Introduzione alle tecniche di Photo Stitching

12 Novembre 2005

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Di cosa si tratta?

Lo Stitching si può tradurre nella nostra lingua con “attaccare”, “giuntare”: in effetti questa tecnica consiste nel giuntare più fotogrammi per ottenere un’unica immagine finale. L’avvento delle fotocamere digitali e la crescente potenza di calcolo dei personal computer ha consentito una grande diffusione di questa tecnica, che oggi è tranquillamente implementabile anche a livello casalingo. Molto spesso lo Stitching è sinonimo di “creazione di foto panoramiche” ma, come vedremo in questo articolo, le applicazioni sono molteplici e tutte molto utili ed interessanti.

Questo primo articolo illustrerà le quattro applicazioni principali dello Stitching, seguiranno poi altri tre articoli che tratteranno in maniera approfondita ciascuna singola applicazione, dallo scatto alla post-produzione.

Revisione del 22 Ottobre 2007: layout rinnovato.




1- Riprese ad alta risoluzione.

A parità di inquadratura, la giuntatura di più fotogrammi permette di ottenere immagini con una risoluzione molto maggiore di quella che consente il sensore della nostra fotocamera digitale.

Supponiamo di aver definito una inquadratura orizzontale che richiede l’uso di un’ottica medio-grandangolare come il 35mm (riferito al formato 35mm) e supponiamo che il nostro sensore abbia 6 Mpixel. La massime dimensioni di stampa raggiungibili, considerando una risoluzione minima di stampa pari a 240dpi, saranno circa 20x30cm, ovvero un formato A4.

Per andare oltre, diciamo sino al formato A3 (30x42 cm), si possono utilizzare con discreto successo algoritmi di interploazione come quello di Genuine Fractals, oppure più semplicemente la funzione Resize di Photoshop (con l'opzione "Bicubic Softer"). L'immagine risultante sarà sicuramente gradevole, senza segni evidenti della forzatura imposta, ma comunque non potrà mostrare un livello di dettaglio superiore alla stampa 20x30cm.

Quando però il dettaglio è parte decisiva del messaggio fotografico, come può accadere ad esempio con foto di paesaggi e di architettura, la scelta dell'interpolazione non fornisce i risultati sperati. La stessa cosa accade quando si sceglie di stampare su formati decisamente più ampi, come ad esempio l'A2 (42x50 cm) e superiori.

In questi caso dunque la risoluzione offerta dai 6 Mpixel non è sufficiente, e la tecnica dello Stitching può rappresentare una valida soluzione. Sarà infatti sufficiente utilizzare un’ottica con angolo di campo più stretto (diciamo un 45mm, equivalente nel formato 35 mm circa ad un 70mm) e suddividere idealmente la scena in una griglia di fotogrammi da riprendere in rapida successione. Nel nostro esempio dovremo scattare in tutto sei foto disposte in due righe e tre colonne:


L'immagine previsualizzata e i sei scatti con la quale è stata realizzata usando la tecnica Stitch.

Come si può notare i sei scatti sono stati ideati in modo da creare ampie aree di sovrapposizione, aree che serviranno successivamente al software di Stitching per determinare i punti di corrispondenza. E' consigliabile sovrapporre i fotogrammi almeno del 25-30%. L’immagine definitiva conterà mediamente dai 20 ai 24 Mpixel, ovvero un livello di risoluzione molto elevato, che potrebbe essere ottenuto solo mediante i dorsi digitali di ultima generazione per medio formato.


Ecco due modi per rendere meno complicato lo Stitching ...
... evitandolo!

Qui a fianco vediamo la "regina "delle fotocamere digitali reflex formato 35mm: la Canon 1Ds MkII, capace di risolvere 16.7Mpixel su un sensore di dimensioni pari a 24x36mm. Costo molto elevato, intorno agli ottomila euro, ottica esclusa!

Questa fotocamera coniuga una buona velocità operativa ed un'ottima qualità d'immagine, tale percui con un solo scatto si cattura una quantità di informazioni pari ad uno Stitch di 4 fotogrammi, realizzato con una fotocamera da 6 Mpixel.

E' sottinteso che questa qualità viene realmente sfruttata solo se si utilizzano ottiche di prima scelta (in particolare le ottiche fisse) e se si pone la massima attenzione in fase di scatto nell'evitare il micromosso.

