Bit Depth/es

Profundidad de bits

Introducción

A menudo escucharás o leerás términos como "8-bit", "16-bit", "24-bit", "32-bit", "64-bit" y "96-bit" haciendo referencia a imágenes digitales.

Este artículo aclarará lo que significa eso.

Las imágenes digitales consisten en millones de píxeles uno al lado del otro y cada píxel tiene uno o más canales de color.

Las imágenes en escala de grises sólo necesitan un canal (un valor de 0 podría representar el negro puro, 255 podría representar el blanco puro y los valores intermedios representarían tonos grises entre el blanco y el negro), mientras que las imágenes en color RGB necesitan tres canales - uno define el rojo, otro el verde y otro el azul.

El valor de cada canal define sólo la intensidad de un color, por lo que no hay nada intrínsecamente verde en un número en el canal verde de un píxel: los colores se derivan de la interacción entre los tres canales del Modelo de Color RGB.

Por otro lado, un píxel podría constar de más de tres canales: por ejemplo podría contener información sobre un canal alfa (que describe la transparencia) o un canal infrarrojo (que algunos escáneres soportan).

Y en cuanto a la fidelidad de los colores en las fotografías, cuanto mayor sea la profundidad de bits en que una imagen se codifique, con más precisión se puede definir un color, a costa de exigir cálculos más largos, más memoria RAM y más espacio de almacenamiento.

¿Bits Por Qué?

La profundidad de bits se expresa como un valor del número de bits por píxel (BPP), o de bits por canal (BPC).

El más que popular formato JPEG suele guardar las imágenes con una precisión de 8 bits por canal, utilizando tres canales, para un total de 24 bits por píxel. El formato TIFF admite varias profundidades de bits, por ejemplo 32 bits por canal para un total de 96 bits por píxel.

Lo recomendable es que al nombrar la profundidad de bits, indiques lo que estás describiendo para no dejar lugar a dudas. Como ejemplo de ambigüedad: si alguien dice que tiene una imagen de "32 bits", ¿significa que la imagen tiene 32 bits por canal, o que tiene 4 canales de 8 bits cada uno?

Precisión

En la práctica, ¿qué diferencia hay entre una profundidad de bits y otra? Cuantos más bits se empleen para definir un color, con más precisión se logrará hacerlo:

• Una precisión de 1 bit por canal significa que sólo hay 1 bit para establecer un valor. Un bit solo puede ser 0 o 1, por lo que solo se pueden establecer dos valores, que normalmente significarán blanco o negro.

• Una precisión de 2 bits por canal significa que hay 2 bits disponibles para establecer el valor de cada canal. Como hay dos bits y cada uno puede ser 0 o 1, hay un total de 4 valores posibles:

 [00] = 0
 [01] = 1
 [10] = 2
 [11] = 3

Si usamos 0 para representar el negro y 3 para representar el blanco, hay dos tonos adicionales de gris que se pueden establecer.

• Una precisión de 8 bits por canal significa que hay 8 bits que pueden establecer hasta 256 valores:

 [0000 0000] = 0
 [0000 0001] = 1
 (...)
 [1111 1110] = 254
 [1111 1111] = 255

Si usamos 0 para representar el negro y 255 para representar el blanco, nos quedan 254 valores para establecer los tonos de gris posibles. Esto es lo que usan los archivos JPEG: 8 bits por canal, con 3 canales de color.

En general es suficiente si utilizas esta profundidad para guardar tus fotografías en el Espacio de Color sRGB, sin posterización visible. Así que, obviamente puedes usarla cuando guardes las fotografías que ya estén listas para que las vean a través de Internet.

Sin embargo, esta profundidad de bits no es adecuada para fotografías que no estén acabadas de procesar (lo que se suele llamar "formato intermedio"), ni para fotografías acabadas (o "formato final") si existe la posibilidad de que tengas que modificar la fotografía en un futuro, ya que corres el riesgo de introducir artefactos de posterización, dependiendo de la intensidad de los ajustes aplicados.

Una profundidad de 8 bits no es suficiente para reproducir una escena de alto rango dinámico con una gama lineal y sin posterización. Es decir, en teoría se podrían utilizar 8 bits para describir una escena de alto rango dinámico con una gama lineal, pero los tonos asignados a cada valor estarían tan separados que se produciría una enorme posterización: por ejemplo, vamos a suponer que en una fotografía capturas un día soleado en el campo, con una relación de contraste de 1.000.000:1. Si decides que el negro debe ser el 0 y el blanco el nivel de contraste 1.000.000, podrías asignar el valor 0 al 0 y el valor 255 al 1.000.000; sin embargo, entonces sólo quedarían 254 valores (de la codificación en 8 bits) a los que asignar el resto de 999.999 matices de la escena original.

