¿Cuál es la causa física del aumento del ruido con un ISO alto?

Piense en ISO como un amplificador: aumenta la ganancia en la señal entrante.

Si tiene un amplificador de audio y una radio AM vieja sintonizada en una señal distante, debe subir el amplificador para escuchar la estación correctamente. Desafortunadamente, eso genera muchos otros ruidos al mismo tiempo, por lo que apenas puede escuchar la música sobre el crujido y el silbido.

ISO funciona de la misma manera. Amplifica la 'luz', pero a costa de aumentar también las señales aleatorias no deseadas que ya están presentes en los datos entrantes. El ruido siempre está ahí, solo que no se amplifica si estás en ISO 100.

Las cámaras que son más efectivas con valores ISO más altos básicamente tienen una mejor relación señal/ruido desde el principio. Un sensor 'más silencioso' y la capacidad de captar más luz, razón por la cual los sensores más grandes suelen ser mejores en esto: tienen un área más grande para capturar más luz.

ISO en una cámara digital no es realmente ISO como lo era en una película, pero es una manera fácil de preservar la relación entre familiaridad y exposición.

ISO para Analógico vs Digital

ISO es confuso en la fotografía digital en parte porque en realidad estaba destinado a la fotografía de película. En la fotografía de película, ISO 400 es realmente más sensible que la película ISO 100.

Esto no es realmente cierto en el caso de la fotografía digital. La sensibilidad del sensor de tu cámara es la que sea y no cambia. El sensor funciona un poco como una matriz de paneles solares muy pequeños. Los fotones de luz son partículas que transportan energía. Esa energía es absorbida por el sitio de fotos en el conjunto de sensores de su cámara y crea una pequeña carga (voltaje). Esta es información analógica, aún no está en forma digital.

Cuando se completa la exposición y se cierra el obturador, la cámara realizará una lectura de la información del sensor.

Ganancia aguas arriba y aguas abajo

Pueden pasar dos cosas y el funcionamiento de esto dependerá de la cámara.

La cámara puede aplicar amplificación analógica. Las cámaras normalmente solo hacen esto por un puñado de "paradas" de ganancia. Dado que la información analógica aún no se ha convertido a formato digital, este tipo de ganancia a veces se denomina "ganancia ascendente".

La información analógica se convierte en digital al convertir el voltaje en unidades digitales. Este es el ADC o conversión analógica a digital. Los valores de salida a veces se denominan ADU, abreviatura de Unidades digitales analógicas. Esta es la salida digital.

Esta información digital también puede incrementarse mediante la simple multiplicación de los valores numéricos. Dado que esto ocurre después de la conversión de digital a analógico, a veces se lo denomina "ganancia descendente".

Algunas cámaras obtienen ganancia exclusivamente o en su mayoría digital (ganancia descendente), otras usan una combinación de ganancia ascendente y descendente. Dado que esto varía según el modelo de cámara, no hay una respuesta correcta sobre cómo se hace.

En este punto, gran parte de la información en el formato digital representa una "señal" real, lo que significa que es información que representa la luz recolectada durante la exposición.

Inclinación

Pero hay muchos matices interesantes. Por ejemplo, si enciende un sensor, mantiene la lente cubierta, captura la imagen más corta posible y luego realiza una lectura, podría pensar que todos los valores de píxeles serían ceros. Pero eso no es lo que sucede... encontrará que todos leen algunos valores muy pequeños que están cerca de cero... pero no del todo cero. Esto representa el valor de polarización del sensor. Por cierto, las cámaras digitales modernas compensan internamente el sesgo antes de escribir los datos de la imagen.

Ruido térmico

Además, si continúa manteniendo la lente cubierta pero toma una exposición más prolongada, encontrará que muchos de los píxeles aumentan sus ADU acumuladas, aunque no entren fotos de luz visible en la cámara. Hay varias razones para esto y una es el ruido térmico (y hay sensores de cámara que se enfrían para reducir este ruido).

También hay ruido debido a efectos cuánticos. Si una cámara tarda en realizar una lectura, puede obtener ruido causado por algo llamado amp-glow. Y aunque es raro... el fotón ocasional de alta energía puede pasar y penetrar en la cámara.

La conclusión aquí es que hay muchas causas de 'ruido'.

ISO alto no causa ruido

AUSENTE de esta lista es ISO. ISO no causa 'ruido' per se. El ruido capturado cuando se completa la exposición y la cámara completa la lectura es lo que sea y no cambia. ISO es una ganancia aplicada después de que se completa la exposición (técnicamente no es parte de la exposición, aunque es mucho más fácil pensar en ello como si fuera parte de la exposición).

