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Appunti di fotografia digitale subacquea e post-elaborazione

La fotografia nell’ambiente marino presenta caratteristiche singolari, le dominanti blu e verde sovrastano la gamma cromatica conosciuta in superficie. La fotocamera non riesce a controllare tali variabili cromatiche, generando immagini quasi monocromatiche.
Utilizzando parametri personalizzati, abbandonando i parametri standard imposti dal produttore, è possibile risolvere il problema.

Mostro alcune immagini per capire meglio di cosa stiamo parlando. Le immagini di seguito sono state riprese da una RX100M2 in configurazione "RAW + JPG", per salvare il singolo scatto in ambedue le modalità e rendere possibile un confronto diretto.

• JPG elaborato dalla fotocamera con parametri "Standard"

• RAW elaborato con parametri personalizzati

Sardegna . Riserva naturale marina . Capo Carbonara (Campolongu)

Sardegna . Riserva naturale marina . Tavolara (Porto San Paolo)

Le immagini JPG sopra, sono caratterizzate da "assorbimento selettivo" e "diffusione"

ASSORBIMENTO SELETTIVO (variazione cromatica)
La tonalità varia proporzionalmente allo spessore di acqua attraversato dalla luce, sia diretta (luce solare vs soggetto) che riflessa (soggetto vs fotocamera). Le diverse componenti cromatiche della luce attraverso l’acqua vengono attenuate in modo non omogeneo, fenomeno conosciuto con il nome di "assorbimento selettivo", la componente rossa è quella che subisce la massima attenuazione.

DIFFUSIONE (abbattimento di contrasto e definizione)
L’acqua è intorbidita dalla presenza di miriadi di particelle in sospensione che riflettono in ogni direzione la luce da cui vengono illuminate, l'effetto risultante comporta la diffusione della stessa luce con conseguente abbattimento del contrasto generale, ed in caso di torbidità più elevata un proporzionale calo di nitidezza dell'immagine.

Le due indesiderate caratterizzazioni vengono agilmente controllate, utilizzando il file RAW, e in post elaborazione, agendo rispettivamente su "bilanciamento del bianco" e "curve di contrasto" - "nitidezza".

Lo standard JPG presenta una quantizzazione di 8 bit, corrispondenti a 256 livelli di grigio per canale colore (RGB), mentre il sensore immagine della mia RX100M2 produce un file formato RAW di 12bit, corrispondenti a 4096 livelli di grigio per canale colore (RGB), ne consegue un rapporto tra i due formati RAW:JPG = 16:1.
Cosa comporta questa differenza ?

• Il formato JPG (elaborato dalla fotocamera)

Il file JPG viene elaborato direttamente nella fotocamera dal processore immagine "ISP", quest’ultimo gestisce parametri come: bilanciamento del bianco, luminosità, contrasto, saturazione del colore e nitidezza, secondo impostazioni scelte a priori dal costruttore per ottenere un'immagine di bell'aspetto in una condizione di ripresa normale, questa elaborazione imposta dal produttore non può essere annullata, ma come abbiamo visto nelle precedenti immagini, l’ambiente marino con le sue ampie escursioni cromatiche non è una condizione di ripresa normale, di conseguenza la gestione interna alla fotocamera trova i suoi limiti.

Dopo le regolazioni descritte, viene applicata, dallo stesso ISP, la compressione secondo lo standard JPG, questo metodo è molto efficiente ma è distruttivo (lossy), il che significa che parte delle informazioni sull'immagine originale vengono perse e non possono essere ripristinate, il risultato è un file con una gamma di valori tonali ridotta (8 bit) rispetto a quanto ottenibile utilizzando il formato RAW (12 bit). Per le immagini subacquee afflitte da pesanti problemi cromatici, questa limitazione è critica.

L'aspetto di un'immagine JPG può essere modificato dalle applicazioni di editing immagini, ma poiché si tratta di un formato compresso lossy, come su detto, molti dati tonali e cromatici sono stati eliminati in modo permanente durante il processo di compressione, i dettagli persi nelle alte luci sovraesposte non possono essere recuperati nel JPG, lo stesso vale per le immagini più scure e sottoesposte. Inoltre non va dimenticato che ogni manipolazioni successiva, determina una ricompressione dell’immagine JPG con ulteriore decadimento della qualità.

• Il formato RAW

Più semplice è la descrizione del file RAW, in quanto viene intercettato a monte del processore immagine "ISP" e non è sottoposto ad alcuna elaborazione ne compressione dell’immagine, il file RAW presenta tutti i dati tonali e cromatici registrati dal sensore immagine.

