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Descomposición lineal de la luz

El rincón de los hilos tecnofrikis

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Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Mié Nov 16, 2016 11:52 pm

Una escena puede iluminarse con diferentes fuentes de luz de forma alternada, y la fusión de todas las capturas puede dar una imagen equivalente a haber hecho una sola foto con todas las fuentes de luz actuando al mismo tiempo. Un caso típico es el uso de flash en bodegones, cuando solo se tiene uno por ejemplo. Con la agregación de capturas podrían emularse esquemas de iluminación imposibles con el número de luces disponibles.

He querido hacer una prueba para comprobar la suma de fuentes de luz es tan exacta desde el punto de vista matemático, que una imagen procedente de la fusión de varias capturas con diferentes fuentes de luz puede resultar indistinguible de una captura única con todas las fuentes de luz activas al mismo tiempo.

He hecho 3 fotos de una misma escena iluminada por dos fuentes de luz: una con las dos luces IZQ+DER encendidas, y otras dos con una sola de cada una de las luces, IZQ o DER:

Imagen

Y ahora la pregunta del millón: cómo fusionaríais en Photoshop las dos capturas monoluz para obtener una imagen equivalente a la de la captura con ambas luces combinadas?. El que esté pensando en el modo Aclarar o cualquier otra cosa que no sea una fusión Normal con transparencia se equivoca. Y es que la única operación matemática que a partir de las capturas IZQ y DER nos dará la misma imagen que la captura con las luces IZQ+DER encendidas es la simple suma de fotones, por lo tanto basta poner las imágenes en 2 capas de Photoshop con una transparencia del 50% de la superior y ya tenemos la suma (en este caso dividida entre 2, lo cual queda compensado con haber hecho una exposición de un paso más para las capturas IZQ y DER que la combinada).

Hay un detalle más: para de verdad obtener lo que se tuvo con una sola captura en la cámara es preciso que esta suma de imágenes se haga de forma lineal, eso quiere decir que lo que suele hacerse que es revelar RAWs y ponerlos en Photoshop convertidos a un perfil con gamma no lineal, no proporciona lo que habríamos tenido en la cámara con una sola captura. La diferencia no es mucha, y ni siquiera diría que el resultado de la fusión lineal sea mejor, pero matemáticamente solo la fusión lineal (la he logrado simplemente sumando las imágenes con perfiles lineales) proporciona una imagen indistinguible de la captura única con varias fuentes de luz:

Imagen

Imagen

La cosa cambia ligeramente si la fusión no se hace con las imágenes en estado lineal (suma de fotones):

Imagen

En el GIF animado se ven mejor las diferencias en caso de no hacer una fusión lineal, sino con la gamma 2,2 de sRGB en este caso, y cómo la fusión lineal da una imagen indistinguible de la captura hecha con las dos luces encendidas:

Imagen

En sumalineal.tif puede verse la suma lineal en capas de Photoshop.

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor soyeltroll » Jue Nov 17, 2016 3:31 pm

Muy interesante, dicho así parece tan fácil que cuesta entender porque olympus es la única con estos trucos

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Vie Nov 18, 2016 9:57 pm

Test gestión de color con formato PNG:
  • Si el navegador usado no hace gestión de color las dos imágenes Gamma=1 se verán más oscuras.
  • Si la tarjeta gráfica/monitor usados no soportan más de 8 bits las dos imágenes Gamma=1 se verán posterizadas. No tengo claro si los PNG de 16 bits se aprovechan más allá de 8, si alguien no ve posterizada la imagen Gamma=1 / 16 bits que diga por favor qué tarjeta gráfica/monitor tiene.
  • La imagen Gamma=1 / 8 bits tiene ruido dither introducido por Photoshop al convertir la imagen lineal de 16 a 8 bits

