FOCUS
  PEAKING


   Creado
   21 Ago 2011


   Actualizado
   29 Oct 2011


   


© Guillermo Luijk 2011



INTRODUCCIÓN

El Focus Peaking es una asistencia al enfoque manual, consistente en resaltar a través de un visor electrónico o pantalla LCD con Live View, las zonas enfocadas mediante la superposición sobre la escena de indicadores de foco. En el siguiente video puede verse cómo funciona:


Fig. 1 Focus Peaking en una Sony NEX C3.


En cámaras réflex dotadas de visores ópticos grandes y luminosos, una asistencia de este tipo pierde parte de su interés porque el enfoque puede evaluarse con bastante precisión por los métodos clásicos.

Sin embargo en cámaras réflex con visores mucho más limitados (como son las réflex de iniciación), o cualquier cámara digital que directamente no disponga de un visor o éste sea electrónico, toda ayuda al enfoque manual es bienvenida.

Así con la proliferación de cámaras sin espejo, en las cuales el enfoque ha de basarse en la pantalla LCD de la propia cámara, o en visores electrónicos que todavía no dan las prestaciones de un buen visor óptico, este tipo de ayudas cobran todo el sentido.

Por un lado suplen las carencias en cuanto a visionado de estos sistemas íntegramente digitales, y por otro son acordes con una filosofía de cámaras en las cuales la visión se hace a través del sensor, por lo que se dispone permanentemente de un muestreo digital de la escena.

Las técnicas de Focus Peaking, generalizadas ya en el sector del vídeo, han empezado a aplicarse recientemente en fotografía. En concreto las cámaras Sony NEX C3 son las primeras en disfrutar de esta asistencia, pudiendo aplicarla también en modelos NEX anteriores vía actualización de firmware.

El resultado es que se puede lograr una facilidad y precisión en el enfoque manual comparable a la que se consigue ampliando la imagen en el modo Live View (insuperable incluso con visores ópticos), pero con la ventaja de no dejar de visualizar la escena completa, siendo por ello de aplicación en escenas dinámicas.

En el presente artículo se va a intentar demostrar lo sencillo que resulta a nivel de implementación incluir una facilidad de este tipo, lo que hace albergar esperanzas de que se generalice en el futuro en las cámaras de concepción 100% digital. A día de hoy ya incorporan esta facilidad las citadas Sony NEX así como la Ricoh GXR.


DETECCIÓN DE MICROCONTRASTE

El principio del Focus Peaking no es en realidad detectar zonas en foco desde el punto de vista óptico, sino detectar microcontraste, es decir, texturas y detalle fino.

Es algo que las cámaras sin espejo hacen de manera nativa porque precisamente sus sistemas de autofoco, al no poderse basar en mecanismos de diferencia de fase, han de enfocar por contraste. Esto da una idea de la naturalidad con que estas asistencias al enfoque deberían poder integrarse en este tipo de cámaras.


FILTRO PASO ALTO

Y cómo se detecta microcontraste? existen multitud de técnicas para cuantificar microcontraste en imágenes digitales. Sin complicarnos demasiado, voy a demostrar como un simple filtro paso alto digital (FPA en adelante) permite hacerlo de manera sencilla y precisa.

Tomemos la siguiente escena en la que se usó una PEN con una óptica fija luminosa, que permitió realizar un enfoque bastante selectivo:


Fig. 2 Escena ejemplo para detectar microcontraste.


Sin pretender dar una lección de tratamiento digital de la señal, veamos intuitivamente cómo funciona un FPA digital. Photoshop ya dispone de su propio FPA, pero vamos a crearlo nosotros mismos con la opción: Filtro → Otros → Personalizar...

La ventana que aparece permite definir una matriz numérica que representa lo que se conoce como respuesta al impulso del filtro, con la cual éste queda completamente caracterizado:


Fig. 3 Respuesta al impulso del FPA de Laplace.


Los valores introducidos en las casillas son los pesos del filtro, y determinarán su comportamiento al aplicarlo sobre la imagen. Para filtrar ésta, lo que hace Photoshop es un promedio ponderado de los valores numéricos de los píxeles de la imagen por los pesos del filtro, de acuerdo a sus posiciones relativas.

En terminología de teoría de la señal, esta operación se denomina convolución de la anterior matriz (o kernel) con la señal (imagen).

En este caso hemos configurado un simple filtro de Laplace, clásico detector de bordes. Como puede verse, allí donde la escena presentaba aristas el filtro genera una salida no nula, y de mayor intensidad cuanto mayor fuera la nitidez (grado de enfoque) del borde.

Por qué es un FPA? si nos fijamos, el valor central del filtro (4) equivale a la suma de los cuatro que lo rodean (-1) cambiados de signo:
  • Si filtramos un área de la imagen con valores similares en todos sus píxeles (ausencia de microcontraste), el valor 4 multiplicado por el nivel de su píxel, se cancelará al sumarse a los valores de sus 4 píxeles vecinos multiplicados por -1, produciendo una salida cercana a 0.
  • Sin embargo en zonas con texturas que den lugar a diferencias importantes entre el valor de un píxel y sus vecinos (microcontraste), la salida dará un valor alto, más alejado de 0 cuanto más diferente sea el píxel central respecto a los 4 que lo rodean.
Este comportamiento: salida más cercana a 0 cuanto más similares sean los píxeles de entrada, y salida de mayor amplitud cuanto mayores sean las diferencias entre píxeles contiguos, constituye precisamente un FPA. Se recortan las frecuencias espaciales bajas (zonas con poco detalle), y se permiten pasar las frecuencias espaciales altas (zonas con mucho detalle).