Nell'immagine a fianco vediamo invece un dorso digitale con sensore 36x48mm, applicato ad una fotocamera medio formato autofocus di ultima generazione.

Si tratta del Phase One P45, in vendita a partire dal 2006, che rappresenta il "top" della seconda generazione dei dorsi "All-in-One", che incorporano cioè in un unico corpo il sensore, il display LCD, la memoria e la batteria di alimentazione.
Da questo dorso si attendeno prestazioni record, essendo equipaggiato con un sensore da ben 39Mpixel: questo significa che con un solo scatto si eguaglia la quantità di informazioni di uno Stitch di 10 immagini, realizzato con una fotocamera da 6Mpixel !

Il prezzo ovviamente è anch'esso da record, intorno ai trentamila euro, fotocamera e ottica escluse!



A livello teorico (ma come vedremo nel prossimo articolo, con crescenti difficoltà a livello pratico) avremmo potuto scegliere un’ottica ancor più “stretta”, ad esempio un 105mm, e realizzare ben 18 foto disposte in 3 righe e 6 colonne, ottenendo così un immagine stimabile in 60-70 Mpixel, una quantità di informazioni che nessun sistema di ripresa attuale (sia esso analogico che digitale) può ottenere con un singolo scatto.
Ad ulteriore vataggio della tecnica Stitch, va considerato che si ottiene una ottima uniformità di resa su tutta l'immagine finale, mentre utilizzando uno scatto singolo si deve mettere in conto una graduale perdita di definizione verso i bordi. Inoltre bisogna tener conto che le ottiche per piccolo formato hanno un potere risolvente maggiore delle ottiche per medio e grande formato, e questo lascia facilmente intuire l'altissimo livello di dettaglio che è possibilie ottenere. L'immagine seguente è stata realizzata con uno Stitch a griglia di 6 colonne e 2 righe, per un totale di 12 scatti da 6 Mpixel ciascuno. La composizione degli scatti ha dato origine ad una fotografia da ben 52 Mpixel, che potrebbe essere stampata su un formato 53x110cm @ 240dpi, senza ricorrere ad alcuna interpolazione.


Veduta del ghiacciaio del Rutor, osservato dal rifugio Deffeyes, Val D'Aosta.
Stitch di 12 scatti -52 Mpixel - eseguito con Nikon D70 e ottica Nikkor 45mm Ai-P.
In basso è riportato il particolare relativo alla cornicetta rossa.


Voglio concludere l'introduzione di questa applicazione dello Stitch con un paio di considerazioni:
- se è vero che per mezzo dello Stitching la nostra fotocamera digitale "entry-level" può arrivare a competere con i nuovi "giganti digitali" della fotografia , è pur vero che i giganti stessi posso essere a loro volta utilizzati per ottenere Stitch di qualità impressionante, qualcosa di mai visto fino ad oggi! Ad esempio, se avessi ripreso l'immagine mostrata in precedenza con una fotocamera medio formato equipaggiata con il dorso P45 da 39Mpixel, avrei ottenuto una fotografia da trecentocinquanta megapixel, un valore davvero impressionate di informazioni che potrebbe generare una stampa di 135x280cm @ 240dpi, senza alcuna interpolazione!
Distanze ristabilite dunque, anche se la vera forza dei sistemi superiori è certamente quella di cattuare immagini ad alta risoluzione senza bisogno di "alchimie" in post-produzione e senza le limitazioni in fase di ripresa che caratterizzano, come vedremo più avanti, tutte le tecniche di Stitching.
- la nitidezza di una immagine non si raggiunge semplicemente scattando con strumenti avanzati ,oppure adottando in modo spensierato tecniche come quella appena proposta. Avere a disposizione più pixel fornisce certamente l'opportunità di registrare un numero maggiore di informazioni, ma dobbiamo fare in modo che queste informazioni arrivino intatte al sensore. La cura di queste informazioni passa, oggi come ieri, attraverso l'uso del cavalletto (o comunque l'adozione di tempi di scatto adeguati) ed una attenta impostazione della messa a fuoco.
In sintesi, questi affascinanti virtuosismi permessi oggi dalle nuove tecnologie digitali non possono prescindere dal rispetto delle regole fondamentali della ripresa fotografica.




2- Riprese panoramiche.