Il RAW presentando la gamma completa di livelli tonali/cromatici forniti dal sensore immagine, non più vincolato alle rigide scelte del produttore, consente il controllo completo “personalizzato” sul bilanciamento del bianco, luminosità, contrasto, saturazione colore e nitidezza, l’ampia gamma dinamica disponibile, consente il recupero dei dettagli nelle alte luci sovraesposte e dei dettagli delle ombre nelle zone sottoesposte. La flessibilità è il principale vantaggio dello scatto in RAW.

Adobe porta in esempio una simpatica analogia gastronomica: un file RAW contiene tutti gli ingredienti per preparare il tuo piatto preferito come lo vuoi tu, mentre un JPG è quel pasto già cotto e preconfezionato da scaldare nel microonde.
Adobe | Raw vs Jpg

Sardegna . Riserva naturale marina . Capo Carbonara (Campolongu)

Sardegna . Riserva naturale marina . Tavolara (Porto San Paolo)

Considerazioni sull’ambiente marino

Il nemico principale dell'immagine nitida subacquea è costituito dalla sospensione di sabbia e corpuscoli che intorbidiscono l'acqua; l'unica soluzione è quella di ridurre al minimo possibile lo spessore di acqua interposto tra fotocamera e soggetto. Ciò vuol dire che è consentito l'uso di una lunga focale per ottenere l'evidenza dei particolari non per fotografare da lontano.
Trovo necessaria una precisazione, troppe volte si legge che la fotografia subacquea vuole il grandangolare e la lunga focale viene demonizzata. Non è vero, chi scrive ciò accomuna perversamente "distanza fotocamera soggetto" con "lunghezza focale", la prima deve essere più breve possibile, la seconda (lunghezza focale) può essere quanto mi occorre alla bisogna, se occorre fare il ritratto di un pesce non devo necessariamente trovarmi a 20 cm dai suoi occhi con un 28 mm, volendo non intimorirlo posso spostarmi a 60 cm utilizzando un 100 mm senza creare alcuna riduzione di qualità all'immagine ! Personalmente credo che uno zoom 28-100 mm sia l'optimum. a dimostrazione inserisco 3 fotografie (1)28 e (2)100 mm, riprese a Campolongu nella stessa giornata 22/09/2022 e stesse condizioni meteo.

Modalità di esposizione: [A] priorità apertura, la scarsa stabilità in immersione e i rapidi movimenti dei pesci richiedono tempi esposizione relativamente veloci: > 1/250 s. e diaframma sufficientemente chiuso per offrire una sufficiente profondità di campo: f/5,6. Con queste coppie tempo/diaframma occorre scegliere alte sensibilità: 400 ISO, che con un sensore da 1" permettono ancora una adeguata qualità immagine.

Se la giornata è poco soleggiata, oppure in profondità superiori ai 5 metri, potrebbe esser necessario l’uso del flash.

Nella fotografia subacquea, l’ambiente presenta condizioni di ripresa diverse da quelle per cui sono stati progettati gli obiettivi comuni. L'acqua è un elemento con una densità circa 800 volte superiore a quella dell'aria, ciò vanifica parte della ricerca ottica svolta dai progettisti, la massa d’acqua interposta al soggetto si comporta come un elemento ottico aggiuntivo, non calcolato in sede progettuale, causando indesiderate aberrazioni ottiche. Anche queste aberrazioni, come vedremo, vengono corrette in post elaborazione utilizzando il formato RAW.

Parametri degenerati della fotografia subacquea

[1] Rifrazione (variazione lunghezza focale)

[2] Dispersione cromatica (aberrazione cromatica trasversale)

[3] Assorbimento selettivo (temperatura colore variabile con la profondità)

[4] Diffusione (abbattimento di contrasto e definizione)

[5] Riflessione (diminuzione luminosità causato da riflessione superficiale)

[6] Attenuazione (diminuzione luminosità causato da assorbimento)

Fotografare in formato RAW permette il recupero in post-elaborazione dei parametri degenerati; [2] Dispersione, [3] Assorbimento selettivo e [4] Diffusione.

Il cambiamento più macroscopico osservato in acqua è la variazione delle proporzioni, è classico dei pescatori sub arpionare un gran pesce e tirar fuori dall'acqua un pesce di ben più modeste dimensioni. Questo fenomeno prende il nome di "rifrazione". Nella fotografia si ottiene il medesimo effetto, il nostro obiettivo aumenta di lunghezza focale, proprio come il precedente pesce.