Adobe RGB / Gamma=2,2 / 16 bits:
Imagen

Adobe RGB / Gamma=2,2 / 8 bits:
Imagen

Adobe RGB / Gamma=1 / 16 bits:
Imagen

Adobe RGB / Gamma=1 / 8 bits:
Imagen

Mis dos imágenes Gamma=1 las veo posterizadas en el PC (portátil con Windows 10):
  • Edge, Chrome e Internet Explorer hacen gestión de color (no veo oscuras las imágenes Gamma=1)
  • En el móvil (Samsung S4 mini) no hacen gestión de color ni el navegador de Samsung, ni Chrome, ni Tapatalk (se ven oscuras las dos imágenes Gamma=1, los colores de todas se verán erróneamente porque están en Adobe RGB)

Imagen

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Botikario » Vie Nov 18, 2016 10:02 pm

Eres como un "mago" explicando trucos... :)
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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Vie Nov 18, 2016 10:08 pm

Pero di como las ves tú cacho perro! si tienes varios ordenadores/displays mejor.

Por cierto ya que te gusta hacer cosas raras como IR y tal, cómo quedaría un paisaje con dos soles? la luz del atardecer y la del amanecer a la vez, un atarnecer :D O con varios soles a diferentes horas, y múltiples sombras como en un campo de fútbol. Posiblemente sea de las pocas rarezas que aún no se le ha ocurrido a nadie hacer en fotografía.

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Botikario » Vie Nov 18, 2016 10:26 pm

En el móvil con dolphin en iPhone 6s Plus las veo las 4 "iguales"....

En el Pc con un Dell U2415 y una gráfica ATI 54xx y firefox, veo las 2 últimas (Gamma1) muy oscuras.
En el mismo PC con Chrome y con explorer las 4 "iguales"

Lo dicho...un mago :mrgreen:
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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Vie Nov 18, 2016 10:37 pm

Botikario escribió:En el móvil con dolphin en iPhone 6s Plus las veo las 4 "iguales"....

En el Pc con un Dell U2415 y una gráfica ATI 54xx y firefox, veo las 2 últimas (Gamma1) muy oscuras.

Mal por Firefox, bien por ese móvil.

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Mar Nov 22, 2016 11:49 am

Le sigo dando vueltas a aplicaciones de esta técnica y se me ocurren cosas interesantes:
  • Escenas con iluminación de muy diferente color: el balance de blancos se hace trivial con la separación.
  • Escenas con iluminación de muy diferente intensidad: en típicas escenas HDR el mapeo de tonos será coser y cantar exponiendo más las luces más débiles (se puede regular el sol por ejemplo).
  • Esquemas de iluminación complejos con una sola fuente (flash)
  • Simulación de escenas virtuales: atarneceres con varios soles, sol y luna simultáneos,...

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor kape06111 » Mar Nov 22, 2016 12:21 pm

Se podría hacer la fusión directamente en LR utilizando la función Merge en lugar de las capas en PS al 50% cada una? LA verdad no se que proceso utiliza LR para hacer la fusión con Merge.
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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Mar Nov 22, 2016 10:06 pm

kape06111 escribió:Se podría hacer la fusión directamente en LR utilizando la función Merge en lugar de las capas en PS al 50% cada una? LA verdad no se que proceso utiliza LR para hacer la fusión con Merge.

Seguramente el mismo que Photoshop, un promedio. Sería como la fusión en sRGB que puse en el ejemplo.

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor jbenayas » Mar Nov 22, 2016 10:41 pm

Siempre se aprenden cosas nuevas... me apunto el truco. 8-)
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Mundo virtual con dos soles

Notapor Guillermo Luijk » Lun Dic 26, 2016 8:02 pm

La piscina de mi madre si la Tierra tuviera dos soles :D

Imagen

Nada espectacular pero curioso al menos. Por cierto he descubierto una opción de Photoshop para hacer la fusión de forma lineal aunque las imágenes se encuentren en perfiles con gamma:

Imagen

Basta activar esa opción en 'Edición' -> 'Ajustes de color...' -> 'Controles avanzados', Fusionar colores RGB usando gamma = 1.