Aplicado a una fotografía, en las zonas enfocadas es donde podremos encontrar detalle fino y por consiguiente la salida del filtro generará valores no nulos. Sin embargo en las zonas fuera de foco, como los valores de un píxel serán similares a sus vecinos debido al bokeh progresivo de la lente, el filtro generará una salida cercana a 0.

Tomando un canal RAW de la imagen ejemplo, y aplicando un umbral adecuado a la salida del filtro anterior tenemos el siguiente resultado:


Fig. 4 Resultado tras aplicar FPA y umbral.


En el archivo Excel FocusPeaking.xls puede verse el funcionamiento interno del FPA, incluyéndose un kernel de 9 pesos alternativo al empleado en las muestras.

Como anécdota, tiempo después de escribir este artículo, el autor de Magic Lantern me comentó que había usado el kernel aquí propuesto al implementar el focus peaking de su firmware alternativo para cámaras réflex Canon.


CÓMO MOSTRARLO EN LA CÁMARA

Hecha la detección de microcontraste, a la cámara le resultará muy sencillo superponerla a la imagen en el visor electrónico o pantalla LCD para que resulte de utilidad al fotógrafo:


Fig. 5 Superposición de microcontraste sobre la escena.


Como decíamos antes, el filtrado no detecta zonas en foco sino microcontraste. Así pueden darse falsos positivos (como las ventanas traseras, donde el contraste entre el cristal y el marco logró superar el umbral del filtro pese a estar en zonas fuera de foco), así como zonas que pese a estar en foco no resulten resaltadas por no tener suficiente microcontraste (ver zonas en sombra de la estatua enfocada).

La detección de microcontraste podría desenfocarse para hacerse más visible y representar de forma aproximada "zonas de enfoque", superponiéndose con transparencia a la escena. Pasando el ratón por encima de la imagen anterior puede verse este efecto.

Otra posibiliad es representar la escena en escala de grises (trivial de generar para la cámara, pueden incluso usarse canales RAW sin interpolar como se hizo en la prueba) para que resulte mucho más sencillo distinguir las zonas enfocadas. Con otro ejemplo se muestra cómo quedaría esta modalidad:


Fig. 6 Focus Peaking con escena en escala de grises.


Situando el ratón encima de la misma imagen se mostrará la versión por "zonas" de enfoque. Y otra forma podría ser parpadeando para que resulte más visible:


Fig. 7 Focus Peaking con parpadeo intermitente.


De nuevo colocando el ratón sobre la imagen se tiene la versión zonal para comparar. Como vemos, las posibilidades no acaban. Con cuál de todas ellas te quedas?.


PARAMETRIZACIÓN Y USO DEL FOCUS PEAKING

Sea cual sea el algoritmo empleado, casi con seguridad será muy sensible a la aplicación, arrojando resultados distintos en función de factores como la apertura usada en la lente, su nitidez, el nivel del ruido del sensor (que puede dar lugar a falsos positivos de microcontraste), la profusión y tamaño del detalle de la escena fotografiada,...

Por ello lo normal es que cualquier implementación de Focus Peaking disponga de parámetros que permitan ajustar la sensibilidad de la detección. Basándome en la simulación realizada se me ocurren:
  • FPA: pueden probarse filtros con respuestas más amplias que se adapten a detalles menos finos
  • Umbral de detección de foco tras el PFA: será más exigente con aperturas más cerradas y/o focales más cortas
  • Radio de influencia para generar la zona en foco en la modalidad "por zonas"
  • Eliminación de falsos positivos aislados: útil por ejemplo en situaciones de alto ruido
En cuanto al tipo de escenas donde es interesante usar el Focus Peaking, aunque no lo he podido probar todavía me inclino a pensar que tendrá utilidad en aplicaciones de estrecha profundidad de campo (PDC). Cuando ésta sea grande, por un lado un enfoque muy preciso deja de ser necesario e incluso útil, pero es que además el aviso de foco invadirá toda la pantalla pudiendo dificultar incluso la interpretación de la escena.

Las aplicaciones de estrecha PDC serán aquellos casos donde se empleen aperturas grandes (lo que incluye situaciones donde se busque una buena PDC pero el enfoque fino previo se haga a máxima apertura) y/o distancias de enfoque cortas.


CONCLUSIONES

Se ha explicado en qué consiste el Focus Peaking, replicando el principio en que se basa con herramientas sencillas. Esto hace pensar que no hay motivo para no implementarlo como una característica estándar en cualquier cámara digital que base su visión en el propio sensor, al estar obligadas a hacer un muestreo continuo y en tiempo real de la escena, así como disponer de un autofoco por detección de contraste.

Se han propuesto distintas opciones creativas para mostrar la información de foco superpuesta a la escena. Éstas no son sino una parte de todas las posibilidades que podrán brindarnos en el futuro próximo los visores electrónicos a medida que se vayan implementando en las cámaras sin espejo: focus peaking, superposición de todo tipo de información de la captura sobre la escena, visión en condiciones de baja iluminación, mapeo tonal en tiempo real para visualizar mejor escenas de alto rango dinámico, visualizaciones en falso color (por ejemplo de capturas IR/UV),...

Por su naturaleza, se sugiere que una facilidad como el Focus Peaking debiera implementarse acompañada de parámetros de ajuste de la sensibilidad de detección.


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