El Laboratorio de Cámaras de cinema5D ha vuelto – Pruebas de rango dinámico

Octubre 22, 2018 icon / message-square
El Laboratorio de Cámaras de cinema5D ha vuelto – Pruebas de rango dinámico

Como muchos de ustedes saben, el laboratorio de cinema5D se construyó hace algunos años y se han hecho grandes esfuerzos para producir pruebas detalladas de cámara en relación al rango dinámico, la nitidez, el rolling shutter, etc.

Hace tiempo que no se realizaban nuevas mediciones, pero ahora hemos decidido comenzar de nuevo, de forma paulatina, con el mismo objetivo.

Así es que como una primera actividad hemos vuelto con las mediciones de rango dinámico. Este artículo pretende describir el flujo de trabajo y también la filosofía de nuestras pruebas y pretende servir como una referencia para aquellos lectores que quieran participar/contribuir a nuestro método y hallazgos.

Mediciones de rango dinámico – el interrogante

Según el conocimiento del autor, no existe un estándar de industria disponible para las cámaras de cine, e incluso las definiciones más simples son imprecisas, como verás rápidamente (Sin embargo hay un estándar ISO 15739:2003 para cámaras de fotos digitales, del cual tomaremos algunos de nuestros términos y definiciones).

Esto ha dado mucho lugar para las interpretaciones y también le permite a cada fabricante de cámaras publicar números que no siempre son directamente comparables entre las cámaras.

Dado que el rango dinámico de una cámara es una característica importante, nuestro objetivo aquí es establecer un punto de referencia de base independiente que permita la comparación directa entre las distintas cámaras en el mercado.

¿Qué es el rango dinámico de una cámara?

El rango dinámico de una cámara se puede definir de manera simplista como la relación de la luminancia máxima y mínima que puede capturar una cámara.

Suena bien, pero ¿cómo cuantificar el término “capturar”?

La capacidad de una cámara para capturar los detalles en las luces altas es bastante obvia, pero el problema comienza en las areas de sombra – aquí, el ruido comienza a introducirse rápidamente y nos deja espacio para la interpretación de qué tipo de ruido es todavía utilizable o no – en este punto, hablemos rápidamente sobre el ruido del sensor y la relación señal ruido (RSR).

El ruido es la variación aleatoria de la luminancia de los píxeles en comparación con su valor de luminancia real.

Por lo tanto, debajo de cierta luminancia base, la imagen puede estar tan corrompida por el ruido que realmente no podemos decir que el detalle en las sombras se captura con precisión o que el detalle de la imagen es utilizable.

El estándar ISO 15739:2003 es útil aquí ya que define una relación de señal ruido de 1 como el valor de umbral para las mediciones de rango dinámico. Sin embargo, la experiencia muestra que, para las cámaras de video, una relación señal/ruido de 2 (o un valor cuadrático medio del ruido RMS = 0.5 = 1/RSR) es un enfoque más conservador que resulta en un detalle de sombra “utilizable”.

Por suerte para nosotros, la definición de rango dinámico de fábrica de ARRI ALEXA de 14 stops parece corresponder muy bien a la ecuación 0.5 = 1/RSR como cinema5d ha demostrado en resultados previos, de modo que continuaremos utilizando este valor de umbral para determinar el rango dinámico de distintas cámaras.

El procedimiento de prueba

Estamos utilizando un gráfico transmisivo retroiluminado Xyla 21 de DSC labs en una habitación completamente oscura, que proporciona 21 stops de rango dinámico.

Este gráfico se filma descentrado del eje horizontal (para evitar destellos del lente) utilizando la siguiente metodología:

En el extremo (izquierdo) de las luces altas recortamos las dos primeras celdas, luego disminuimos los stops hasta que la segunda celda está a punto de ser recortada.