Le riprese panoramiche sono da considerarsi un sottoinsieme delle riprese ad alta risoluzione, ma nascono principalmente dall’esigenza di avere angoli di ripresa ampi senza il bisogno di utilizzare ottiche super-grandangolari o fish-eye. Con l'applicazione delle tecniche di Stitching si possono ottenere addirittura angoli di campo oltre i 180° e, per applicazioni non-fotografiche come il QTVR, si può arrivare addirittura ai 360° e alle riprese sferiche.

Per le riprese panoramiche si utilizzano normalmente ottiche con focali che vanno dal "normale" al grandangolare (meglio se decentrabile) realizzando più scatti su una singola riga.


Panoramica con angolo di campo pari a 185° x 60° con prospettiva equirettangolare. Nikon D70 con ottica Nikkor 20mm, f/11.




3- Riprese con Profondità di Campo estesa.

Il “tutto a fuoco” non è certamente la ricetta magica per ottenere immagini più belle, anzi molto spesso una sapiente composizione di aree nitide ed aree sfocate rappresenta un elemento estremamente gradevole in una fotografia. Tuttavia è innegabile che esistono situazioni nelle quali la nitidezza dei vari piani costituisce un fattore decisivo: la tecnica che descriverò si propone di raggiungere questo risultato, anche in presenza di una scena nella quale la profondità di campo necessaria eccede le possibilità dell’accoppiata Lunghezza Focale / Apertura Minima dell’ottica utilizzata.
Con le macchine a corpi fissi (tra cui le compatte e reflex digitali) non è possibile orientare il piano di messa a fuoco, che rimane sempre parallelo al piano del sensore: l’unico parametro su cui è possibile agire è il diaframma (aumento della profondità di campo o “nitidezza apparente”).

E' proprio di questi giorni la notizia che all'università di Stanford è stata approntata la prima reflex digitale modificata secondo il pricipio della "fotocamera plenottica". Eviterò di affrontare il principio che sta alla base di questa tecnica, quel che importa è che le informazioni digitalizzate da questa d-reflex possono essere rielaborate in fase di post-produzione per ottenere immagini con diversa messa a fuoco oppure con messa a fuoco su tutti i piani: una vera rivoluzione è dunque alle porte, anche se al momento non è possibile immaginare i tempi di industrializzazione necessari. Per chi volesse approfondire, questo è un buon link da cui iniziare (solo in lingua inglese).

Siamo tutti molto curiosi di vedere all'opera questa nuova tecnologia, ma nel frattempo dobbiamo continuare ad "arrangiarci" con i mezzi che abbiamo a disposizione: chiudere il diaframma è il più classico di questi. Poniamo l'esempio di una fotocamera reflex formato 35mm con obiettivo 50mm chiuso a f/22: la profondità di campo va da due metri all’infinito, dunque tutto ciò che sta a meno di due metri dalla fotocamera risulterà sfuocato:

Tuttavia f/22 è il diaframma più chiuso disponibile e, anche nel caso fossero presenti aperture minori, chiudere ulteriormente significherebbe aumentare considerevolmente l'effetto della diffrazione, penalizzando in maniera vistosa la qualità dell’immagine. Normalmente da f/11 compreso in poi (riferendosi al formato 35mm) la diffrazione diventa importante e il calo di qualità evidente.

Un'altra freccia all'arco dei fotografi è l'impiego delle fotocamere a corpi mobili, con le quali è possibile orientare il piano di messa a fuoco in modo da ottenere, ad esempio, primo piano ed infinito nitidi contemporaneamente. Qui di seguito ho riportato una illustrazione di una fotocamera folding (formato pellicola 4x5”) con il dorso basculato ed uno schema che illustra il principio della regola di Scheimpflug:



In sostanza il principio di Scheimpflug è che il piano della pellicola, il piano dell'obiettivo (quello che passa dal punto nodale posteriore) e il piano di nitidezza (passante dal punto di messa a fuoco) convergono tutti in una retta posta all'intersezione dei tre piani . Basculando il dorso portapellicola oppure il piano dell'obiettivo e focheggiando la fotocamera, si determina la posizione e l'orientamento del piano di nitidezza. Applicando questa la regola al caso illustrato in precedenza, è possibile mantenere tutto a fuoco senza ricorrere a diaframmi particolarmente chiusi (relativamente al formato):



Sebbene le fotocamere a corpi mobili permettano di risolvere una discreta percentuale dei casi pratici, esistono comunque molte scene in cui Scheimpflug non è applicabile con successo: in questi casi, nonostante venga applicata una forte diaframmatura, una parte dell'immagine rimane sfuocata:



Dobbiamo inoltre considerare che i sistemi a corpi mobili sono generalmente abbastanza onerosi, sia da un punto di vista economico che di trasportabilità sul campo, oltrechè poco adatti all’uso con i moderni dorsi digitali (peraltro ancora oggi estremamente costosi).

