Le fotocamere hanno potenzialità inaspettate e, se integrate con adeguato software, diventano strumenti capaci di competere con sistemi di gran lunga più costosi. Con modifica Full Range di Profilocolore, possono “vedere” dagli ultravioletti agli infrarossi per estendere il potenziale in diversi campi d’applicazione: dall'Arte alla Medicina, dall'Investigazione al monitoraggio dell'Ambiente.
Full Range: da sensore a sistema
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Falsa foto negli UV. Forse dagli UV è stata presa la parte di luminosità (L) ed applicata all'immagine nel visibile.
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Falsa foto negli UV. La foto è fatta nel visibile con una normalissima fotocamera, la scena è illuminata da una luce ultravioletta che eccita la fluorescenza.
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Figura 15: False foto agli ultravioletti da Lifepixel
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Lo scatto singolo, ovvero uno scatto in una specifica banda, viene utilizzo in vari campi, sia ludici che professionali. Ad esempio uno scatto negli infrarossi può essere combinato con o sostituito ad una banda nel visibile e dare luogo a fotografie artistiche. Ci sono siti specializzati, dove è possibile guardare fotografie fatte con queste tecniche, ma ci sono anche moltissime immagini non corrette. Ad esempio nel sito Lifepixel è possibile trovare varie combinazioni di immagini agli infrarossi e negli ultravioletti, ma attenzione! Molti sono trucchi, come spiegato nelle successive immagini, e non hanno nulla a che vedere con la vera fotografia agli UV ed IR.
Nel visibile, nonostante facciamo un solo scatto, grazie alla matrice di Bayer, catturiamo la luce in tre bande separate, blu, verde e rosso, e questo ci permette di ottenere una fotografia i cui colori, attraverso alcuni accorgimenti di calibrazione (vedi eXperience “Sulla via del colore”) ci appaiono molto simili se non uguali a quelli originali.
Nella banda del visibile possiamo parlare di colori ma possiamo anche riferirci alla riflettanza spettrale di una superficie, cioè a quella curva che ci dice per ogni lunghezza d'onda la quantità di luce riflessa dalla superficie. Dalla riflettanza spettrale, aggiungendo un illuminante, è possibile ricavare le tre coordinate colorimetriche XYZ ad essa associate, che sono legate alla fisiologia dell'occhio, cioè sono rappresentative del tipo di stimolo che l'occhio riceve quando esposto a quella superficie illuminata con quello stesso illuminante.
Pur non potendo parlare di colori, è possibile con una fotocamera Full Range pensare di registrare la riflettanza spettrale a larga banda di una superficie? La risposta non è scontata, ma dopo anni di messa a punto di tecniche ottiche e software oggi possiamo dare una risposta decisamente positiva, riuscendo a fornire di una scena la riflettanza spettrale, non continua ma campionata in 7 bande centrate a 350, 450, 550, 650, 750, 850 e 950 nanometri.
Per arrivare a questo è stato necessario estendere i concetti alla base della colorimetria standard (anche questa fornisce un campionamento in tre bande degli spettri continui nella banda visibile!), aggiungendo alcune considerazioni.
Gli spettri nella luce visibile vengono campionati dalla colorimetria attraverso le Color Matching Functions. Queste a loro volta derivano dalla fisiologia dell'occhio. Se al posto dell'occhio abbiamo un sensore elettronico, al posto delle Color Matching Functions possiamo utilizzare altre funzioni più efficienti nel campionare gli spettri, con forma più regolare e geometrica. Estendendo il concetto ad una banda più larga, e continuando a pensare di dividerla in bande di larghezza analoga a quelle del visibile, l'intervallo 300-1.000 nanometri possiamo immaginarlo diviso in 7 sotto bande. Le funzioni di campionamento diventano allora 7, hanno tutte la stessa forma, ed altezza (sono equienergia), si presentano come nella Figura 16 e le abbiamo chiamate Hypercolor Matching Functions (HMF).
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CMF, CIE '31, osservatore 2°
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CMF ideali
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HMF
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Naturalmente, così come una fotocamera normale, standard, non sarà mai dotata di curve di sensibilità analoghe alle CMF della CIE, neanche la fotocamera Full Range, per quanto ottimizzati possano essere i filtri passa-banda utilizzati, presenterà mai curve di sensibilità analoghe alle HMF.
In colorimetria la trasformazione matematica del risultato delle curve di sensibilità spettrale (Figura 5) nei risultati che darebbero le CMF avviene attraverso quello che viene chiamato profilo di colore della fotocamera, standardizzato dall'International Color Consortium che tra l'altro stabilisce come devono essere strutturati i dati che rappresentano il profilo di colore, sia che siano embedded sia che siano in un file esterno (.ICC).
