door Johan Vanhauwaert

Inleiding

In 2001 perfectioneerden Tom Malzbender en Dan Gelb een vorm van fotografie die reeds eerder werd toegepast maar waaromtrent geen duidelijke richtlijnen of afspraken waren gemaakt. De praktische toepassing was gekend doch werd niet in een theorie gegoten of verder ontwikkeld.
Uit de gewone fotografie is het begrip "raaklicht" bekend en duidt op een belichting die evenwijdig met het onderwerp of in een zeer schuine hoek de extreme randen belicht. Zo worden ondermeer losse haren van modellen, of profielranden uitgelicht. Op het gebied van de schilderijrestauratie is de term "scheerlicht" geen onbekende. Het is de belichting die onder een zeer scherpe hoek het schilderijoppervlak belicht waardoor opstaande verfklodders en oneffenheden duidelijk opgemerkt worden.

In een nog extremere vorm werd het principe van de schuine belichting of herkenning van randen, “edge detecting” toegepast in de transmissie- electronenmicroscopie. Teneinde virussen herkenbaar in beeld te brengen werden ze in een luchtledige ruimte bestoven met een legering van platina-goud-iridium. (Een draadje van deze legering werd in een hoogvacuum onder stroom gezet waarbij deze draad gloeide en verdampte. Door de hoge energetische waarden werden ultramicroscopische onderwerpen zoals virussen en bacteriën beschoten en bestoven onder een kleine hoek). Aan de hand van de scherp afgetekende grenzen tussen onderwerp en schaduw kon de uiterlijke morfologie van ultra kleine virussen worden waargenomen en vastgelegd in een transmissie electronen- microscoop (1973).

Nu, in het jaar 2015, houdt de organisatie CHI (Cultural Heritage Imaging) het principe van de meervoudige belichting en verwerking uitgebreid in de media; door een uitgebreid repertorium op het web aan te houden (http://culturalheritageimaging.org). Wat eerst door Malzbender werd ontwikkeld bij Hewlett Packard, als Polynomial Texture Mapping (PTM); werd vereenvoudigd en geïncorporeerd onder de algemene noemer: Reflectance Transformation Imaging (RTI).

Wat is RTI?

Het wordt te complex om hier in een paar woorden de totaliteit van RTI uit te leggen. In hoofdzaak komt het neer op het in serie fotograferen van een onderwerp of voorwerp met (van 30 tot 264) identieke lichtbronnen die onder een welbepaalde hoek maar op dezelfde afstand van het onderwerp afstaan. Men bekomt aldus een foto waar men met een soort van Joystick de foto (via een bol- afbeelding) kan aflopen waarbij de belichting volgens de gekozen plaats verandert. Op die manier kan men een voorwerp volledig aftasten met een lichtbron en aan de hand van beschaduwing en lichtval kan men heel wat detaillering zien die bij een vlak- foto of normaal genomen foto helemaal niet of uiterst summier opgemerkt zouden worden.

Praktisch gezien: met één foto en één belichting in de gewone fotografie verkrijgt men een "vlakke" foto waardoor  detaillering in de diepte wordt uitgevlakt en aldus bijna niet kan worden opgemerkt. Met behulp van RTI fotografie kan men de belichting op het voorwerp sferisch verplaatsen waardoor men een maximum aan detaillering in de diepte kan waarnemen. Van de beste licht-opstelling kan dan een foto worden genomen.

Het principe van RTI fysisch bekeken

In de optica geldt de regel dat een  lichtstraal die een voorwerp raakt, reflecteert onder dezelfde hoek als de opvallende straal.

