Fotografía de Schlieren con Fondos (SCF)
SCHLIEREN CON FONDOS
Un nuevo sistema muy sencillo para fotografiar turbulencias invisibles.
La fotografía de los cambios de densidad del aire ha sido siempre un desafío por su invisibilidad. En 1864 el físico alemán August Toepler fue el primero en describir un sistema para lograrlo que dió lugar a una nueva rama de la fotografía científica de lo invisible llamada fotografía de schlieren. Como dato curioso comentaros que schlieren no es un apellido, sino que en alemán, «schlieren» significa «rayas» o «manchas», y hace referencia a las irregularidades ópticas que se observan en materiales transparentes cuando hay cambios en la densidad.
Un esquema básico para fotografía de schlieren con espejo, en donde la distancia recorrida por el rayo de luz R es dos veces la distancia focal del espejo esférico
El sistema schlieren clásico consta de un gran espejo parabólico, cerca del cual se coloca por ejemplo una vela, que recoge un haz de luz colimado procedente de una fuente puntual. Esta luz, tras reflejarse en el espejo, se concentra en un punto nodal. Si en el centro de este punto exacto colocamos una cuchilla, la imagen queda reducida a la mitad de intensidad y cualquier desvío del rayo producido por turbulencias y cambios de densidad del aire produce un desplazamiento del mismo que, a su vez, se traduce en un aumento o disminución de luminosidad, lo que hace visibles las turbulencias.
Construir un sistema de schlieren es caro, fundamentalmente por el coste del espejo esférico, que puede llegar a los 1.000€ para uno de tan solo 25cm de diámetro (que delimita el campo de trabajo a ese tamaño), llegando hasta casi los 10.000€ para uno de 50cm. También es muy complejo de calibrar ya que la luz y la posición de la cuchilla han de ser muy precisas. Estos y otros muchos factores hacen que este campo de la fotografía de lo invisible (fotografía de turbulencias) quede fuera del alcance de casi todos los amigos de la fotografía científica.
En este vídeo puede verse el resultado de un sistema schileren de espejo construido por mi amigo, el científico Fernando Fonseca para el Posgrado Internacional de Imagen Científica que dirigí en la Universidad de Alcalá desde 2014 hasta mi jubilación. La base es el espejo dañado de un viejo telescopio. Se aprecian muy bien las turbulencias del aliento del autor. La calidad de estos sistemas es notablemente mejor al resto, aunque en este caso usamos un espejo muy ajado.
Esquema de un sistema de Schlieren basado en lentes de Fresnel
Existe un sistema alternativo que emplea una o dos lentes de Fresnel pero su calibración es igualmente muy compleja y el campo de trabajo también es muy pequeño, ya que es casi imposible de encontrar una lente de Fresnel con calidad óptica de más de 30cm.
Los espectaculares resultados de la nasa con su Schlieren con fondos
El centro de investigación de Langley de la NASA utilizó hace unos 20 años un sistema basado en la distorsión de fondos texturados para fotografiar las turbulencias de un caza F-18, que se hacía pasar ante el Sol mientras se filmaba mediante un potentísimo teleobjetivo dotado de un filtro H-alfa, que creaba un fondo que presentaba al Astro Rey como asfalto agrietado. En otros intentos se filmaron estos cazas sobre el fondo rugoso del desierto de Mojave formado por suelo y plantas (posiblemente Larrea tridentata) pero, en ambos casos, aunque las imágenes eran espectaculares, los algoritmos matemáticos empleados nunca se publicaron al caer dentro del dominio de la investigación militar.
Fondo rugoso del desierto de Mojave (CAL) formado por las típicas plantas del mismo (Larrea sp.) y suelo
Dada la espectacularidad de los resultados, hay intentos posteriores de algunos ingenieros para emular estos sistemas, aunque con resultados muy distantes e inferiores, pero emplean complejas fórmulas y programas como MatLab, Image-J, junto con módulos externos de programación propios en Python, que hacen complejísimo su uso para cualquiera que no tenga una buena formación matemática.
¿CÓMO HACERLO?
Uno de los clásicos chiringuitos de espetos malagueños
Hace unos meses observando la distorsión de la ciudad de Málaga a través de las turbulencias creadas por la lumbre de unos espetos que esperaba merendarme, se me ocurrió una idea bastante sencilla que, tras dar vueltas en el coco varias duermevelas, he estado probando días pasados. Se trata de algo tan sencillo como tomar foto A con un fondo texturado con una vela apagada, tomar otra foto B exactamente igual, pero con la vela encendida, y restar A de B para resaltar las zonas que han cambiado, que forzosamente han de ser las de turbulencias.