Quando un raggio luminoso passa da un mezzo ad un altro di maggiore densità diminuisce la propria velocità e cambia in direzione. Il raggio è deviato nel punto di contatto dei due elementi e tende ad avvicinarsi alla retta perpendicolare al piano di incidenza.
Ogni sostanza trasparente devia la luce in modo caratteristico secondo un indice di rifrazione "n" determinato dalla differente velocità con cui la luce lo attraversa:

n = c / v

Definiamo indice di rifrazione "n" del mezzo, il rapporto tra la velocità "c" nel vuoto e la velocità "v" nel mezzo.
In aria la velocità della luce c è prossima ai 300.000 km/s. mentre in acqua "v" è 225.000 km/s. per cui l'indice di rifrazione "n" dell'acqua è circa 1,33.

La legge di Snell afferma che il rapporto tra il seno dell’angolo di incidenza "θi" e il seno dell’angolo di rifrazione "θr" è pari al rapporto tra l’indice di rifrazione "nr" del secondo mezzo e l’indice di rifrazione "ni" del primo:

sen(θi) / sen(θr) = nr / ni

Se un raggio luminoso passa da un mezzo con indice di rifrazione ni < nr del secondo mezzo, avremo θr < θi

Esiste anche un lato positivo nel fenomeno rifrazione, nell’applicazione macro il prolungamento della lunghezza focale ottenuto in acqua, consente a parità di rapporto ingrandimento di mantenere una maggior distanza obiettivo-soggetto. Considerando le distanze in gioco in tale applicazione, quel 1/3 in più potrebbe rivelarsi salvifico, evitandoci il rischio di abrasione dell’oblò frontale fotocamera contro le rocce !

Lo zoom Zeiss Vario-Sonnar T* 28-100mm eq. prevede una posizione macro alla sola lunghezza focale di "28 mm eq", la minima distanza di messa fuoco risulta: 45 mm da fronte obiettivo . . . 60 mm in acqua.

Riassumendo, Il fenomeno "Rifrazione", possiamo definirlo grossolano, lo verifichiamo appena entrati in acqua, il nostro nuovo "aggiuntivo ottico x 1,33" comporta una variazione della lunghezza focale, questo è un fatto, non un problema, abbiamo visto che potrebbe anche essere una buona notizia.
Ma il diavolo si nasconde nei dettagli, la rifrazione porta con se una complicanza più subdola che si mostra a foto ormai fatta, quando è troppo tardi.

Il fenomeno formulato da Newton del diverso grado di rifrazione, denominato "dispersione cromatica", trova applicazione in qualsiasi progetto ottico, la dispersione cromatica e relativa "aberrazione cromatica" la ritroviamo in ogni singola lente per via del passaggio [1] aria/vetro e [2] vetro/aria, simile al prisma di Newton.

Si definiscono due tipi di aberrazione cromatica: trasversale e assiale

• L'aberrazione trasversale si verifica quando lunghezze d'onda diverse (componenti colore) vengono focalizzate in posizioni diverse sul piano focale. L'aberrazione trasversale è tipica nei grandangolari retrofocus e genericamente negli schemi ottici marcatamente asimmetrici, ma può essere corretta in post-elaborazione.

• L'aberrazione assiale si verifica quando diverse lunghezze d'onda (componenti colore) vengono focalizzate a diverse distanze dal piano focale. L'aberrazione assiale è relativamente difficile da correggere in post-elaborazione ed è tipica delle focali lunghe. ma può essere efficacemente corretta a priori riducendo l'apertura del diaframma.

In un sistema di lenti complesso, quale un obiettivo, l’aberrazione cromatica viene corretta in fase progettuale, il problema si ripropone quando i percorsi luminosi sono disallineati a causa rifrazione anomala, nel nostro caso anteponendo il nuovo passaggio "acqua/aria", con una rifrazione non prevista da progetto.

Il fenomeno dell’assorbimento selettivo legato allo spessore di acqua che attraversa si lega anche alla posizione solare.
I raggi incidenti perpendicolari attraverseranno uno spessore di acqua inferiore rispetto a raggi incidenti obliqui alla superficie dell'acqua.

L'assorbimento selettivo porta forti dominanti cromatiche, ma operare in acqua sul parametro "bilanciamento del bianco" presente nella fotocamera per correggere le dominanti cromatiche al variare della profondità d'immersione, lo trovo poco realistico.

Per correggere il problema delle dominanti cromatiche, l’unica soluzione è fotografare in RAW e regolare il bilanciamento del bianco in post-elaborazione.
Naturalmente questa tecnica, non può restituire colori che non esistono più, ovvero a 30 metri è impossibile aumentare artificialmente la componente di colore rosso in quanto a quella profondità esso non è più presente, aumentare uno "0" rimane sempre "0".

