La súper resolución y el filtro de paso bajo
Publicado originalmente en la revista FotoDNG Nº109, Septiembre de 2015
Cuando buscamos la imagen perfecta, en cuanto a nitidez se refiere, nos topamos siempre con unos límites físicos. En algunas ramas de la fotografía científica, como la fotografía forense o la fotomicroscopía, se intentan superar estos límites mediante técnicas llamadas de súper resolución. Estas técnicas son un conjunto de procesos que pueden mejorar la resolución de los sistemas de imagen digital basados en sensores, más allá de los límites del propio sensor y de las ópticas empleadas.
Entre las vías que se emplean actualmente para lograr la súper resolución, hoy hablaremos sobre la basada en recuperar la información perdida por los filtros de paso bajo, que confieren a la imagen cierta borrosidad. En algunas de las cámaras con sensores de alta resolución y gran densidad de fotositios se sigue la tendencia a eliminar este filtro, pero en la mayoría de las cámaras que lo tienen, aún puede extraerse cierta información adicional en los detalles más finos que se pierden por su efecto (Figura 1).
Se preguntará el lector por que no se quita el filtro de paso bajo en todas las cámaras para ganar resolución. Como posiblemente muchos de ustedes ignoren la función de este interesante filtro, en este artículo vamos a explicar su utilidad, funcionamiento y cómo recuperar algo de la información perdida por el mismo.
El poder resolutivo de un sistema se mide por su capacidad para distinguir entre pares de líneas blancas y negras muy cercanas. Normalmente se emplean como modelo cartas resolutivas estándar y una de las más usadas es la llamada estrella de Siemens (figura 2).
En ellas se mide, entre otras cosas, el número de líneas por milímetro o por pulgada que puede resolver un sistema formado por una lente y un sensor (o una película).
Hablar de muchas líneas por milímetro es hablar de altas frecuencias y, en ese sentido, puede decirse que un objeto con detalles muy finos, tal como un tejido, una alambrada o algunos detalles arquitectónicos fotografiados a cierta distancia, generan patrones de imagen de alta frecuencia.
Vamos a ver muy de cerca lo que ocurre en el laboratorio cuando un sensor intenta captar un patrón de imagen cuya frecuencia se aproxime a la de la disposición de los fotositios, que son cada una de las unidades fotosensibles que componen el sensor.
Para simplificar las cosas, en la imagen 3, hemos representado el fragmento de un sensor en blanco y negro fotografiando un patrón de líneas cuya frecuencia está cercana a la del sensor.
Recordemos que cada fotositio solo puede captar valores de luminosidad y que el modelo que fotografiamos solo tiene líneas blancas y negras puras. Pues bien, como vemos en la imagen, hay momentos en que algunas hileras de fotositios quedan parcialmente a caballo entre dos líneas y dan un valor que, según su posición, varía desde el blanco al negro pasando por toda la gama de grises. Estos valores son un error ya que no se corresponden con el valor real de la luminosidad del objeto fotografiado, ya que el nítido patrón de líneas blancas y negras se ha convertido en una enorme banda degradada de grises.
Si además, el paralelismo del sensor con las líneas de la muestra no es perfecto, aparecen unas nuevas bandas grises, esta vez perpendiculares a las líneas originales (figura 4) que adicionalmente pueden cambiar de dirección y grosor en función de la inclinación de las líneas originales y de su frecuencia (Figura 5). Para complicar aún más las cosas, si el sensor es en color con un patrón de fotositios bayesiano, aparecen a su vez bandas de color irisado que hacen aún más patente las moirés y resultan imposibles de eliminar.
El filtro de paso bajo, low pass o antialiasing (AA) se encuentra colocado ante el sensor y está formado realmente por dos secciones: una formada por un filtro espejado anti infrarrojo o hot mirror, que impide el paso del infrarrojo y ultravioleta, cuya función es mantener el equilibrio de color excluyendo todo lo que no sea espectro visible, y otra parte, que es el filtro de paso bajo propiamente dicho. Este filtro se compone a su vez de un fino filtro birrefringente horizontal (AAh) que separa cada rayo de luz en dos haces horizontales muy próximos y otro filtro similar de birrefringencia vertical, colocado al final, que los separa de nuevo en dos haces verticales (AAv). De esta forma los rayos procedentes de un patrón de alta frecuencia se descomponen en 4 rayos muy juntos que producen un ligero desenfoque y eliminan dichos patrones (figura 6).
El filtro anti infrarrojo suele encontrarse embutido entre ambos. Como la birrefringencia está en función del grosor y de la composición del filtro, puede controlarse al fabricarlo el patrón de altas frecuencias que se quiere eliminar.
La borrosidad y pérdida de acutancia que produce este filtro se suele compensar con la añadida posteriormente por las máscaras de enfoque que aplica la cámara o las empleadas por el usuario durante el procesado. Pero los efectos del aliasing y las figuras de moiré resultan completamente imposibles de eliminar por software.
Casi siempre, parte del contenido de alta frecuencia de la imagen, supuestamente perdido, queda incrustado en el contenido de baja frecuencia y contando con cierto número de imágenes iguales, puede hacerse un procesamiento de súper resolución para recuperarlas, siempre que entre ellas haya un ligero desplazamiento cercano al subpíxel.
Además de complejos procesos matemáticos con MatLab y otros programas forenses, comercialmente existen programas asequibles y sencillos para realizar estos procesos, tal como Photoacute Studio, Ikena, etc., que sobre una pila de imágenes similares son capaces de obtener imágenes súper resolutivas empleando varias vías, entre ellas ésta: la de recuperación de las altas frecuencias perdidas por el filtro de paso bajo.
En la práctica, con la cámara firmemente sujeta en un buen trípode y usando el diafragma óptimo, se procede a disparar media docena de fotos RAW entre las cuales se da un ligero golpecito a la cámara para que el sensor se desplace unas micras entre toma y toma. La pila de imágenes se carga luego en Photoacute y se procesa para súper resolución. De esta manera puede incrementarse el poder resolutivo de la imagen hasta un 15-20 %, además de eliminarse bastante el ruido y las aberraciones (Figura 7a y 7b). El método resulta especialmente efectivo para la resolución de matrículas en investigación forense a partir de los fotogramas de cámaras de vigilancia o cuando se trabaja al límite del poder resolutivo de un instrumento óptico.
Para saber más:
- http://photoacute.com/
- https://www.cs.berkeley.edu/~sequin/CS184/LECT_09/L11.html
- https://www.motiondsp.com/ikena-forensic/
- https://photographylife.com/nikon-d800-vs-d800e
- http://www.gizmos.es/camaras-digitales/nikon-patenta-un-filtro-de-paso-bajo-que-podemos-activar-y-desactivar.html
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