Tecnología forense: cómo es por dentro una cámara de fotos - Nobbot

Tecnología forense: cómo es por dentro una cámara de fotos

La fotografía es una de las actividades que más se han beneficiado de la evolución tecnológica de las últimas décadas. De la fotografía analógica se ha pasado a la digital, y de manejar equipos grandes y pesados hemos pasado a tener una cámara de fotos en cada móvil.

A la hora de comprar una cámara fotográfica, disponemos de diferentes opciones: cámaras de medio formato profesionales, cámaras SLR (Single Lens Reflex), DSLR (Digital Single Lens Reflex), CSC (Compact System Cameras o cámaras de sistema), compactas, instantáneas, las LOMO, las integradas en los propios smartphones, etcétera. Muchos tipos de máquinas, pero una filosofía común.

Sea el tipo de cámara que sea, su funcionamiento sigue una pauta similar en su esencia. Dependiendo de si estamos ante una cámara analógica o digital, SLR, CSC o compacta, o cualquier otro tipo, habrá diferencias en cuanto a la tecnología de cada elemento constituyente, pero su esquema de funcionamiento apenas sí variará.

La cámara, inspirada en el ojo

Para entender el funcionamiento de una cámara, podemos partir del de nuestros ojos. En el fondo, las cámaras son una imitación de nuestro sistema de visión.

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Lo que vemos no es más que el resultado de recoger en la retina la luz reflejada en los objetos que se encuentran ante nosotros. En la retina, esa luz se convierte en impulsos nerviosos que dependen de sus diferentes longitudes de onda. Los objetos absorben y reflejan de un modo diferente las diferentes longitudes de onda de la luz que llega a ellos.

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Esta luz reflejada llega a nuestro ojo a través de la pupila, encargada de dejar pasar más o menos luz dependiendo de la intensidad lumínica. Cuando hay mucha luz, el iris se cierra; y cuando hay poca, se abre. Luego, pasa a través del cristalino que es el que nos permite enfocar en objetos cercanos o lejanos modificando su geometría (curvatura). De ese modo, hacemos que la luz llegue a la retina, donde existen células específicas (los conos y los bastones) para identificar las diferentes longitudes de onda e intensidades lumínicas, convirtiéndolas en impulsos nerviosos que llegan hasta las partes del cerebro encargadas de procesarlos para convertirlos en imágenes “reconocibles” por nuestros procesos mentales.

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Pues bien, en una cámara de fotos, el cristalino es el objetivo, la pupila es el diafragma, la retina es el sensor (la película en las cámaras analógicas) y el cerebro es el procesador de imagen (el laboratorio de revelado en fotografía analógica).

Los elementos constitutivos de una cámara

Así pues, los elementos principales constitutivos de una cámara son precisamente esos: la óptica que “recoge” la luz proveniente de la escena que queremos capturar. En la óptica se encuentra tanto la parte de las lentes propiamente dichas como el diafragma encargado de regular la cantidad de luz que llega al sensor y el sistema de enfoque.

Después, está el sensor donde se recoge la luz proveniente de la escena que queremos fotografiar, y que llega a él a través de la óptica. El sensor está compuesto por millones de celdas fotocaptoras que convierten la luz incidente en señales eléctricas capaces de ser procesadas por circuitos electrónicos digitales.

Los sensores son similares en muchos aspectos a los procesadores y se fabrican a partir de obleas de silicio, estando formados por millones de transistores, así como el filtro de color Bayer o X-Trans de Fujifilm.

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El procesador de imagen es el encargado de convertir esas señales eléctricas en un archivo (JPG, RAW, de vídeo, etcétera), que luego se almacenará en la memoria de la cámara.

Existen otros componentes en una cámara, tales como el espejo en una SLR, o el sistema de enfoque, el visor óptico o la pantalla, que veremos con más detalle en su momento. Y también el obturador, encargado de controlar el tiempo exacto que la luz está incidiendo sobre el sensor.

La cámara réflex o SLR

Como punto de partida para diseccionar una cámara, podemos partir de una de tipo DSLR o SLR Digital. Es la que más elementos tiene, y el resto de tipos, generalmente, es el resultado de quitar elementos de las cámaras SLR, como por ejemplo, el espejo.

Las cámaras SLR Digitales parten del diseño de las SLR analógicas, en las que se ha eliminado el carrete como elemento capaz de capturar la luz, para dar paso a los sensores electrónicos. En el caso del carrete, el elemento fotosensible era la película recubierta por derivados de la plata, entre otros componentes. Posteriormente, habría que revelar el carrete para obtener el negativo y después “positivarlo” sobre papel fotográfico también foto sensible.