De figuren zijn geen exacte beschrijvingen of tekeningen met gegevens volgens de optische formules. Hier wordt louter een eenvoudige voorstelling bedoeld van enkele normalen (n1-n2-n3) en onbenoemde normalen (nx), enkele invallende stralen (i1-i2-i3) en uitvallende stralen (u1-u2-u3). Het oog beperkt zich eveneens niet tot de voorgestelde “ooglijnen” (o1 en o2). In feite zijn er miljarden van deze “fotonen” die het geheel uitmaken van licht, lichtstralen (in -en uitvallende) en lichtintensiteiten. De in- en uitvallende stralen gelegen binnen het gezichtsveld of tussen de “o1 en o2” bepalen in grote mate wat we scherp zien en wat voldoende wordt belicht. De intensiteit naar scherpte en belichting neemt geleidelijk af naarmate ze buiten ons gezichtsveld af liggen.

Volgens dezelfde regel uit de optica vloeit voort dat een foto- opname enkel die lichtstralen zal reproduceren die loodrecht  ("de normalen") op het vlak van het voorwerp vallen, want die worden loodrecht naar de lens gereflecteerd. Alle andere lichtstralen (in- en uittredende lichtstralen) die in een hoek op het voorwerp vallen, zullen verbogen worden, enigszins gecompenseerd door de vorm van de cameralens, maar zullen tenslotte een zwak vertekend beeld  geven en aldus aan detaillering en lichtintensiteit verliezen. Met onze ogen kunnen we dit fenomeen praktisch niet waarnemen daarvoor compenseren onze ogen deze tekortkomingen te goed.

RTI fotografie steunt op het principe van  het “virtueel vlak” door het veranderen van de plaatsing van de lichtbron. Alle invallende stralen (i1-i2-i3) worden als uitgaande stralen (u1-u2-u3) op het virtueel vlak scherp gesteld door het wijzigen van de lichtbron. Uiteraard gaat dit ten koste van vertekeningen teweeggebracht door de verplaatsingen van de stralen. Hierbij blijven alle hoeken gevormd door invallende en uitvallende stralen met de normalen, eenzelfde grootte van hoek behouden: de hoek “alfa”.

Op dit principe is RTI volkomen gericht. Dank zij de verplaatsbare lichtinval kunnen de "normalen" opgemerkt worden over het totale voorwerp en over het ganse reliëf waardoor detailleringen en veranderingen in het reliëf uiterst gevoelig kunnen worden bekeken en worden weergegeven. Foto’s kunnen genomen worden bij elke lichtinstelling, waardoor het instellen van het scherptediepte-vlak  uiterst precies kan worden weergegeven.

Door middel van het invoeren van een andere parameter: de zogenaamde .ptm fitter, kan dit proces zelfs zo kritisch worden ingesteld dat veranderingen door kunnen worden gevoerd op pixelniveau, naar scherpte en naar kleur.

 

Het “Escher- effect”

In de RTI fotografie hebben we ook met het volgende verschijnsel af te rekenen: een positieve afduk van een trilobiet (dus "bol") kan bij het bewegen van de lichtinval tijdens een RTI sessie in een negatieve afdruk (dus "hol") veranderen. Onze ogen kunnen veel; maar deze kritische instelling van de lichtinval kunnen ze niet onmiddellijk duiden of een plaats geven.
Het effect zouden we best kunnen omschrijven als het Escher-effect.
(M.C.Escher, een Nederlandse kunstenaar maakte veel tekeningen en etsen waarbij in de afbeeldingen niet duidelijk was of een trap vb. omhoog dan wel omlaag liep binnen een bepaald gebouw; gezichtsbedrog, door een bepaald onjuist perspectief in de tekening te verwerken. (http://www.mcescher.nl).

Dit verschijnsel doet zich ook voor, zowel bij positieve als bij negatieve afdrukken. Door het ontbreken van enige scherptediepte is de uittredende “alfa”- hoek in feite niet meer te zien. Er is dus geen aanduiding of we nu een verdiept reliëf dan wel een verhoogd reliëf moeten zien.
Dit verschijnsel kan zich ook voordoen bij het bekijken van bepaalde foto's van trilobieten in boeken. Men ziet alternerend een bolle afbeelding (positieve afdruk) en een holle afbeelding (negatieve afdruk). Hier is de lichtinval bij het nemen van de foto, onbedoeld, uiterst scherp ingesteld: een opvallende vorm van belichting waarbij onze ogen geen duidelijk dieptezicht kunnen waarnemen.