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Eliminación de luz ambiente

Notapor Guillermo Luijk » Vie Mar 03, 2017 12:25 am

Siguiendo con ideas sobre este tema de la suma lineal, imaginemos una escena con una luz ambiente que no nos interesa capturar pero inevitablemente está allí:

Imagen


La luz ambiente estropea nuestra iluminación artificial añadida, el FOCO:

Imagen


Si a la segunda imagen le restamos linealmente la primera deberíamos obtener:

(Ambiente + FOCO) - Ambiente = FOCO!!!


Es decir, con la resta "apagamos" la luz ambiente:

Imagen


Podemos comprobar que la imagen obtenida es la misma que la que habríamos tenido sin existir la luz ambiente porque esto es una prueba de laboratorio y aquí la luz ambiente son las luces del techo. Si las apago (apagado real quiero decir) y dejo solo el FOCO, puede verse que es prácticamente igual a la imagen obtenida restando:

Imagen

Si nos fijamos la imagen resta tiene algo más de ruido en las zonas de sombra del FOCO. Esto es debido a que precisamente en esas zonas al no llegar la luz del FOCO, la resta de las dos luces Ambiente anula casi toda la señal dejando el ruido de dos capturas, que encima se suma porque es incorrelado en una respecto a la otra. Esto no es como restar un darkframe, efectivo para eliminar el ruido con patrón espacial y los hot pixels; aquí estamos sumando dos fuentes de ruido y tanto electrónico como fotónico, que es el que causa casi todo el estropicio pues supera holgadamente al electrónico. En esa situación la relación S/N cae incluso sin levantar sombras.

Con este truco puede incluso llegarse a apagar el sol en escenas estáticas, es decir, algo como hacer fotografía nocturna de día (con flash lo veo más viable por tema de potencia relativa de las luces). No sé si tiene mucha utilidad pero me parece interesante el concepto y sobre todo ver que una vez más se cumple a rajatabla la linealidad del sensor.

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor jbenayas » Dom Mar 05, 2017 4:47 pm

Muy interesante como siempre, Guillermo.

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor R11F0 » Sab Mar 06, 2021 10:45 am

Hola Guillermo... me parece tremendo este post, mil gracias por compartir y por la explicación.
He intentado repetir tu interesante ejercicio y tengo un par de dudas.
La primera es sobre tu comentario: "basta poner las imágenes en 2 capas de Photoshop con una transparencia del 50% de la superior y ya tenemos la suma (en este caso dividida entre 2, lo cual queda compensado con haber hecho una exposición de un paso más para las capturas IZQ y DER que la combinada)."

¿A qué te refieres con eso de dividida entre 2? Te refieres a que se obtendría una imagen resultante en photoshop con un paso menos de luz que la que habríamos obtenido en cámara? Si es así... no podría usarse una curva de niveles o un modo de fusión adicional para que conseguir exactamente el mismo resultado que en estudio?

Mi segunda duda es qué opacidades habría que usar si en lugar de dos imágenes, fueran tres ¿100%-50%-25%?

Mil gracias de nuevo por esta aportación tan interesante.
R11F0
 
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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Sab Mar 06, 2021 12:27 pm

R11F0 escribió:¿A qué te refieres con eso de dividida entre 2? Te refieres a que se obtendría una imagen resultante en photoshop con un paso menos de luz que la que habríamos obtenido en cámara? Si es así... no podría usarse una curva de niveles o un modo de fusión adicional para que conseguir exactamente el mismo resultado que en estudio?


Claro, cuando pones dos imágenes en capas al 50% se reduce la luminosidad de cada una a la mitad y se suman. O lo que es lo mismo, se promedian: (A+B)/2.

Con una curva de este tipo restauraría la exposición perdida:
Imagen

Ojo, la curva adecuada para subir +1EV sería ésa si el perfil es lineal (date cuenta que es una recta de pendiente 2, es decir multiplica todo los niveles por 2). En espacios no lineales (es decir donde hay una gamma>1, como la gamma=2,2 de Adobe RGB por ejemplo), la curva tendría otra pendiente.

R11F0 escribió:Mi segunda duda es qué opacidades habría que usar si en lugar de dos imágenes, fueran tres ¿100%-50%-25%?