Una terza possibilità è rappresentata dall'utilizzo di ottiche decentrabili e basculabili (tilt & shift) che si possono applicare alle normali fotocamere reflex: ad esempio Canon ha in listino tre ottiche siglate "TS", un 24mm, un 45mm ed un 90mm. Il pricipio è lo stesso delle fotocamere a corpi mobili, si tratta di applicare la regola di Scheimpflug, anche se i movimenti applicabili sono molto ridotti e la loro regolazione non è affatto facilitata dal mirino di dimensioni abbastanza ridotte.

Un'ultima possibilità è rappresentata dall'implementazione della tecnica di Stitching, che permette di risolvere molte situazioni senza l'uso di attrezzature particolari: si tratta infatti di effettuare più scatti con messa a fuoco diversa. Successivamente -tramite appositi software- sarà possibile ricomporre il tutto in una singola immagine che mostrerà la “miglior messa a fuoco” per ciascuna area del fotogramma. Oltre ad una maggiore profondità di campo si può ottenere anche una maggiore nitidezza, sia perché è possibile lavorare con aperture ottimali (quali ad esempio f/8 oppure f/11) sia perché si è possibile sfruttare in minor misura la nitidezza apparente (profondità di campo) a favore di quella reale (piani di messa a fuoco). Ecco un esempio di come è possibile risolvere la precedente situazione eseguendo tre scatti in successione:



Dopo l’esecuzione degli scatti, seguirà una parte automatizzata che è quella della sovrapposizione ( “sandwich” )dei vari fotogrammi, operazione non semplice perchè quando si cambia la messa a fuoco varia leggermente anche il rapporto di ingrandimento della scena, dunque gli scatti sono sovrapponibili solo dopo un adeguato ridimensionamento. L'operazione più delicata, ovvero la scelta delle aree più nitide, si effettua manualmente lavorando sulle maschere di livello di Photoshop.

Il tutto -è bene sottolinearlo- si può fare con qualsiasi fotocamera digitale, purchè disponga del controllo manuale della messa a fuoco e, ovviamente, la possibilità di bloccare l'esposizione.

Qui di seguito è riportato un esempio nel quale si giunge all'immagine finale (nel riquadro giallo) partendo da tre scatti (1,2 e 3) eseguiti con diverse impostazioni di messa a fuoco. Nelle due immagini più piccole (riquadri azzurri) si può controllare la nitidezza ottenuta sui due piani estremi, quello del tronco (posto a soli 70cm dalla fotocamera) e quello di sfondo (posto teoricamente all'infinito).


Esempio di immagine con profondità di campo estesa. Nikon D70 con ottica Nikkor45mm Ai-P, f/22.
(equivalente ad una focale di 70mm nel formato 35mm)


L'esempio riportato sopra potrebbe apparire di difficoltà non elevata, invece si tratta di una delle situazioni più difficili da gestire, in quanto si ha una superfice in primissimo piano che si staglia su un piano di immagine molto distante (teoricamente situato all'infinito). Nell'articolo che tratterà in dettaglio l'estensione della profondità di campo, avremo modo di appurare che in linea teorica questo tipo di Stitch non è una "scienza perfetta", in quanto intorno ad ogni soggetto molto sfuocato si genera un alone che non può essere coperto dall'immagine nitida dello stesso soggetto. Analizzeremo tuttavia alcune tecniche di post-produzione atte a limitare questo effetto, in modo da ottenere comunque ottimi risultati.





4- Riprese con Gamma Dinamica estesa.