Imagine una grabación de audio de muy mala calidad de alguien hablando... pero el micrófono está demasiado lejos de la persona que habla. Subes el volumen mientras reproduces el audio y escuchas mucho ruido de fondo, silbidos, zumbidos y otros matices (tal vez incluso incluyendo a otras personas en la habitación). Pero debido a que subes el volumen, escuchas todos estos sonidos de fondo que son mucho más evidentes. Si el micrófono hubiera estado más cerca de la persona que habla, tendría una "señal" más fuerte y no habría necesitado aumentar el volumen de reproducción.

Esta es una buena analogía para la relación señal/ruido. El ruido es relativamente constante. Es la señal que era más fuerte o más débil. Pero esta dinámica cambia la "relación señal a ruido" (SNR).

Si tiene mala señal, tendrá la tentación de "subir el volumen". En fotografía, "subes el volumen" aumentando el ISO (realmente la ganancia). Pero esto aumenta TODA la información... tanto la señal como el ruido.

El ruido se hace evidente como resultado de una exposición insuficiente

El ruido simplemente se vuelve más evidente porque la fotografía tenía una señal insuficiente. En última instancia, es la relación señal/ruido (SNR) la que determina la cantidad de ruido perceptible que se ve en una imagen. El ruido siempre está ahí... pero si los valores de la señal son muy altos, no es necesario amplificar la información para que el ruido no se note. Básicamente, la señal supera al ruido hasta el punto de que nuestros ojos no lo notan. Si la señal es pobre entonces tenemos que amplificar la información. Esto da como resultado una SNR deficiente donde el ruido es un porcentaje decente de la información general y ahora sí notamos el ruido.

La conclusión aquí es que el nivel de "ruido" de su cámara en realidad no cambia tanto (lo haría en exposiciones muy largas en las que se genera una acumulación térmica que genera más ruido). Si ve "ruido" en sus imágenes, significa que no tenía suficiente señal. Y dado que ISO no es técnicamente parte de la exposición... lo que realmente significa es que tuviste una exposición insuficiente.

Lo que acabo de decir es probablemente muy contrario a lo que muchos fotógrafos han aprendido. Pero aprendemos y enseñamos fotografía basándonos en los conceptos analógicos de las cámaras de película analógicas... y por lo general no profundizamos en cómo funcionan realmente los sensores y las cámaras digitales. En general, esto satisface bien nuestras necesidades, pero en el caso de ISO y el ruido crea confusión.

Aumentar el ISO en una cámara digital moderna tiene dos efectos:

1. Aumenta la amplificación de la señal del sensor, haciendo que las partes oscuras de la imagen sean más brillantes.
2. Cambia la medición de la cámara para que resulte en una exposición más baja. Se seleccionará una velocidad de obturación más rápida o una apertura más pequeña.

Ambos se combinan para aumentar el ruido.

La mayor parte del ruido que se ve en una fotografía digital es ruido de disparo de fotones . Al bajar la exposición el ruido constituye un mayor porcentaje del resultado final. La mayor amplificación hace que ese ruido sea más visible.

Tetsuijn ya da una muy buena explicación. Intento dar una explicación similar pero un poco más teórica.

Suponga que el sensor recupera la luz y todos los valores están entre 0 (oscuro) y 100 (luz máxima detectable por el sensor). El sensor que tiene un ancho X (con columnas 0 a x) y alto Y (con filas 0 a y) tiene píxeles X * Y (por ejemplo, un sensor de 100x100 tiene 10.000 píxeles). Cada píxel puede tener una intensidad de luz entre 0 y 100. Además, debido a que siempre hay 'ruido' (ningún sensor es perfecto), suponga que el ruido es máximo. 2. Eso significa que el 2 % (2 de 100) es la relación de ruido, el 2 % de la señal (máxima) es ruido.

Ahora suponga que está muy oscuro, por lo que el sensor solo lee valores de 0 a 5. Entonces, para todos los píxeles, todos los valores están entre 0 y 5. Ahora, al cambiar el ISO, el factor de amplificación cambia, por lo que el ISO se establece en un valor en el que el factor de amplificación aumenta en 20. Esto significa que se puede muestrear el rango máximo, de 0 * 20 a 5 * 20, por lo tanto de 0 a 100. Sin embargo, el ruido (2) también se incrementa con el mismo valor, por lo tanto 2 * 20 = 40. Y 40/100 = 40%, por lo que ahora tenemos un ruido proporción del 40%.

