Sistema de fotografía panorámica

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Probando una Canon 7D con lente 600mm f:4 sobre cabezal CLAUSS Rodeon HD (video).

Tras trabajar durante años con el sistema de registro fotográfico paralelo, Factum Arte decidió investigar la posibilidad de utilizar un sistema de registro panorámico. El objetivo era conseguir velocidad, alta calidad y un registro fiable de imagen en color de objetos de patrimonio cultural y obras de arte. Finalmente, a finales de 2010 después de investigar y sopesar su viabilidad, empezó el desarrollo de este sistema.

A finales de 2010 empezamos a trabajar con la compañía alemana CLAUSS y adquirimos un sistema panorámico. CLAUSS lleva trabajando en equipamiento de fotografía panorámica desde 1993, cuando desarrollaron la primera cámara electrónica panorámica del mundo. El primer cabezal posicionador se desarrolló y fabricó en 2003 y desde entonces ha sido utilizado en el mundo entero por fotógrafos, artistas, productores e industria, para registrar imágenes panorámicas de alta calidad.

Unidad de flash de alta velocidad Elinchrom sobre cabezal CLAUSS Rodeon HD

Se optó por este equipamiento panorámico debido a su calidad de elaboración, fiabilidad y capacidad de trabajar muchas horas seguidas. En Factum Arte se ha utilizado para escanear cuadros grandes, estructuras en relieve y salas enteras, gracias a su modo de trabajo en 360x180 grados.

Probando la repetición del flash para una sesión de 700 disparos, una cada 5 segundos (video).

Grégoire Dupond empezó definiendo las tareas específicas y necesidades de equipamiento de Factum Arte. Mantuvo exhaustivas conversaciones con Roland Clauß y Susanne Clauß, quienes dieron respuesta y ayudaron a encontrar un medio de conseguir nuestro objetivo de superar los problemas inherentes al registro en alta resolución del patrimonio cultural.

El equipamiento automatizado de fotografía panorámica, consiste en un cabezal motorizado panorámico y un ordenador (para controlar el cabezal), así como el artefacto de registro (cámara) y el programa de archivo para bajar y nombrar a las fotografías resultantes.

Nuestro primer requisito era simple: Factum Arte tenía que escanear la totalidad de la Sala Bolonia en el Vaticano en tres días laborales. El objetivo era fotografiar a una distancia de 6-9 metros, alcanzando aun así, alta resolución (400-600dpi at 1:1). Se acopló una lente de telefoto de 600mm a una DSLR. Debido al peso de la lente, se necesitaba un cabezal panorámico completo sólido, suficientemente preciso para 6+ Kg de equipamiento en gradientes de 2 grados o menos. Dr. Clauss ya había desarrollado un equipo que ofrecía estas prestaciones.

Cuando se registra en alta resolución con una lente 600mm, la iluminación es un tema crítico. Incluso con el cabezal panorámico Dr. Clauss más estable, las vibraciones durante el tiempo de exposición no pueden evitarse, salvo esperando muchos segundos después de cada movimiento y manteniendo levantado el espejo situado delante del sensor, evitando así la vibración que éste produce al accionarse (durante este tiempo el sistema físicamente se estabilizaría). Muchos segundos multiplicados por miles de fotografías significan muchas horas de tiempo perdido. Además, existen muchos problemas relacionados con el enfoque y con la profundidad de campo. Para conseguir el mejor rendimiento posible de las lentes, era necesario mantener el diafragma cerrado, entre f9 a f16, reduciendo la luz entrante, lo que provocaba mucho aumento de los tiempos de exposición. Esto también se traducía en un flujo de trabajo poco viable.

La utilización de un flash de alta velocidad y filtros de UV fue la solución para disparar rápidamente, congelar cada fotografía y obtener la mayor nitidez posible. El sistema de flash que elegimos fue un Elinchrom 1/1000th con un cabezal de flash de un segundo de duración, junto a una unidad de zoom consistente en 2 lentes grandes que pueden enfocar el rayo de flash para adaptarse al muy pequeño ángulo de visión de la lente de 600mm.

Esquema del gatillo asistente láser del Autofocus añadido entre el cabezal panorámico CLAUSS y el cable del disparador de la cámara.

Funcionamiento del gatillo asistente láser del Autofocus instalado sobre el cabezal panorámico.