In questo caso l’obiettivo è quello di ottenere un’immagine correttamente esposta pur in presenza di una scena fortemente contrastata, tanto da eccedere la gamma dinamica del sensore della nostra fotocamera digitale. In queste situazioni di forte contrasto è infatti difficile (se non imposibile) preservare le alte luci e mantenere allo stesso tempo una buona leggibilità delle ombre. Di seguito è riportato un esempio nel quale la migliore esposizione possibile non ha garantito nè un'adeguata riproduzione delle zone in ombra (clipping a sinistra dell'istogramma) nè tantomeno una resa accettabile delle alte luci (clipping a destra dell'istogramma).



In tutti i casi in cui non è possibile ristabilire un corretto bilanciamento di illuminazione (tramite lampade oppure flash), lo Stitching può esserci di grande aiuto, perché permette di effettuare più scatti a esposizioni diverse per poi ricomporle in una singola immagine che conterrà le “migliori esposizioni” di ogni area del fotogramma. E’ dunque evidente che anche in questo caso si tratta di un “sandwich” di immagini piuttosto che una giuntura sequenziale.

Come vedremo nell'articolo dedicato a questa applicazione, la ricomposizione può essere effettuata sia con metodi completamente automatici (più veloci) che con metodi manuali (lavorando sulle maschere di livello in Photoshop): con questi ultimi si raggiungono spesso i migliori risultati, come nell'esempio seguente:


Gli scatti 1 e 2 sono stati effettuati con esposizioni diverse (circa 3 stop di differenza), mentre nel riquadro rosso vediamo l'immagine finale. Anche questo esempio potrebbe sembrare di semplice soluzione, invece l'elevato contrasto della scena inquadrata e il passaggio secco tra le due condizioni di illuminazione ha reso la fase di post-produzione abbastanza dispendiosa in termini di tempo. Per fortuna le situazioni più frequenti in cui si rende necessaria una estensione della gamma dinamica richiedono un recupero di uno-due stop al massimo, e non sempre i passaggi tonali sono così bruschi.




Stitching: limitazioni d'uso.

Lo Stitching non è purtroppo applicabile a tutte le situazioni fotografiche.

In primo luogo si presuppone la staticità del soggetto, in caso contrario la giunzione o il “sandwich” dei fotogrammi risulterebbe impreciso o addirittura impossibile.
Ad esempio, risulterà sicuramente impossibile gestire uno stitch per estensione della gamma dinamica quando il soggetto sono le onde del mare, oppure stiamo facendo del reportage! Una volta acquisita un po’ di esperienza, si possono tuttavia gestire anche situazioni in cui vi sono elementi in movimento all’interno della scena, in quanto si può operare in fase di post-produzione per eliminare gli eventuali artefatti.

In secondo luogo lo Stitch è una tecnica che presuppone sempre un certo tempo per la “preparazione mentale” degli scatti necessari. Anche in questo caso l’esperienza può aiutare molto, ma all’inizio si perde un po’ di tempo prima di effettuare gli scatti, percui è meglio lasciar perdere nei casi in cui velocità operativa è prioritaria.

Infine lo Stitch risulterà di maggior qualità quando si utilizza il cavalletto e, nei casi in cui è richiesta la giunzione sequenziale degli scatti, quando si fa uso anche delle apposite teste per cavalletto realizzate appositamente (teste panoramiche). Tuttavia, grazie all’uso di software specifici per lo stitching avanzato (ad esempio PTGui 5.4), il cavalletto non è sempre necessario. Agendo in maniera opportuna in fase di ripresa si possono ottenere risultati molto buoni anche senza il treppiede, fatta eccezione per le scene nelle quali sono presenti contemporaneamente oggetti vicini alla fotocamera ed altri in lontananza (errori di parallasse).
Ovviamente il treppiede è irrinunciabile quando i tempi di scatto necessari non garantiscono la dovuta stabilità della fotocamera.




Conclusione.

In questo articolo abbiamo fornito una visione generale relativa alle possibili applicazioni delle tecniche di Stitching. Tramite un utilizzo accorto di queste tecniche è possibile risolvere una serie di situazioni fotografiche tecnicamente difficili senza far ricorso ad attrezzature particolari.
Tutto ciò fornisce un ulteriore livello di flessibilità sul campo, oltre a quelli classici legati all'impiego delle fotocamere digitali. E' vero, a fronte di questa flessibilità c'è sicuramente da scontare un maggior lavoro di post-produzione, ma il bilancio resta comunque positivo perchè
spesso l'alternativa è rinunciare all'immagine che avevamo in mente di realizzare.


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