Nella ipercolorimetria sviluppata da Profilocolore avviene qualcosa di analogo, ma decisamente più sofisticato, data la complessità del problema. Innanzitutto è necessario raccogliere informazioni (immagini) da 7 bande. Questo avviene eseguendo uno scatto negli ultravioletti (con opportuno filtro passa-banda), uno scatto nel visibile (con filtro che ripristina il funzionamento normale della fotocamera) che quindi fornisce le tre bande R, G e B, e tre scatti negli infrarossi che segmenteranno la banda 700-1.000 nanometri in tre parti. Vediamo concretamente un esempio.
Per prima cosa è necessario acquisire una immagine per ogni banda definita, in particolare per gli ultravioletti nella banda dai 300 ai 400 nanometri, per il visibile nella banda dai 400 ai 700 nanometri, per gli infrarossi la banda IR1 (700-800 nanometri), la banda IR2 (800-900 nanometri) e la banda IR3 (900-1.000 nanometri).
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UV
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Visibile (RGB)
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IR1 (700-800nm)
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IR2 (800-900nm)
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IR3 (900-1000nm)
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La stessa serie di immagini va acquisita inserendo un target di riferimento le cui riflettanze, per ogni singolo quadrato di colore o bianco, siano state precedentemente misurate accuratamente con uno spettroradiometro. Queste misure sono della massima importanza perché rappresentano il punto di collegamento tra la precisione di riflettanza misurata tramite fotocamera Full Range e riflettanza reale (nei laboratori di Profilocolore viene impiegato uno strumento della System Instrument con calibrazione tracciabile e riconducibile agli istituti metrologici internazionali).
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UV
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Visibile (RGB)
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IR1 (700-800nm)
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IR2 (800-900nm)
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IR3 (900-1000nm)
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I dati estratti dalle immagini dei target, insieme agli analoghi dati misurati in laboratorio, diventano l'input di un sistema di ottimizzazione che sintetizza, per quanto complesse le relazioni matematiche che trasformano i valori degli scatti originali in una misura di riflettanza spettrale. Il metodo ha raggiunto una tale precisione che riusciamo ad avere la riflettanza spettrale puntuale con una accuratezza che si discosta non più del 2% rispetto alla misura fatta con uno spettroradiometro calibrato.
Gli scatti originali, per quanto eseguiti con estrema accuratezza, non potranno mai coincidere pixel per pixel, anche perché al variare della lunghezza d'onda, come abbiamo visto, cambiano gli indici di rifrazione nei vari vetri dell'obiettivo e quindi cambia la messa a fuoco. Con questa cambia, anche se di pochissimo ed in relazione allo schema ottico in uso, il rapporto di ingrandimento e di conseguenza per una perfetta messa a registro tra le immagini alle varie bande sarà necessaria una operazione di scala, rotazione e traslazione attraverso una trasformazione affine. Il risultato finale della calibrazione attraverso il target di riferimento e della messa a registro delle immagini è un set di 7 immagini monocromatiche corrispondenti alla riflettanza del soggetto alle lunghezze d'onda di 350, 450, 550, 650, 750. 850 e 950 nanometri.
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UV
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Blu
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Verde
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Rosso
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IR1
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IR2
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IR3
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Visibile (colorimetrico)
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Oltre alle immagini nelle singole bande con valori calibrati e corrispondenti alle riflettanze, dagli scatti iniziali e dai dati del target di riferimento si ricava anche una immagine nel visibile (ultima di Figura 19) colorimetricamente corretta, espressa nello spazio AdobeRGB in TIFF a 16 bit e piena risoluzione. Questa immagine è quindi ideale per qualsiasi tipo di stampa di alta qualità.
Profilocolore ha sviluppato un software dedicato allo studio ed alla analisi delle immagini acquisite in questo modo, cioè dedicato a queste immagini di riflettanza spettrale puntuale. Utilizzando questo software è possibile leggere sull'immagine le riflettanze spettrali di qualsiasi coppia di punti, farne il grafico e metterle a confronto.
Riflettanze spettrali medie relative a due piccole aree di 11x11 pixel
Figura 20: Analisi della riflettanza di due punti sul dipinto
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Nella Figura 20 vediamo le riflettanze spettrali medie relative a due piccole aree di 11x11 pixel (quadratini neri circondati da quadrato blu e quadrato magenta sulla immagine a colori). Le riflettanze spettrali corrispondenti (colore con colore) sono in alto a destra, e vale la pena confrontare le barre percentuali di riflettanza con le 7 immagini della Figura 19. Il punto sul mantello blu presenta una maggiore chiarezza nel blu (450nm) rispetto agli UV (350), al verde (450) ed al rosso (550), come visibile anche sulle immagini delle singole bande. Ed ancora il primo infrarosso IR1 è più basso degli IR2 ed IR3.
Nel secondo punto (riquadro magenta) la componente agli UV è molto più bassa delle altre, ed infatti il piede e tutto l'incarnato risulta nero nella immagine UV.
La disponibilità di una tale massa di informazioni puntuali, con la loro accuratezza, consente operazioni estensive come ad esempio cercare nella scena tutti quei punti che abbiano somiglianza spettrale con uno dato, impossibili con qualsiasi altro mezzo di analisi. La rifleattanza spettrale, se pur campionata, in modalità imaging, disponibile cioè per ogni punto della scena, rappresenta una rivoluzione in molti campi di ricerca applicata ed analisi.