Aquí se explica:

viewtopic.php?f=68&t=22504

Ojo si promedias más imágenes la curva para restaurar la exposición cambiará, porque cambia el denominador:
  • 2 imágenes: (A+B)/2 -> +1EV en perfil lineal será una curva que pasa por: (255/2, 255) -> (128, 255)
  • 3 imágenes: (A+B+C)/3 -> +1EV en perfil lineal será una curva que pasa por: (255/3, 255) -> (85, 255)
  • 4 imágenes: (A+B+C+D)/4 -> +1EV en perfil lineal será una curva que pasa por: (255/4, 255) -> (64, 255)
  • ...

Pero vamos que la curva exacta que restaure la exposición es lo de menos, lo importante es ver que la fusión de varias tomas parciales es puede ser lumínicamente equivalente a la toma única.

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor R11F0 » Sab Mar 06, 2021 2:38 pm

Sin palabras Guillermo. Me parece super interesante. Sin duda da para profundizar en esto.

Una observación... en PS puede crearse un objeto inteligente a partir de un conjunto de capas.
Luego se puede modificar la forma en la que esas capas se apilan dentro de ese objeto inteligente:
Menú "Capa/Objetos inteligentes/Modo de apilamiento". Hay varias opciones. Una de ellas es "Mediana" y yo diría que hace justo los cálculos que comentas (al menos he hecho un par de pruebas y de ambas formas sale idéntica imagen final).

Gracias de nuevo y un saludo.
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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Sab Mar 06, 2021 3:18 pm

R11F0 escribió:Hay varias opciones. Una de ellas es "Mediana" y yo diría que hace justo los cálculos que comentas (al menos he hecho un par de pruebas y de ambas formas sale idéntica imagen final).

La mediana, por criterio, equivale a la media si estás fusionando dos imágenes, seguramente por eso te ha salido bien la prueba. Pero en cuanto sean más de dos imágenes te aseguro que no va a hacer lo que buscas. Ya sé que a la gente no le suele gustar la teoría y prefiere ponerse a probar cosas a ver si suena la flauta, pero créeme, sabiendo la teoría te ahorras mucho prueba & error, puedes predecir cosas sin siquiera probarlas, y puedes encontrar explicación a casi todo:

https://en.wikipedia.org/wiki/Median

Imagen

La mediana sirve para cosas como eliminar ruido, descartando los píxeles que se van de madre porque escoge un solo píxel (o la media de dos píxeles si el número de imágenes es par) de comportamiento "normal". En esta aplicación no queremos descartar píxeles sino promediarlos. La mediana de 3 imágenes vendría a ser algo como escoger en cada zona de la escena los píxeles de la imagen de luminosidad intermedia, ignorando la información de las otras dos (la más oscura y la más clara en esa zona). Tú no buscas eso.

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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor pollfoll » Dom Mar 07, 2021 10:14 pm

No entiendo na de na.

Pero igualmente muchas gracias
FF: Sony A7III
Sony: 24-105; 50 1,8; 200-600; x1,4
Tamron: Adaptall 90 macro 2.5
Pentax: K 135 2.5

M4/3: M10II
9-18; 12-60 3,5; 20 1,7; 45-150.

Brujo Indio Horizonte Torcido. Astronauta mental
https://www.flickr.com/photos/127423655@N07/
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Re: Descomposición lineal de la luz

Notapor Guillermo Luijk » Dom Mar 14, 2021 10:52 pm

Añado otra derivada al ejercicio: obtener por resta lineal la contribución de un reflector blanco colocado en el lado opuesto a la fuente de luz:

Imagen

A: foto sin colocar el reflector
Imagen

B: foto con el reflector
Imagen

B - A: contribución positiva del reflector obtenida por resta lineal
Imagen

Unos recortes al 100%:
Imagen

En las zonas muy iluminadas en ambas tomas como el cuello, paradójicamente en la imagen resta aparece el ruido fotónico en lugar de negro. Con un tratamiento adecuado del mismo podría detectarse y eliminarse (esto haría que las zonas de colorines saldrían a negro).

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