[4] DIFFUSIONE

(abbattimento di contrasto e definizione) Normalmente l'acqua è intorbidita dalla presenza di miriadi di particelle in sospensione che riflettono in ogni direzione la luce da cui vengono illuminate, l'effetto risultante comporta la diffusione della stessa luce con conseguente abbattimento del contrasto generale, ed in caso di torbidità più elevata un proporzionale calo di nitidezza dell'immagine.
Riducendo al minimo possibile lo spessore di acqua interposto tra noi e il soggetto, aumenta proporzionalmente la nitidezza dell'immagine, il resto lo recuperiamo in post-elaborazione agendo sulle "curve di contrasto" e nitidezza.

Nota: Il decadimento di contrasto e nitidezza è imputabile unicamente alle particelle in sospensione, l'acqua non è in alcun modo responsabile di questo effetto, se l'acqua è cristallina non si hanno evidenti variazioni sulla nitidezza immagine, come dimostrato nelle immagini di seguito, effettuate in vasca per avere certezza della limpidità dell'acqua:

[5] RIFLESSIONE

(diminuzione luminosità causato da riflessione superficiale) Un raggio di luce che colpisce la superficie del mare viene in parte riflesso verso l’alto e non riesce a penetrare. L’angolo con cui viene riflesso e la quantità di luce riflessa dipendono dall’angolo di incidenza: più il sole è basso e più è grande la quantità di luce riflessa, quindi al tramonto e all’alba si avrà maggiori quantità di luce riflessa e minore luce in acqua.

[6] ATTENUAZIONE

(diminuzione luminosità causato da assorbimento) L’acqua presenta una densità circa 800 volte superiore all’aria, altrettanto alto quindi è il suo assorbimento luminoso, nelle acque più trasparenti il 99% della radiazione solare è assorbita nei primi 100-150 m. dopo esiste solo il blu fino al limite inferiore di assenza di luce 300-500 metri.

Il fenomeno dell’attenuazione, come per l'assorbimento selettivo è legato allo spessore di acqua che viene attraversato dall'irraggiamento solare, l’arrivo di raggi solari perpendicolari, infatti, diminuisce il fenomeno della riflessione e aumenta il quantitativo di raggi che penetrano. In quanto i raggi incidenti perpendicolari attraverseranno uno spessore di acqua inferiore rispetto a raggi incidenti obliqui alla superficie dell'acqua. Per il fotosub le ore migliori sono quelle attorno a mezzogiorno.

Queste ultime tre problematiche; diffusione, riflessione e attenuazione impongono di dimenticare il concetto di infinito sott'acqua, inoltre questi fenomeni non sono costanti, dipendono dalla qualità dell’acqua, limpida o torbida, in cui andiamo a fotografare.

Note specifiche di utilizzo MPK-URX100A con RX100M2

Montaggio filtri e lenti alla filettatura portafiltro nei modelli DSC-RX100 e DSC-RX100M2

• Quando DSC-RX100 o DSC-RX100M2 sono inserite nello scafandro MPK-URX100A, il centro della filettatura portafiltro e quello dell'obiettivo sulla fotocamera non sono allineati. Pertanto non utilizzare oblò di correzione e aggiuntivi ottici, collegati alla filettatura del filtro, in quanto possono verificarsi fenomeni di distorsione dell’immagine.

N.B. Le note sono state sviluppate utilizzando una fotocamera Sony RX100M2, con scafandro Sony MPK-URX100A, ma genericamente applicabili a qualsiasi fotocamera subacquea.

Le fotografie utilizzate sono state eseguite nel settembre 2022 nelle riserve naturali marine di Tavolara e Capo Carbonara in Sardegna. Galleria Google Photos

Modalità esposizione, fotocamera in acqua limpida, giornata soleggiata e immersione entro 4 metri:

• [A] priorità apertura con valore preimpostato f/5,6 e sensibilità 400 ISO

Predisposizioni DSC-RX100M2 inserita in MPK-URX100A:

• [Menu Foto > 2]
  Modo avanzamento = Scatto Multiplo
  Modo di messa a fuoco = AF continuo

• [Menu Foto > 4]
  Illuminatore AF = Disattivo
  SteadyShot = Disattivo

• [Menu Video > 1]
  SteadyShot = Disattivo

• [Menu Opzioni > 2]
  Anello di controllo = Standard

• [Menu Config. > 1]
  Luminosità LCD = Tempo soleggiato