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En la imagen se puede ver la estructura interior de una cámara digital SLR. En primer plano, el objetivo, con múltiples elementos ópticos en su interior (un objetivo es un sistema complejo donde cada elemento tiene una misión específica para hacer que la imagen llegue al sensor sin distorsiones y con nitidez). Las hojas del diafragma no se ven aquí, pero se trata del mecanismo encargado de dejar pasar más o menos luz hacia el sensor dependiendo de la apertura que se configure.

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Tras salir de la óptica, llegamos al cuerpo de la cámara. Justo en el hueco donde encaja el objetivo se ve el espejo, partido por la mitad para que se pueda ver el sensor en la parte posterior. El espejo permite que la luz se refleje y vaya hacia la parte superior, donde está el pentaprisma que hace que la imagen se vea en el visor óptico de la parte posterior, al tiempo que pasa por el sistema de autoenfoque.

En el sensor, justo delante, aunque no se vea en la imagen, estaría el obturador, tapándolo para que no entre luz, y encargado de dejarla pasar durante el tiempo especificado por la velocidad de obturación.

La forma en la que funciona una cámara, conceptualmente, es simple: la luz pasa a través del objetivo y llega al sensor para que se forme la imagen correspondiente. El obturador se puede entender como una especie de cortina que tapa al sensor, de modo que podamos controlar de un modo preciso el tiempo que la luz está incidiendo sobre las celdas fotocaptoras.

La forma de saber qué estamos fotografiando y cómo saldrá en la foto es usando el visor. En las cámaras más sencillas, el visor estaba desplazado y sin alinear con el sensor, por lo que siempre había que prever que lo que se veía no era exactamente lo mismo que iba a salir en la foto.

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Para solucionarlo, se introdujo en las cámaras réflex el espejo. Ese espejo estaba instalado justo en el camino entre el objetivo y el sensor, reflejando la luz hacia un pentaprisma que, a su vez, llevaba la imagen hasta el visor trasero. De este modo, lo que se veía era justamente lo que saldría en la foto final, al estar “interceptando” la luz justo en la trayectoria hacia el sensor.

En el momento de hacer la foto, tras calcular qué cantidad de luz llega al sensor (o a la película en la foto analógica) usando el diafragma, y el tiempo que incidirá sobre él usando el obturador, el espejo se levantaba para que la luz incidiera en el fotocaptor (o el carrete en la foto analógica).

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Al mismo tiempo, junto con el espejo y el pentaprisma, se introdujeron sistemas de enfoque automático, así como fotómetros de precisión para medir la exposición sin necesidad de los fotómetros de mano, al tiempo que se motorizaban los objetivos para que fuera la propia cámara la que ajustara el foco sin que el usuario tuviera que intervenir. En la imagen superior tienes un esquema detallado de la parte del pentaprisma en una cámara SLR.

Para que te hagas una idea de la precisión y fiabilidad que tiene una cámara, el obturador tiene que ser capaz de abrirse y cerrarse a velocidades de hasta 1/8000 segundos en ráfagas de más de 10 fps. A pesar de ser un elemento mecánico, su vida útil puede ir de unas decenas de miles de disparos a centenares de miles de ellos.

En este vídeo puedes ver un “slow motion” con el funcionamiento de un obturador:

Fuera espejos, llegan las cámaras de sistema

Hace unos años, se empezó a ver que el espejo era un elemento grande, mecánico y ruidoso. Y algunos fabricantes, en busca de diseños más compactos y ligeros, empezaron a pensar en eliminarlo de la ecuación. Pero, para poder hacerlo, había que solucionar el tema de cómo hacer que el enfoque y encuadre se realicen a partir de lo que “ve” el sensor.

Para ello, se introdujeron sistemas electrónicos que permitían usar, total o parcialmente a través de espejos semitransparentes, la luz que llegaba al sensor para generar una imagen “en vivo” (Live View) en una pantalla o un visor electrónico. Es una solución de compromiso que permite fabricar cámaras mucho más pequeñas en las que no hay espejo alguno.

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La forma de generar la imagen “en vivo” o “Live View” ha ido mejorando con el tiempo, de modo que, a día de hoy, los mejores visores electrónicos y pantallas ofrecen una visión en directo sin retardos y con una tasa de frames elevada, hasta el punto de estar presente también en las cámaras SLR digitales.

De todos modos, la calidad de los visores ópticos de las SLR sigue estando por delante de los métodos electrónicos, lo cual hace que las DSLR mantengan el espejo en los modelos profesionales.

Las cámaras de sistema (CSC) son básicamente cámaras réflex en las que se ha eliminado el espejo y añadido sistemas electrónicos para el visor y el enfoque. Por lo demás, siguen teniendo sistemas de ópticas intercambiables con monturas adaptadas a la nueva geometría de las cámaras.