Los dos tipos de tramas usadas: a la izquierda la estocástica de ruido y a la derecha la simétrica de puntitos
En la práctica he experimentado con dos tipos de fondos texturados: uno imprimiendo una trama de 50x50cm con puntos negros simétricos negros sobre fondo blanco con una densidad de 6 puntos por cm. y otro del mismo tamaño, pero con una trama de ruido estocástica y algo más densa.
La trama simétrica da mejores resultados, pero puede que quede mejor si se usa una más densa que la que he usado, posiblemente en torno a los 15 o 20 puntos por cm. Las dimensiones ideales de la trama serían de una proporción 2:1, 100x50cm, por ejemplo, de forma que, como veremos luego, para fotografíar velas con calor ascendente la coloquemos en la pared en vertical y, para registrar las turbulencias del aire caliente de un secador de pelo, en horizontal.
La trama de ruido la podéis fabricar vosotros en Photoshop creando un documento en blanco de la mitad del tamaño que vayáis a usar de fondo y empleando el comando Filtros/Ruido/Añadir Ruido y marcando la opción Uniforme. La cantidad de ruido ponedla a vuestro gusto. Luego escaláis la imagen al tamaño final (para añadir un leve desenfoque) y graduáis la densidad y foco de la trama usando el deslizador que aparece en el comando Imagen/Ajustes/Umbral.
La trama impresa la colocamos en la pared con cinta adhesiva y ante ella, de la forma más centrada posible, colocamos la cámara sobre un trípode, enfocamos perfectamente sobre la trama de la pared en el centro y esquinas, desconectamos el autofoco AF y el estabilizador y ajustamos los parámetros para que salga bien expuesta y con iluminación homogénea.
Dado que hay que alinear luego todas las fotos a la perfección, hay que evitar tocar el sistema so pena de que se mueva 1mm y salga todo mal. Por ello es esencial el empleo de un buen disparador y si es inalámbrico, mejor.
Como objeto a fotografiar he usado primero la clásica velita de té y luego un secador de pelo sujetos ambos a un pie fotográfico.
La distancia de separación del objeto respecto a la trama de fondo es esencial en el efecto final. Cuanto más distante esté de la trama, mayor será el efecto, porque mayor es la difracción y el movimiento que tienen los puntos del fondo, pero más desenfocadas saldrán la llama o la boquilla del secador. Dado que, como sabréis, la profundidad de campo no se reparte por igual por delante y por detrás del punto de enfoque, sino que es 1/3 por delante y 2/3 por detrás, podemos cerrar el diafragma a f16 o f22 y adelantar un poco el punto de enfoque, pero cuidando siempre de que el fondo esté perfectamente enfocado.
Un sencillo montaje casero para Schlieren de fondos
En mi caso he disparado a 1/180” f/16 y ISO 400 iluminando con un potente cabezal de flash de 1.000 W rebotado en el techo. No os preocupéis por la difracción, las aberraciones, el ruido y otros parámetros de calidad de imagen porque el resultado es tan basto y ruidoso que apenas afectan y lo que buscamos es capturar por primera vez un fenómeno invisible. Por ese mismo motivo y por el enorme tamaño del archivo de capas que luego obtendremos, es absurdo usar una cámara FF de alta resolución como he hecho yo. Os recomiendo usar DX o cuatro tercios y con 12-18 Mpx más que suficiente. Por supuesto, el disparo siempre en RAW porque luego habrá que forzar mucho el revelado y necesitamos la máxima reserva de información.
Sin tocar nada del sistema ya enfocado, colocamos la vela en la parte inferior del encuadre cortando casi su parte inferior, el motivo es que, en un ambiente sin corrientes de aire, la línea de turbulencia puede alcanzar casi 50cm antes de romperse en remolinos y hay que aprovechar el espacio sobre ella evitando que los bellos remolinos se salgan del encuadre.
Dando suaves soplidos evitamos que las turbulencias se salgan del encuadre
Así que empezamos disparando una foto base con la vela apagada, luego encendemos la vela, sin mover lo más mínimo el sistema, y empezamos a disparar la serie de fotos (4-8 es lo ideal), primero en ambiente quieto y luego dando suaves soplidos que muevan un poco la llama, para que al menos algunas turbulencias invisibles queden dentro el encuadre.
Dado que lo que fotografiamos es por ahora invisible, si disparamos varias series o movemos aunque sea un milímetro algún elemento, disparad una foto al comienzo de cada serie colocado la mano o algo en el fotograma que las separa para recordar luego el comienzo y final de cada serie y recordad que cada serie ha de tener en primer lugar la foto con el fondo y la vela apagada.
PROCESADO DE LA IMAGEN
Copiad cada serie en carpetas independientes, por ejemplo 01, 02…, renombrando en cada una el RAW de la foto base (con el aire quieto y la vela o secador apagado) con el nombre de Base o algo que la distinga.
