital Formats, "JPEG Image Encoding Family" (fdd000017); ITU-T, Recomendación T.81 (09/92)

4.4 JPEG 2000

JPEG 2000 Parte 1 (formato jp2) es un contenedor desarrollado por el Joint Photographic Experts Group «for still images using JPEG 2000 core encoding», cuyo papel se ha comparado al que cumple JFIF para JPEG clásico, aunque sus capacidades son más amplias porque «grow out of its object-based design and its ability to wrap object types beyond JPEG 2000 core bitstreams, e.g., auxiliary opacity/transparency channels, color profile information, and other metadata». La Library of Congress tiene inventariados «over 200 million JP2 files» en sus colecciones y, desde 2011, lo emplea como formato de imágenes de servicio (compresión con pérdida), reservando TIFF sin comprimir para los archivos maestros; para copias archivísticas de vídeo utiliza en cambio la codificación JPEG 2000 sin pérdida.

Fuente: Library of Congress, Sustainability of Digital Formats, "JPEG 2000 Part 1 (Core) jp2 File Format" (fdd000143)

4.5 WebP

WebP es «a raster image file format for providing lossless and lossy compression for images on the web», desarrollado por Google y publicado en 2018. Según RFC 9649 del IETF, el documento que lo normaliza, «this document defines the WebP image format and registers a media type supporting its use». El contenedor WebP se basa en el formato RIFF (Resource Interchange File Format) y admite datos de imagen codificados en VP8 (con pérdida) o VP8L (sin pérdida); «the WebP container supports» compresión sin pérdida, animación de múltiples fotogramas, metadatos en formato Exif o XMP, canal de transparencia (alfa) y perfil de color ICC embebido. Entre sus ventajas, Google señala que «WebP lossless images are 26% smaller in size compared to PNGs and lossy images are 25-34% smaller in size compared to JPEGs»; entre sus inconvenientes, que al estar pensado principalmente para la web, «images may not suitable for printing» (así, literalmente, en la fuente), que los navegadores antiguos pueden no soportarlo y que la compresión implica cierta pérdida de detalle.

Fuente: Library of Congress, Sustainability of Digital Formats, "WebP" (fdd000577); IETF, RFC 9649, "WebP Image Format"

4.6 RAW

Los formatos RAW son, en la definición de la Library of Congress, una «Collective description of a group of proprietary formats employed by digital cameras that use a color filter array or Fovean sensor to capture image data». Un archivo raw contiene los datos capturados directamente por el sensor, con un procesado mínimo por parte de la cámara; la obtención de una imagen utilizable exige un procesado posterior en el ordenador, lo que permite «interpret the image as the various post-processing steps are applied, tailoring an outcome that suits the subject matter and intended use» —frente a los formatos "acabados" (TIFF o JPEG con EXIF), en los que las decisiones de postprocesado las toman los algoritmos internos de la cámara—. Su principal riesgo de conservación es que, al ser formatos propietarios de cada fabricante, pueden dejar de recibir soporte a largo plazo.

El formato DNG (Digital Negative) de Adobe es el intento de estandarizar este terreno: se define como «File format for storing and interchanging CAM_RAW (camera raw) images, usually accompanied by JPEG secondary version(s) of the images», y se describe habitualmente como una extensión del propio TIFF 6.0, hasta el punto de que «it is possible (but not required) for a DNG file to simultaneously comply with both the Digital Negative specification and the TIFF/EP standard». Un archivo DNG puede contener los datos en bruto todavía mosaicados (sin «revelar»), comprimidos sin pérdida, o una versión ya procesada; incorpora además metadatos EXIF y, opcionalmente, XMP.

Fuente: Library of Congress, Sustainability of Digital Formats, "Camera Raw Formats" (fdd000241) y "Adobe Digital Negative (DNG), Version 1.1" (fdd000188)

5. Metadatos e información EXIF

Exif —Exchangeable image file format— es el estándar que define los metadatos que una cámara digital incrusta en sus archivos de imagen. Según la norma CIPA DC-008, que lo formula conjuntamente con JEITA, «this standard specifies the formats to be used for images, sound, and tags in digital still cameras and in other systems handling image and sound files recorded by digital still cameras». Los formatos que especifica «are defined as folder structures that are based on Exif-JPEG and recording formats for memory», y cuando se usan junto con el estándar DCF (Design rule for Camera File System) —que garantiza la interoperabilidad entre dispositivos de distintos fabricantes— su alcance cubre dispositivos de captura (cámaras compactas, de vídeo o de teléfono), de visualización, de impresión y el software de edición que lee y reescribe esos metadatos.

La unidad básica de información es el tag («etiqueta»), definido como «a field recording ancillary data about an image», equivalente al concepto de «field» en TIFF —de hecho, Exif reutiliza la estructura de etiquetas de TIFF—; cada tag va acompañado de su «tag information», la descripción de su contenido. Entre los datos que puede registrar un bloque Exif se encuentran la marca y modelo de cámara, la fecha y hora de la toma, los parámetros de captura descritos en el Tema 6 —velocidad de obturación, apertura, distancia focal, sensibilidad ISO, uso de flash, modo de medición de la luz— y, en los modelos con GPS, las coordenadas geográficas de la toma. Estos metadatos son los que, por ejemplo, un software de reducción de ruido o de corrección de aberraciones utiliza para generar automáticamente un perfil de corrección adaptado al objetivo y al cuerpo de cámara con los que se tomó la fotografía.

Fuente: CIPA DC-008-2012 (Camera & Imaging Products Association / JEITA), "Exchangeable image file format for digital still cameras: Exif Version 2.3", apdos. 1 y 2.1