En la jerga fotográfica, “montura” se refiere a los diferentes sistemas de ópticas compatibles con un determinado tipo de cámaras. Según el tamaño de la cámara, parámetros como la distancia del sensor al centro óptico de un objetivo cambian cuando el tamaño de una cámara se modifica. Por este motivo, en una cámara SLR tenemos ópticas que no son directamente usables con cámaras CSC, aunque sean de la misma marca, salvo que se usen adaptadores para ello (que no siempre los hay)

Fuera obturador mecánico, o casi

Otro elemento que tiende a desaparecer es el obturador mecánico. En las cámaras compactas o en los smartphones, ni siquiera está presente en muchos casos. Lo que se hace es sustituirlo por un obturador electrónico que, simplemente, enciende y apaga el sensor en el momento de hacer la foto durante el tiempo especificado por el ajuste de exposición.

Con todo, el obturador mecánico sigue gozando del favor de los fotógrafos gracias a las posibilidades de sincronización con el flash usando la primera o la segunda cortinilla, por ejemplo. Puede que estos términos no te resulten familiares: quédate con la idea de que el obturador mecánico sigue estando presente en las cámaras de gamas altas y profesionales. En algunos modelos, especialmente de gama alta, es posible elegir qué tipo de obturador vamos a usar, como en la Fujifilm X70, por ejemplo.

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Si en los menús de configuración ves esta opción, recuerda que el electrónico no supone un desgaste para la mecánica, pero el mecánico ofrece más opciones creativas.

Cámaras en miniatura: todo depende del sensor

Las cámaras han sido capaces de integrarse hasta en teléfonos móviles. Para ello, han tenido que encogerse, y mucho. Especialmente el sensor, que en un móvil es mucho más pequeño que en una cámara CSC o SLR. En la imagen se pueden ver diferentes tamaños de sensores comparados. Los más pequeños son los que están integrados en teléfonos móviles, y a partir de ahí vamos encontrando tamaños mayores para cámaras compactas, bridge, CSC, SLR y profesionales. A mayor tamaño del sensor, mejor calidad de imagen.

Los elementos constitutivos de las cámaras siguen estando presentes, pero a una escala mucho menor en tamaño. Por supuesto, no hay espejo y tampoco obturador, aunque sí podemos encontrar otros elementos tales como el estabilizador óptico de imagen.

sensorsizes-svg-100056837-origLos estabilizadores de imagen consisten en sistemas motorizados que detectan el movimiento de la cámara y compensan este movimiento para anular su efecto sobre la imagen final. La estabilización óptica puede estar integrada en el sensor o en la óptica. Si está en el sensor, la ventaja radica en que no es necesario que las ópticas que compremos estén estabilizadas, lo cual elimina complejidad en su fabricación.

A medida que vamos reduciendo el tamaño, acabamos incluso por prescindir del diafragma, quedándonos con una apertura fija, como sucede en los teléfonos móviles. O se cuenta con un número limitado de opciones, como en las cámaras compactas más básicas.

El procesador de imagen, el cerebro de nuestra cámara

En todos estos tipos de cámaras hay un componente común: el procesador de imagen. Es el encargado de convertir la información proveniente del sensor en los archivos JPEG que luego veremos en pantalla o imprimiremos en papel, por ejemplo.

El procesador de imagen puede ser dedicado, mediante chips especialmente diseñados para cámaras concretas, o puede estar integrado en la CPU de un smartphone sin una especialización más allá de incorporar algoritmos genéricos. Las cámaras dedicadas suelen tener su propio procesador de imagen, “marca de la casa”. Así, en Canon tenemos los DIGIC, en Nikon los Expeed, en Fujifilm los EXR, en sony los Bionz, etcétera.

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En los smartphones, el procesador de imagen suele estar a cargo de la propia CPU, aunque, en algunos casos, sobre todo en modelos de gama alta, los fabricantes usan sus propios procesadores de imagen, como en el caso de Apple, o Sony con una versión reducida del Bionz.

El procesador de imagen es el encargado de tareas como la gestión del color, el balance de blancos, la reducción de ruido o la generación del fichero final que se grabará en la tarjeta de memoria. Es importante que sea rápido para que podamos hacer fotos con rapidez y con una calidad elevada.

El sensor visto con un poco más de detalle

Desde un punto de vista general, podemos quedarnos con la idea de que el sensor capta la luz y sus celdas fotocaptoras la convierten en señales eléctricas interpretables por la electrónica para generar la imagen final.

En realidad, un sensor tiene un elemento adicional de gran importancia: el filtro de color RGB. Las imágenes digitales se componen de píxeles con un componente rojo, otro azul y otro verde formando triadas RGB (red, Green, blue). Así que tenemos que dotar al sensor de un modo para que pueda capturar la luz descompuesta en estos tres colores.