Cuanto más grande es el sensor, más luz puede muestrear, por lo que el valor máximo es en lugar de 100, tal vez 200 o 500. Con el mismo nivel de ruido de 2, la relación de ruido es 2/500 = 0,4 %, o cuando se aumenta el ISO a un nivel de amplificación de 5, será del 2% (en lugar del 10% con el sensor del primer ejemplo).

Si aumenta el tiempo de obturación (es decir, una exposición más larga), el tiempo de muestra aumenta, haciendo que el valor de 100 en el primer ejemplo para la cantidad máxima de luz sea más largo. Digamos 10 veces más, por lo tanto 1.000. Sin embargo, el ruido seguirá siendo 2, por lo que la relación de ruido será 2/1000 = 0,2 %.

Es por eso que aumentar el ISO empeorará el ruido, pero no aumentar el tiempo de obturación. Pero solo puede usar esto cuando la imagen que está tomando no se mueve (no hay elementos que se muevan rápidamente) y si la cámara/lente es estable.

La causa principal es Photon Shot Noise, que es la aleatoriedad de los fotones de luz.

La analogía común es que los píxeles son tazas (pozos) que recogen lluvia (fotones). Y con poca luz es como caminar hacia su automóvil en un ligero rocío... grandes áreas de su cuerpo pueden permanecer completamente secas mientras que otras áreas se mojan. Mientras que con mucha luz es como intentar caminar hasta tu coche bajo un fuerte aguacero... vas a estar completamente empapado. Es la falta de luz/datos suficientes de los "píxeles secos" lo que causa el ruido. Y muchas cámaras también agregan su propio ruido a la cadena de señal, por lo que requieren una señal recolectada más fuerte (recolectada más luz) para abrumarla.

El sensor de imagen digital está cubierto de sitios fotográficos. La lente de la cámara enfoca una imagen del mundo exterior en la superficie de este sensor. El obturador se abre y la luz juega con el sensor. Cada foto-sitio es bombardeado por impactos de fotones. El número de visitas a un sitio dado es proporcional al brillo de la escena. Cada golpe de fotón genera una carga dentro del sitio de fotos. Esta carga es increíblemente débil. Al final de la exposición, las cargas se miden y se convierten a voltaje. El nivel del voltaje es proporcional al brillo de la escena. Dependiendo de la ISO (Organización Internacional de Normas) que establece las reglas, se aplica la amplificación. A la señal ahora amplificada se le asigna un valor numérico en proporción al brillo de la escena. Cuando se aplica amplificación, algo de estática siempre se cuela. Esto es equivalente a la estática que escuchamos cuando subimos demasiado el volumen de una radio o un televisor. En la jerga de la imagen digital, cambiamos el nombre “estático” a ruido. Este "ruido" aparece como artefactos no deseados incrustados en la imagen final. Estos artefactos generalmente le dan a la imagen “granularidad”. Esta es la contrapartida digital de un patrón granulado que se ve en la fotografía de películas fotográficas basadas en productos químicos. Los ajustes ISO más altos permiten la fotografía en condiciones de poca luz. La desventaja es que la amplificación aumenta, por lo que la señal tiene una mayor cantidad de ruido. La contramedida es el software de reducción de ruido y los chips de imágenes digitales con inherentemente más sensibilidad a la luz. Este "ruido" aparece como artefactos no deseados incrustados en la imagen final. Estos artefactos generalmente le dan a la imagen “granularidad”. Esta es la contrapartida digital de un patrón granulado que se ve en la fotografía de películas fotográficas basadas en productos químicos. Los ajustes ISO más altos permiten la fotografía en condiciones de poca luz. La desventaja es que la amplificación aumenta, por lo que la señal tiene una mayor cantidad de ruido. La contramedida es el software de reducción de ruido y los chips de imágenes digitales con inherentemente más sensibilidad a la luz. Este "ruido" aparece como artefactos no deseados incrustados en la imagen final. Estos artefactos generalmente le dan a la imagen “granularidad”. Esta es la contrapartida digital de un patrón granulado que se ve en la fotografía de películas fotográficas basadas en productos químicos. Los ajustes ISO más altos permiten la fotografía en condiciones de poca luz. La desventaja es que la amplificación aumenta, por lo que la señal tiene una mayor cantidad de ruido. La contramedida es el software de reducción de ruido y los chips de imágenes digitales con inherentemente más sensibilidad a la luz.