Ahora tenemos 2 métodos para identificar el rango dinámico:

a) una inspección visual de un gráfico de forma de onda y la imagen de celda registrada

b) IMATEST: exportamos cuadros desde el archivo de video y lo ejecutamos a través del software IMATEST que calcula un valor numérico para el rango dinámico utilizando algoritmos avanzados de análisis de imágenes (ingresa en http://www.imatest.com/docs/stepchart/).

Si bien las pruebas de transmisión son las pruebas de rango dinámico más simples/más precisas/más comparables, a su vez nos brindan muy poca información sobre cómo responde la cámara a los colores y los detalles en ese rango. Por lo tanto, se trata de solo una parte de la información entre muchas otras para hacer un juicio sobre una cámara.

Inspección visual y los resultados del software IMATEST

A medida que la primera celda es recortada, pero la segunda aún está dentro del rango, comenzamos a contar visualmente desde esta segunda celda hacia abajo, es decir que desde la celda 2 a la 3 es tu primer stop, de la 3 a la 4 es tu segundo stop, y así sucesivamente. Por ahora vamos bien.

En el extremo de las sombras, una inspección visual resulta más difícil ya que tenemos que contar hasta el último stop perceptible que sobresale del piso de ruido.

Mira la figura 2 a continuación de la Sony FS7 (SLOG3 10 bits interno, valores escalados a 8 bits), que probé nuevamente entre otras cámaras para garantizar la coherencia con las mediciones anteriores.

El ruido está (visualmente) indicado por la línea roja, y si contamos todos los stops claramente discernibles desde el piso de ruido, obtenemos unos 12 stops, quizás un poco más.

Fig. 2: Diagrama de forma de onda de la Sony FS7 con SLOG3 (del Premiere Pro). El piso de ruido es claramente discernible (indicado por la línea roja). Cada celda que sobresale claramente del piso de ruido es un stop “utilizable”, lo que nos da un rango de 12 stops.

Ahora, por supuesto, hay cierta ambigüedad en el método visual (¿dónde está exactamente el piso de ruido?), y aquí es donde el software IMATEST se vuelve muy útil.

Nuestro flujo de trabajo utilizando IMATEST:

Usando la biblioteca FFMPEG, extraemos los cuadros I de la mayor calidad directamente del archivo de video, usando este comando (evitando así cualquier influencia de un sistema de edición):

ffmpeg -i videofile.mov -vf „select=eq(pict_type\,I)“ -vsync vfr framegrab%04d.tiff 

Esos framegrabs tiff de alta calidad se importan al IMATEST y se selecciona la región de interés:

Fig. 3: imagen de celdas del archivo de video, selección de la región de interés en IMATEST

Luego, IMATEST analizará cada celda mediante algoritmos avanzados para calcular las relaciones de señal ruido y luego extraerá la siguiente tabla (entre muchas otras cosas) – el rango dinámico para varios valores de RSR:

Fig. 4: Diagrama de resultados del IMATEST para la Sony FS7

Para la Sony FS7 IMATEST extrae un valor de rango dinámico de 12.1 stops para 1/RSR = 0.5, y 13 stops para un valor de RSR de 1. Además, el software identificó 17.7 celdas discernibles.

Por lo tanto, el valor del rango dinámico de cinema5d para la Sony FS7 es 12.1 en UHD (3840 × 2160).

Reducción de imagen

Un comentario sobre el escalado de imagen: si escalas la imagen de la Sony FS7 de UHD a Full HD (1920 × 1080), obtendrás un rango dinámico incrementado en IMATEST de aproximadamente 0,3 stops en el ejemplo de la Sony FS7 (que da como resultado 12,4 stops), ya que la reducción en escala promedia 4 píxeles UHD en 1 píxel FHD reduciendo así el ruido. Otro argumento a favor de la adquisición en 4k y la entrega en 2k.

¿Qué sucede al reducir la escala y cómo se incrementa el rango dinámico?

