¿Qué es moiré? ¿Cómo podemos evitarlo?

Moiré es una forma de alias mediante la cual se pueden observar patrones falsos en una imagen.

Imagine un faro que envía un pulso de luz cada 5 segundos, y una cámara (u otro observador) que ve el faro durante tres segundos y luego no puede verlo durante tres segundos:

lighthouse:        *....*....*....*....*....*....*....*...
observer:          ***...***...***...***...***...***...***

observed pattern:  *...................*....*....*........

Lo que en realidad es un pulso regular se observa como un patrón muy desigual debido al alias temporal, causado por la frecuencia de muestreo cercana pero diferente de la frecuencia del fenómeno que se observa. Esta es la razón por la que las ruedas de los carros pueden dar la impresión de girar hacia atrás cuando se observan con una cámara de cine con una velocidad de fotogramas fija.

Moiré es exactamente el mismo fenómeno, pero es un ejemplo de alias espacial en lugar de temporal. Cuando un patrón regular de luz y oscuridad, como una tela de fibra hecha a mano, es captado por un sensor con un patrón fijo de píxeles, la uniformidad de las fibras da paso a un patrón artificial a una frecuencia mucho más baja (espaciado más ampliamente):

Imagen de Fir0002/Flagstaffotos. Licencia

El aliasing es peor cuando la frecuencia del patrón está cerca de la frecuencia de muestreo (la densidad de píxeles en el sensor). Los patrones de baja frecuencia no son un problema. Un filtro antialiasing desenfoca la imagen, por lo tanto, reduce la frecuencia de la entrada y la posibilidad de aliasing. La desventaja es que esto también difumina los patrones que no se repiten, lo que no causaría un alias notable.

En lugar de reducir la frecuencia de la imagen mediante el desenfoque, el alias también se puede mitigar aumentando la frecuencia de muestreo, es decir, con más megapíxeles (sin aumentar el tamaño del sensor o la nitidez de la lente). Las cámaras digitales de formato medio tienen muchos megapíxeles, pero aún sufren de aliasing debido a lentes más nítidas.

Los filtros antisolapamiento están instalados en casi todos los sensores DSLR de 35 mm como estándar. Se pueden quitar; Conozco una empresa que hace esto:

http://www.maxmax.com/hot_rod_visible.htm

La ventaja es una mayor nitidez pero más muaré. Si solo tomas texturas naturales aleatorias, probablemente esta sea una buena idea. Algunas cámaras y respaldos digitales MF carecen de un filtro AA. La opinión está dividida sobre por qué, dado lo malo que puede ser el aliasing en las telas y el hecho de que el MF se usa con frecuencia para la moda. Mi opinión es que estas imágenes probablemente se tomaron a f/32–f/45 con fuentes de alimentación de iluminación gigantes, y la difracción actúa como un filtro AA.

El muaré se puede reducir en el software, pero solo hasta cierto punto; por lo general, es mucho mejor usar un filtro AA. Puede obtener filtros anti-aliasing atornillables para lentes si su sensor carece de un filtro AA.

Moiré está relacionado con el color falso debido al proceso de demosiacción. Como (la mayoría) de los sensores digitales son dispositivos monocromáticos, se colocan filtros de colores alternos sobre cada píxel y los colores se interpolan para producir una imagen a todo color. Al observar un patrón monocromático de alta frecuencia, los píxeles adyacentes con diferentes filtros de color pueden ver picos y valles en la señal respectivamente, y esto puede interpretarse (falsamente) como la presencia de diferentes colores en la entrada.

En la fotografía digital, el efecto muaré surge de la interferencia entre los detalles finos de la escena y la cuadrícula de sensores del sensor. También puede obtener un patrón muaré al reducir una imagen para mostrarla; en este caso, la interferencia ocurre entre los detalles finos de la imagen y la cuadrícula de píxeles en la pantalla.

De cualquier manera, puede obtener cualquiera (o más de uno) de varios efectos diferentes. Una es la aparición de líneas curvas incluso cuando los datos originales contienen solo líneas rectas. Por ejemplo, aquí hay una "imagen" sintetizada dibujada completamente con líneas rectas, pero con la apariencia de líneas curvas en casi todas partes:

En este caso, la apariencia de las líneas curvas ocurre principalmente debido a los "escalones" en las líneas que ocurren porque una línea diagonal se transforma en píxeles que se organizan en una cuadrícula horizontal/vertical. En la pantalla, se puede evitar (en gran medida) mediante el anti-aliasing: el anti-aliasing suaviza esas transiciones usando píxeles que están parcialmente iluminados. Si tuviéramos que mirar una pequeña sección de las líneas anteriores, una de las transiciones se vería así:

Esto se puede solucionar suavizando la línea, lo que ayuda a completar esa transición nítida con algunos valores intermedios de gris, algo como esto:

Ampliada de esta manera, la línea probablemente no parece mucho más suave, pero en tamaño normal hay (generalmente) una clara mejora. Aquí hay una muestra de tres líneas dibujadas en el mismo ángulo, la parte superior sin suavizado, y el medio e inferior suavizado con dos algoritmos diferentes:

La mayoría de las cámaras digitales hacen más o menos lo mismo, filtran la luz entrante de forma minuciosa , de modo que cuando la imagen original contiene transiciones nítidas como esta, una pequeña cantidad de luz se dispersará a los píxeles vecinos, de modo que puedan llenar los "escalones de la escalera" a poco, y cubrir las transiciones de manera similar.