La modificación en que Factum Arte más insistíó, fue en separar la unidad del flash, que trabaja en tándem con el equipo fotográfico. El montaje habitual que, de hecho ha sido utilizado hasta ahora por todo usuario de equipos panorámicos con luz continua (no ambiente), ha consistido normalmente en montar la unidad de flash junto con el cabezal panorámico. De este modo, al operar cámara y flash en el mismo eje que la lente, se evitan las sombras en la imagen capturada, (que puede ser un aspecto positivo aunque no siempre deseable), pero el inconveniente es que se produce un punto de calor tremendamente destructivo, cuando el eje de la lente está en perpendicular a la superficie del cuadro y el flash rebota en la superficie del mismo, reflejandose directamente en la lente. Normalmente esto ocurre en el centro exacto del cuadro (dependiendo de la altura del cuadro y de la posición del cabezal panorámico). Esto resulta desastroso cuando se trabaja bajo presión, ya que el resultado es una serie de disparos con niveles de exposición diversos: en el más claro la imagen estárá sobreexpuesta y mostrará puntos de luz muy intensos. El post procesamiento requerido para reparar estas fluctuaciones es laborioso y nunca se podrá recrear el color o la información perdida en el proceso de registro.

Separando el equipo de registro del de iluminación pudimos conseguir extraordinarios resultados; sin embargo, fue necesario instalar un segundo cabezal panorámico. También se necesitaron programas de software para construir un enlace entre los dos cabezales panorámicos. El sistema de iluminación seguía trabajando esclavo del sistema de registro, de manera que el cabezal del sistema de iluminación podía situarse dónde fuera necesario para evitar reflejos, pero manteniendo su sincronización con el disparo fotográfico. Asimismo permitía moverse en mitad de una sesión de registro, deteniendo la sesión y pudiendo reanudarla, sin perder nuestro punto de referencia (pues la posición del equipo de registro nunca cambiaba). Situando el flash, por ejemplo, muy cerca del equipo de la cámara, se puedenn evitar sombras o bien, situándolo en un ángulo oblicuo a la superficie, se consigue acentuar las sombras (luz rasante/raking light).

Ángulos de visión calculados teóricamente, distancias y profundidad de campos en preparación para la sesión de fotos

Animated schematic shooting setup in preparation of shooting session in the Sala Bologna, Vatican (video).

Calibrado

Para que el sistema funcione, es fundamental que los dos cabezales estén calibrados. Se sitúan los 2 cabezales en posición y luego se calibran utilizando un medidor láser. Una vez perfectamente calibrados, el equipo de iluminación sigue al equipo de registro sobre una superficie plana. Si la superficie no está totalmente plana, es posible recalibrar a mitad de la sesión. Una vez acordadas las especificaciones, el equipo de CLAUSS diseñó el programa software correspondiente, necesario para procesar los datos. Se efectuaron entonces extensas pruebas en Factum Arte para descubrir cualquier posible problema. Los problemas encontraron se perfeccionaron hasta que el sistema funcionó adecuadamente.

Enfoque

El enfoque presentó otro tipo de problema. El enfoque automático puede funcionar bien cuando hay rasgos claramente definidos en la superficie, pero cuando se está registrando una zona de color continuo el enfoque automático no es apropiado, ya que no hay rasgos distintivos que este pueda identificar como puntos de enfoque. Para subsanar este inconveniente, se pegó un puntero láser de baja potencia al cabezal registrador en línea con el eje de la lente, que estaba interconectado para disparar cuando se activara el enfoque automático, facilitando así un objetivo claro, que pudiera ser enfocado.

Grégoire Dupond y Gabriel Scarpa montando el equipo para la sesión fotográfica en la Sala Bolonia, el Vatican

Grégoire Dupond grabando un collage de Serna en el Museo Reina Sofía de Madrid

Sesión fotográfica en la Sala Bolonia, el Vaticano

Aplicaciones especiales

Combinación del apilamiento de enfoque (focus stacking) y del registro panorámico. Para fotografiar un objeto con demasiado relieve con suficiente profundidad de campo, se fotografió en 5 sesiones de 100 fotografías cada una, ajustando la distancia de enfoque manualmente entre cada una, para así cubrir toda la profundidad de campo necesaria para tener el objeto enfocado por todos sitios en la imagen final.