Bien, el valor de la señal de cuatro píxeles vecinos tiene un alto grado de correlación (la luminancia será aproximadamente la misma), mientras que el ruido para esos píxeles en general no debería mostrar correlación ya que es aleatorio.

Ahora, al reducir (o promediar) cuatro píxeles de una imagen de 3840 × 2160 a 1 píxel de una imagen de 1920 × 1080, el valor de la señal debería ser muy similar, pero el valor del ruido se reducirá porque el ruido es aleatorio (no correlacionado), por lo tanto promediando (o en términos matemáticos el valor cuadrático medio del ruido que se mide en la imagen grabada) las escalas con la raíz cuadrada inversa del número de muestras que promediamos.

Por lo tanto, 4 píxeles en 1 dan un factor de dos (sqrt (4) = 2) relación señal/ruido mayor (RSR). Mayor relación señal/ruido para una luminancia dada = mayor rango dinámico.

La escala para nuestras pruebas también se realiza utilizando la biblioteca ffmpeg (libswscale) para evitar cualquier influencia del software de edición.

Lo bueno de IMATEST es el hecho de que todos los análisis se basan en matemáticas puras y no en opiniones subjetivas. Además, siempre que se recorte claramente un celda, puedes subexponer/sobreexponer el gráfico de pasos e IMATEST te seguirá dando el mismo resultado dentro de una diferencia de pocos porcentajes. Hice muchas pruebas recientemente con el software y volví a probar la Sony FS7, la Sony A7sII, la Blackmagic Pocket Cinema Camera, la GH5, GH5s y la FUJI X-T2/ X-T3 para asegurarme de poder reproducir todos los resultados anteriormente realizados – una experiencia muy interesante, ya que ofrece una gran cantidad de información sobre las capacidades de los diferentes sensores y también lo que afirman los fabricantes.

Así que aquí hay una tabla de esos resultados recientes para ti (los valores de la ARRI ALEXA son de pruebas anteriores, pero se reproducen aquí como referencia también):

Fig. 5: tabla de resultados de pruebas recientes (excepción: valores de ALEXA para referencia de pruebas anteriores de cinema5d). El valor en negrita en el lado derecho de la tabla es la clasificación de rango dinámico de cinema5d.

             

Los fabricantes probablemente usarán la definición menos estricta ISO15739:2003 RSR = 1 (el valor de la señal es igual al ruido) ya que proporciona una lectura de rango dinámico más alta. Como se puede ver en los resultados anteriores, para esta definición en la resolución nativa más alta, la GH5s de Panasonic sería una cámara de 12 stops, la Blackmagic Pocket Cinema una cámara de 12,5 stops, etc.

Una cosa más: al principio del artículo, la definición de rango dinámico se estableció como la relación entre la luminancia máxima y la mínima que la cámara puede capturar – IMATEST también extraerá un valor de “rango de celda”, que es el número máximo de celdas que IMATEST pudo diferenciar (no se muestra en la figura 5). Aquí, por ejemplo, el valor de la GH5s fue de aproximadamente 14.7 celdas detectadas, y el valor de la Sony FS7 es de 17.7 (ver figura 4).

Por lo tanto, siempre que se indique la lectura de rango dinámico de una cámara ten en cuenta que solo tiene sentido si también se indica un valor de umbral de ruido claramente establecido para ese resultado de rango dinámico.

Por último pero no menos importante, nunca olvides que también los resultados objetivos del software IMATEST serán también un valor relativo. Algunas cámaras con codecs avanzados te permiten recuperar detalle de imagen en el piso de ruido mediante post-procesamientos avanzados, mientras que otras no. Así que no te sientas desalentado por un mejor o peor rango dinámico de tal o cual cámara, al final es el tipo detrás de cámara quien realiza la película ;-)

A modo de resumen, esperamos que nuestros resultados te resulten útiles, y ansiamos poder incluir más mediciones de rango dinámico en futuras reseñas de cámara. ¿Qué piensas? Cuéntanos en los comentarios debajo.

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