Al dispersar la luz de esta manera, la imagen se desenfoca (minutamente), reduciendo el detalle visible. No importa qué cantidad de AA decida usar el fabricante, alguien no estará contento con él. Un potente filtro AA le asegura que no verá detalles que no estaban presentes en el original, pero pierde algunos de los detalles que estabanpresente en el original. Un filtro AA más débil le permite ver más detalles del original, a expensas de (posiblemente) ver lo que parece un detalle, pero que en realidad no está presente en absoluto en el original. Es esencialmente imposible producir un filtro AA "perfecto" que asegure contra cualquier posible detalle falso sin perder ningún detalle real. La mayoría se compromete, perdiendo un poco de detalle real, pero también permitiendo un pequeño detalle falso. Bastantes foros en línea tienen largas discusiones sobre qué tan fuerte es el filtro AA que se usa en una cámara en particular u otra, generalmente con la afirmación (al menos implícita) de que los filtros AA más débiles son mejores.

Durante mucho tiempo, todas las cámaras con sensores de tamaño APS-C (o más pequeños) incluían un filtro AA. Recientemente, sin embargo, se han introducido bastantes que no tienen ningún filtro AA o incluyen ópticas para anular su efecto. Por el momento (julio de 2017) estos incluyen:

• Nikon D7200, D5500, D5300 y D3300
• Pentax K3 II, KP, K-S2

La mayoría de las cámaras actuales con sensores de 35 mm también incluyen filtros AA. Durante mucho tiempo, las únicas que no eran las Kodak DSLR/n y DSLR/c. Luego, hace unos años, Nikon presentó la D800E. Esto no tenía un filtro AA ¹ y fue lo suficientemente exitoso como para iniciar una tendencia a omitirlos en algunas de las cámaras de gama alta, como:

• Canon 5DSR
• Nikon D810, D810A
• pentax k1
• Sony A7R, A7R II, A99 II

Nota: varias de las cámaras Pentax (con sensores APS-C y de fotograma completo) incluyen un modo de imagen de cambio de sensor, donde (con la cámara en un trípode) toma cuatro exposiciones con el sensor desplazado por el tamaño de un sensor bueno, por lo que recopila información a todo color en cada ubicación del sensor, eliminando la necesidad de (¿la mayoría?) De-mosaicing relacionado con Bayer.

Las cámaras digitales de formato más grande (p. ej., Leaf, Hasselblad, Pentax 645D, etc.) normalmente no tienen un filtro AA físico. Con estas cámaras, todo el procesamiento de AA se realiza en software. Dependiendo del software utilizado (y, a veces, de los parámetros proporcionados al software), muchos de estos pueden (y lo harán) producir detalles falsos que no están presentes en absoluto en el tema original.

El color falso está estrechamente relacionado. Considere una línea blanca extremadamente delgada en la imagen, pero es tan delgada que solo ilumina un sensor en cualquier punto dado a lo largo de la línea. En un sensor de diseño típico de Bayer, los pozos del sensor están dispuestos de modo que solo se detecte un color en una ubicación determinada. Dado que nuestra delgada línea blanca ilumina solo un pozo de sensor en cada punto, termina mostrándose como el color de ese pozo de sensor en lugar de mostrarse como blanco (lo que requeriría iluminar al menos tres pozos de sensor). El filtro AA también ayuda a prevenir este problema al dispersar la luz lo suficiente como para asegurar que cualquier luz entrante produzca una iluminación aproximadamente uniforme en suficientes pozos de sensores adyacentes para mostrarse como algo cercano a su color original.

Una vez más, sin embargo, el software de eliminación de mosaicos que intenta recuperar el máximo detalle puede (y a veces lo hará) deshacer esto hasta cierto punto. En el proceso de encontrar el detalle más fino, puede estrechar una línea hasta el punto en que actúa como si solo iluminara bien un solo sensor, y cuando lo haga, la línea tomará el color de ese sensor en lugar del color. color verdadero de la línea en sí, lo que requeriría la entrada de al menos tres pozos sensores. Diferentes algoritmos producen colores falsos en diversos grados, pero como regla general, los algoritmos que recuperan más detalles también tienen más probabilidades de producir colores falsos en al menos algunas imágenes.

^{1. Técnicamente, en realidad tiene un filtro AA, pero detrás tiene un segundo filtro para deshacer los efectos del filtro AA. Este método bastante indirecto es aparentemente algo más fácil de fabricar. Bastantes de las otras cámaras sin filtro AA hacen lo mismo.}

Y no es solo un artefacto de imagen. Puede ocurrir siempre que las líneas finas en una orientación se crucen con las líneas finas en otra orientación. Es común en telas donde los espacios entre los hilos son más grandes que los hilos, lo que permite que la luz los atraviese e interactúe con el patrón de hilos en otras partes de la tela.

El muaré en esta tela es realmente visible a simple vista y no solo a una cámara.

Moiré es un patrón de interferencia . En fotografía muchas veces se nota en el detalle fino de la ropa de una mujer, o en un patrón repetitivo en arquitectura.

El muaré puede ser causado por una escena que contiene áreas con detalles repetitivos que exceden la resolución de la cámara.

Los filtros antialiasing reducen o eliminan el muaré, pero también reducen la nitidez de la imagen.