Los 5 planos de fotografías se pegaron utilizando PTGui Pro, multiplicando los puntos de control (222580 puntos de control, una media de 10 por par de imágenes solapadas) entre fotografías del mismo plano y fotografías en distinto plano, hasta que se alcanzó un resultado de precisión sub-pixel.

Entonces se obtuvieron los 5 planos por separado como imágenes de 16 bits 200 Mega Pixeles, y los 5 planos se fusionaron utilizando programas de tecnología de apilamiento de enfoque (focus-stacking). El resultado es una imagen de 200MegaPixel con nitidez de imagen ininterrumpida.

Conclusión

Se montó el sistema para registrar en alta resolución la Sala Bolonia en el Vaticano. Se escaneó durante tres días laborales a principios de abril de 2011. La sala completa se escaneó en alta resolución de entre 150 y 600dpi (at 1:1).

El sistema desde entonces se ha utilizado en el Museo del Prado, Museo Centro de Arte Reina Sofía, Madrid , así como en otros proyectos con artistas contemporáneos y con Google Culture.

Preguntas & Respuestas

¿Cuales son las diferencias operativas entre el escaneado paralelo y el escaneado panorámico?

El escaneado paralelo mueve en un plano el equipo de registro en un marco paralelo a la superficie del cuadro, cubriendo la totalidad de la superficie. El proceso de escaneado es lento y puede llevar días o semanas para superficies grandes.

El escaneado panorámico mueve el equipo de registro alrededor de un único punto, cubriendo la totalidad de la superficie con movimientos angulares horizontales y verticales. El (proceso de) escaneado es rápido (aproximadamente una hora para escanear 10 metros cuadrados a 600dpi).

¿Cuales son las diferencias visuales entre las imágenes obtenidas del escaneado paralelo y del escaneado panorámico?

El escaneado paralelo toma cada una de las fotografías a partir de su propio punto de visión. El verdadero paralelismo ocurre solamente en el centro de cada una de estas imágenes, todo lo que rodea al centro se ve desde un ángulo. Cuanto más cerca (macro) esté el equipo de registro a la superficie, más se acentúa, dando como resultado dificultad de pegado en caso de relieve (lo que se ve a la derecha de una fotografía puede ser muy diferente a lo que se ve a la izquierda de la siguiente fotografía). Es un poco como ver la cara norte y la cara sur de una montaña, que generalmente se ven muy diferentes. En el caso del escaneado de una superficie totalmente plana, el escaneado paralelo puede en teoría conseguir mejor resolución que el escaneado panorámico.

La fotografía panorámica registra una imagen desde un único punto de visión. En teoría la imagen resultante mostraría exactamente lo que un espectador vería del objeto original, cuando estuviera situado en el lugar del equipo de registro. La distorsión local arriba descrita para el escaneado paralelo desaparece debido a la distancia a la que se registra la superficie (6-9m). Cualquier relieve en la superficie esconde potencialmente algo de la imagen. Esta información no puede ser registrada.

¿Cuales son las diferencias de los procesados para producir la imagen entre el escaneado paralelo y el escaneado panorámico?

El escaneado paralelo hace que cada foto sea tomada desde su propio punto de visión, como se describe arriba, por lo que la referencia utilizada para pegarlas es la posición del equipo de registro en la superficie plana, y sabiendo la posición exactamente para cada fotografía. Si para escanear a 600 dpi, se necesita una precisión teórica de 40 micras (0.04 mm) en el registro de la posición de la cámara y el plano para conseguir precisión de sub píxel automatizada sin demasiado tiempo de ajuste manual.

La digitalización panorámica registra todas las imágenes desde un solo punto de visión. Este único punto de visión se convierte en una referencia absoluta para todas las imágenes y se asume que todas las imágenes han sido tomadas desde ese punto. Esto da como resultado que el programa de pegado pueda recalcular exactamente la posición de cada fotografía en el espacio (sin necesidad de una precisión exacta en el movimiento angular en el cabezal panorámico mismo), simplemente conociendo su relación con su inmediato vecino es suficiente. La posición de rasgos comunes entre las fotografías que se tocan – conocida como puntos de control - resultarán en un nivel de precisión píxel o subpixel. En teoría, los programas de 'cosido digital' (stitching) no reconocen el contorno de la superficie del registro, por lo que todos los cálculos se realizan asumiendo que la superficie de registro está inserta en una esfera exacta alrededor del único punto de visión. La imagen resultante se reproyecta entonces asumiendo una superficie plana (horizontales paralelos).

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