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Para ello, sobre el sensor se superpone un filtro con una matriz RGB denominado “Filtro Bayer”. Este filtro hace que sobre cada célula fotocaptora llegue uno de estos componentes R, G o B. Posteriormente, es el procesador de imagen el que recompone la imagen final mediante algoritmos que combinan la información RGB de celdas adyacentes.

Existe otro elemento que forma parte del sensor pero que tiende a desaparecer: el filtro paso bajo. Su misión es la de “desenfocar” ligeramente la imagen para evitar que aparezcan artefactos visuales no deseados como el efecto Muaré. De todos modos, fabricantes como Nikon o Fujifilm llevan tiempo ofreciendo modelos sin él con el consiguiente incremente en el detalle final de las imágenes.

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Lo que sí se está llevando hacia el sensor son los sistemas de enfoque, tanto en teléfonos móviles como en cámaras SLR o CSC. Los avances en los sensores hacen posible integrar en ellos más componentes sin que interfieran con la captación de la luz. De este modo, se podrá prescindir de los sistemas indirectos a partir de sistemas de enfoque ubicados en otros lugares de la cámara, con el consiguiente desaprovechamiento del espacio disponible.

Los objetivos, una obra de arte

Podemos pensar que el objetivo de una cámara es un sistema simple, pero internamente son auténticas obras maestras compuestas por múltiples elementos ópticos que permiten corregir y compensar las deformaciones y aberraciones ópticas propias de las lentes.

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Para que te hagas una idea, en este vídeo se muestra parte del proceso de fabricación de los objetivos de Canon

Incluso en los teléfonos móviles, las ópticas cuentan con múltiples elementos, lo cual da una idea de la complejidad de este elemento constituyente de las cámaras. Además, a eso hay que sumar los motores para los sistemas de enfoque, con una precisión extraordinaria, o los sistemas de estabilización óptica con más de cuatro pasos de compensación para el movimiento en los modelos más avanzados.

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En los móviles especialmente y en cámaras compactas, es complicado manejar ópticas con zoom o incluso hay que usar ópticas fijas. El grosor de un smartphone limita el uso de las ópticas a distancias focales cortas, lo cual redunda en zoom corto también, siendo lo habitual tener distancias focales fijas y cortas, más cercanas a los grandes angulares que a los teleobjetivos. Recuerda que, a mayor distancia focal, más zoom. A menor distancia focal, más ángulo de visión.

Recapitulando

El funcionamiento básico de una cámara de fotos es conceptualmente simple, pero, a medida que entramos en el detalle de cada componente, nos encontramos con tecnologías muy avanzadas que han ido evolucionando con el tiempo, especialmente en la parte de la electrónica digital.

Tenemos un objetivo, el diafragma para controlar la apertura (la cantidad de luz que llega al sensor), el obturador para controlar el tiempo que esa luz incide en el sensor, el propio sensor con las células fotocaptoras, un procesador de imagen y el archivo final resultante del proceso.

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Elementos como el espejo se introdujeron para permitir a los fotógrafos ver en el visor lo mismo que luego saldrá en la foto, al tiempo que se llevaron a la cámara los sistemas de medición de luz y enfoque automático. Ahora, la tendencia es la de eliminar los componentes móviles y mecánicos, aunque para usos profesionales, la calidad de los visores ópticos o las posibilidades de los obturadores mecánicos todavía están por encima de los sistemas electrónicos.

Las diferencias entre cámaras dedicadas y las de los móviles pasan por detalles como el tamaño del sensor sumamente pequeño, o la ausencia de un diafragma con diferentes aperturas en los smartphones, que solo manejan un valor fijo e inamovible.

El tamaño del sensor, a su vez, influye en las posibilidades creativas, al impedir que se puedan conseguir efectos de desenfoque del fondo, por ejemplo. En fotografía, casi todas las variables que se manejan para capturar una instantánea están íntimamente relacionadas, de un modo tal que lo que se mejora con unas hacen que empeoren las condiciones de otras.

Una tendencia que se está empezando a popularizar es la de la doble cámara en los smartphones. Hay dos posibles interpretaciones: por un lado, la doble cámara con focales independientes como súper gran angular y angular normal (LG G5) o angular normal y tele (como en el iPhone 7 Plus). Por otro, doble sistema de sensores: uno en el que se ha eliminado el filtro de color para capturar la intensidad luminosa con mayor precisión, y otro convencional (como en el Huawei P9). Las imágenes resultantes combinan la información de ambos sensores para ofrecer imágenes de, teóricamente, mayor calidad, o en las que se introducen efectos digitales como el desenfoque del fondo.

Foto | Canon, Esquema del ojo, Wikipedia

Foto | Filtro Bayer, Wikipedia