Seleccionad todas las fotos de la serie en Bridge o en el navegador de imágenes que uséis y elegid la opción “Abrir en Camera Raw”. Si el tema es una vela y hemos disparado en formato vertical, este es el momento de enderezar todas juntas. Una vez abiertas en Camera Raw (ACR) seleccionad todas las imágenes y corregid lo que creáis necesario de forma que quede ligeramente sobreexpuesta pero con buen detalle en la textura de fondo y abrimos todas a la vez en Photoshop. Como vamos a forzarlas mucho, es importante configurar Camera Raw para que abra las imágenes en 16 bits y no en 8. Una vez abiertas, vamos al menú Archivo/Secuencia de comandos/Cargar archivos en Pila y en el menú que sale, marcamos la opción Añadir Archivos Abiertos e Intentar alinear automáticamente las imágenes de origen. Pulsamos OK y esperad a que se cree el nuevo Archivo de Pila de imágenes. Cuando termine podemos cerrar los archivos individuales si el ordenador es lento o tenemos poca memoria.
Carga y alineamiento de la pila de imágenes
Con el Archivo de Pila abierto, lo recortamos o enderezamos a gusto para que solo salgan la vela y el fondo texturado y, en la Persiana de Capas, buscamos la primera foto de referencia con la vela apagada (la que renombramos como Base) y la arrastramos para colocarla debajo de todas. Dado que el resultado final será muy basto en cuanto resolución se refiere, podemos si queréis, como en mi caso, reducir su resolución de 8.500 a 3.000 píxeles para que el archivo de Pila de imágenes sea más manejable y no colapse el sistema. Finalmente seleccionamos todas las capas menos la capa Base, las ponemos en Modo de Fusión Diferencia e invisibilizamos todas menos la capa Base desmarcando el icono del ojo. Ahora podemos ya guardar el archivo con todas sus capas como Pila01.psd y empezar a operar.
Con el archivo de capas Pila01.psd abierto, vamos a la capa más cercana a la capa base (la penúltima) y la hacemos visible marcando su icono del ojo. Automáticamente veremos que la imagen se hace mucho más oscura y… ¡¡posiblemente se vean ya las turbulencias!!. Acoplamos la imagen y aplicamos el menú Filtro/Filtro de Camera Raw (ACR) para ajustar la exposición jugando con los deslizadores Exposición, Blancos e Iluminaciones y si queréis el de Eliminar ruido ya que con estas modificaciones se incrementa mucho. Pulsamos aceptar y luego os recomiendo usar el filtro Mediana Filtro/Ruido/Mediana con un valor entre 4 y 15 según la resolución de vuestro archivo. Finalmente pasamos la imagen a 8 bits y guardamos la imagen resultante como Pila01a.png.
Volvemos al archivo de capas deshaciendo todos los cambios (pulsar repetidamente CTRl-Z) y activamos la visibilidad de la antepenúltima capa y desactivamos la de la penúltima. Acoplamos la imagen, aplicamos de nuevo el filtro ACR, que ahora lo tendremos como un primer ítem del menú Filtro con todos los parámetros empleados la última vez, y lo mismo con el filtro mediana. Guardamos el archivo como Pila01b.png y repetimos todo este proceso obteniendo tantas imágenes de turbulencias como capas tengamos.
Si como fondo hemos usado una trama de puntitos simétricos el resultado posiblemente sea más luminoso y conciso, pero los puntitos son bastante molestos, pueden provocar moirés y es imposible eliminarlos con los habituales plugins de supresión de ruido o con el de Mediana.
Para eliminarlos de forma casi sobrenatural hay que emplear las Transformadas Inversas de Fourier (FTI) un procedimiento muy habitual en la fotografía forense avanzada y que os vendrá muy bien también para aprender para eliminar el patrón de relieve de algunas fotografías antiguas sobre papel.
Imagen tramada antes y después de aplicar las Transformadas Inversas de Fourier (FTI)
Para los que hayáis aprendido este sistema en mis clases de la Universidad de Alcalá, advertiros que el plugin de Chirikov que os facilité ya no funciona en las versiones recientes de Photoshop de 64 bits, pero que hay uno estupendo y mucho mejor en esta web en versiones Win y Mac. https://ft.rognemedia.no/ Como en esa web además del software viene un vídeo con un magnífico tutorial y al plugin le acompaña un PDF con otro, no vamos a entrar a explicar su uso, pero os advierto que si lo usáis por primera vez os vais a quedar asombrados.
Abajo os dejo una muestra de algunas de las imágenes obtenidas por este sencillo y novedoso sistema. Todo lo que he plasmado aquí es el resultado de tan solo 48h de experimentación y seguro que puede mejorarse, así que os invito a que me expongáis vuestras sugerencias, mejoras y experimentos en la sección de comentarios.