• Una profundidad de 16 bits por canal (con números enteros) significa que tenemos números binarios con 16 ceros y/o unos. Con las combinaciones posibles se pueden establecer 65536 valores:

 [0000 0000 0000 0000] = 0
 [0000 0000 0000 0001] = 1
 (...)
 [1111 1111 1111 1110] = 65534
 [1111 1111 1111 1111] = 65535

Las cámaras digitales suelen capturar la luz con una profundidad de 12 ó 14 bits, pero debido al ruido y a la imprecisión de la electrónica, los valores más bajos son de dudosa calidad. 16 bits por canal son suficientes para la mayoría de las necesidades fotográficas, incluyendo el uso en formatos intermedios (si deseas pasar una imagen de un programa a otro sin pérdida de detalles).

• Los valores de una imagen de 16 bits en coma flotante, también conocida como coma flotante de media precisión (sin traducción al castellano), se distribuyen de una manera más adecuada para el muestreo de luz que en la misma imagen en 16 bits con números enteros.

Esto es así por varias razones: la visión humana es más sensible a pequeños cambios en los tonos oscuros que a pequeños cambios en los tonos brillantes; nuestros ojos responden a la luz de una manera logarítmica (la luz debe ser 10 veces más intensa para que podamos verla el doble de brillante); y los reflejos especulares, que pueden ser los elementos más brillantes de una escena (por ejemplo, el sol reflejándose en el pomo de una puerta), no necesitan ser definidos con la misma precisión que los demás tonos.

En la notación en coma flotante de 16 bits, los valores se distribuyen más apretadamente en los tonos más oscuros (valores más bajos) que en los más claros (valores altos), lo que permite una definición más precisa de los tonos más relevantes para nuestros ojos.

• Una imagen de 32 bits en coma flotante puede representar 4.300 millones de valores por canal y requiere aproximadamente el doble de espacio en disco que una imagen de 16 bits. Pocos programas son compatibles con las imágenes de 32 bits.

Una de las razones por las que la profundidad de bits afecta principalmente a las sombras, se debe a la forma en que se codifican los colores: cada color está definido mediante una mezcla de rojo, verde y azul.

Poniendo como ejemplo una imagen de 8 bits y el color naranja, pueden escogerse muchos valores cuando se codifica el naranja brillante, pero hay muy pocos valores disponibles para codificar el naranja oscuro; es decir, sólo los 3-4 valores más bajos de cada canal pueden ser usados para definir (codificar) el naranja oscuro, lo cual significa que sólo existen unos 16 valores posibles para codificar todo un rango de tonos oscuros.

Cuanto mayor sea la profundidad de bits, más colores se pueden definir y se evita la posterización.

Codificación Gama

La codificación gamma puede utilizarse al guardar las imágenes, de manera que al usarla los valores se modificarán asignando más cantidad en el rango de las sombras que en el rango de las altas luces, lo cual se ajusta mejor a la sensibilidad que tiene el ojo humano.

Con éllo se consigue que un JPEG de 8 bits pueda mostrar hasta log2((1/2^8)^2.2) = 17,6 pasos de rango dinámico, lo cual excede los 14 pasos de las mejores cámaras actuales. Esto explica por qué a veces se puede ver el ruido de las sombras de una cámara incluso en un JPEG de 8 bits.

Sin embargo, debido a la distribución no lineal de los valores (mayor densidad de valores en las sombras, menor densidad en la altas luces), perdemos precisión en comparación con el archivo raw (con los valores grabados de forma lineal por la cámara). De todas formas en la práctica esto no es un problema siempre que el archivo generado sea el definitivo y que no se vaya procesar más.

Sin embargo, una foto puede mejorarse enormemente cuando se guarda como datos en bruto (raw) y se procesa utilizando un programa de procesamiento de datos raw de última generación, como su seguro servidor, RawTherapee.

Después de RawTherapee

Una vez que hayas procesado una foto en RawTherapee y te dispongas a guardarla, siempre tendrás la misma duda: qué formato de archivo, qué profundidad de bits por canal, qué perfil de color y qué gamma usar.

Si después de exportarlas en RawTherapee piensas posprocesar tus fotos en un programa de edición de imágenes de 16 bits, es mejor guardarlas en un formato de 16 bits sin pérdidas (lossless).

RawTherapee puede guardar imágenes con una precisión de 16 bits con números enteros (denominada "TIFF (16-bit)" o "PNG (16-bit)" en el cuadro de diálogo Guardar), así como con una precisión de 16 bits en coma flotante (denominada "TIFF (16-bit float)"). El formato TIFF sin comprimir de 16 bits con números enteros es el recomendado como formato intermedio, ya que es el más rápido de guardar en el disco y además es ampliamente aceptado (soportado) por otros programas. Los archivos de 32 bits tienen aproximadamente el doble de tamaño y no son bien soportados por otros programas.