Non si intende dire che non esistano sistemi simili: sono presenti sul mercato camere così dette iperspettrali che forniscono per ogni punto l'intera riflettanza spettrale continua, ed esistono altri tipi di camere a riflettanza spettrale campionata. La particolarità della soluzione Full Range di Profilocolore risiede in un paio di dettagli che la rendono unica.
Innanzi tutto è basata su fotocamere commerciali di un gigante della fotografia digitale: questo vuol dire che la qualità raggiunta, l'affidabilità, l'ergonomia, la stabilità e la precisione dell'intero complesso fotocamera e sensore si avvantaggiano di un bacino di utenza enorme, pressoché infinito se paragonato al numero di utenti si sistemi di ripresa specializzati ed utilizzati sono in nicchie applicative. Il grande volume di fotocamere per fotografia ha alimentato economicamente uno straordinario sforzo di ricerca e sviluppo neanche lontanamente paragonabile a quello che sta dietro lo sviluppo di strumenti più specializzati. Il fatto che la modifica, pur se progettata presso Profilocolore, che realizza con mezzi industriali professionali le parti ottiche da utilizzare, venga fisicamente effettuata scrupolosamente e rigorosamente da personale specializzato della assistenza ufficiale Nikon, nella LTR, consente all'utente finale di acquistare una fotocamera Full Range che conserva integra la garanzia, esattamente come gli equivalenti modelli non modificati.
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Somiglianza spettrale tra un punto (cerchietto bianco su immagine a sinistra)
ed il resto del dipinto
Figura 21: Analisi della somiglianza spettrale tra pixel
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Con l'avvento dei sensori digitali e della matrice di Bayer è iniziata una vera e propria rivoluzione di cui pochi si sono resi conto: il sensore in se non è più sufficiente per fornire una immagine, ma questa viene fuori dal complesso sensore-software. Infatti se dovessimo guardare l'immagine così come esce in modo nativo dal sensore (formato RAW/NEF) ci apparirebbe una immagine quasi nera, monocromatica, con pixel adiacenti di valore anche molto diverso e sicuramente non comprensibile ad occhio nudo.
Abbiamo appena visto cosa si può ottenere da una fotocamera Full Range da sola (Figura 17), con l'aiuto di qualche filtro ottico, e cosa si può ottenere invece da un vero e proprio sistema integrato hardware e software (Figure 19, 20 e 21). La differenza è enorme e la quantità di informazioni ricavabili dal sistema integrato non ha fine.
Nel nostro software, ad esempio, abbiamo integrato un database di riflettanze spettrali di molti pigmenti (cortesemente forniti dall'Opificio delle Pietre Dure di Firenze) ed una delle operazioni possibili è quella di interrogare il database a partire dalla firma spettrale di un punto del dipinto fotografato. Se non ci sono particolari sovrapposizioni di pigmenti (velature) e la zona analizzata può considerarsi uniforme, allora sarà facile ritrovare nel database la firma spettrale del pigmento ed il suo nome.
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Elenco (parziale) delle firme spettrali nel database
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Esempio elemento nel database: nome, riflettanza spettrale continua (linea), riflettanza campionata da fotocamera Full Range (barre verticali) e quadrato colorimetrico sRGB
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Figura 22: Contenuto del database di riflettanze spettrali integrato nel software di analisi
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Una ulteriore funzione disponibile solo grazie alla riflettanza imaging è quella della analisi alle componenti principali (PCA: principal components analysis). Per una spiegazione dettagliata si rimanda ad una ricerca sul web, perché questa analisi implica l'uso di una matematica superiore e la sua spiegazione nel dettaglio esula da questo eXperience, ma possiamo ugualmente comprenderne la potenza da un esempio.
Si tratta della “Strage degli Innocenti” di Guido Reni, visitabile presso la Pinacoteca Nazionale di Bologna.
Nel completare il dipinto l'Autore ha avuto ad un certo punto un ripensamento (o “pentimento”, come lo chiamano gli addetti ai lavori) ed ha deciso di ridipingere la scena di una donna con un bambino in braccio spostandola più in alto, e quindi dipingendo la nuova scena sopra quella vecchia, che ovviamente non è più visibile ad occhio nudo.
Però, grazie ad una combinazione di pigmenti ed all'uso delle lunghezze d'onda degli infrarossi, con un po' di attenzione si riesce ancora a percepire il vecchio disegno sottostante.
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Visibile
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IR
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PCA (ingrandimento)
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Da questi primi esempi dovrebbe essere ormai chiara la potenza analitica della integrazione hardware/software, rispetto all'utilizzo della sola fotocamera Full Range in una delle bande possibili.
Il sistema completo consiste nella fotocamera D800FR, un set di filtri appositamente messo a punto, un target di calibrazione anch'esso st