Het nut van RTI

RTI fotografie wordt op heel wat gebieden van de wetenschappen toegepast of maakt er een essentieel deel van uit. Microscopie, geologie, paleontologie, kristallografie, archeologie, kunst enz. zijn allemaal gebieden die gretig gebruik maken van RTI toepassingen.

Een uiterst interessant en prachtig voorbeeld van deze toepassing ligt op het gebied van de Cuneiforme teksten en zegels. Dit is het archeologisch en taalkundig gebied dat het spijkerschrift en zegels van het Oude Assyrië  en Mesopotamië bestudeert.

Het spijkerschrift dat door middel van een "stylus" (In dit geval: een stift met een scherp afgebakend eindigend driehoekig uiteinde) in een verse kleitablet werd gedrukt; teneinde een tekst te formuleren is soms moeilijk lees- en al zeker moeilijk fotografeerbaar. Deze teksten worden tussen universitaire centra uitgewisseld maar indien ze niet goed lees- of fotografeerbaar zijn wordt dit een uiterst moeilijke zo niet onmogelijke opdracht. De tabletten of zegels zijn daarbij zeszijdig of rond en het lezen van de teksten wordt daardoor nog meer bemoeilijkt.

Alles komt hierbij neer op de instelling van de lichtbron die het reliëf en de scherpte van de indruksels moet waarmaken.

De PLD (Portable Light Dome) van de KU Leuven

Het systeem ontwikkeld en in gebruik door Hendrik Hameeuw, Geert Willems, Luc Van Gool en Karel Van Lerberghe in de KU Leuven is werkelijk fenomenaal. Ze ontwierpen een draagbaar of verplaatsbare hemisfeer (PLD of Potable Light Dome) dat in staat is om door middel van 264 Led's (LED of Light Emitting Diode) in nauwelijks vier minuten tijd 264 beelden te maken en dit volledig geprogrammeerd. Gedurende de volledig geautomatiseerde opname licht elke LED afzonderlijk op en een totaal van 264 beelden met verschillende belichtings- invalshoeken worden opgeslagen. De beelden worden doorgestuurd naar een laptop die met een eigen softwareprogramma een 2D beeld aanmaakt. Op een gegenereerd beeld worden oriëntatie, kleur en richting van elke pixel van het voorwerp vastgelegd en toonbaar gemaakt. Tenslotte kan een 3D beeld gegenereerd worden dat uiterst handig is voor het bestuderen van de teksten en zegels.

Foto 1. H. Hameeuw met de PLD van de KU Leuven aan het werk in de Koninklijke Musea voor Kunst en Geschiedenis.

Een gebruiksvriendelijke afbeelding is te zien op: www.minidome.be
Op de HOME pagina is het toestel of de PLD te zien en wordt het principe uitgelegd. Op de 3D link (bovenaan midden rechts) ziet men heel wat toepassingsgebieden die met het toestel kunnen worden gerealiseerd. De Webviewer link (bovenaan uiterst rechts) laat ons zelf experimenteren met een bepaalde afbeeldingen. In casu: Een oude zegel (Vb1) en een waszegel (Vb2). Voorbeeld 2 met het was- of lakzegel lijkt ons hier een zeer interessant voorbeeld.
Klik het tweede icoontje aan en beweeg de gele conus over de afbeelding. Gaat men in het midden van de zegel staan dan treft men daar weinig tot geen details aan. Beweeg met de muis de conus naar omhoog; dan verschijnen er heel wat details. Rechts in beeld staan parameters waarbij men wat meer mogelijkheden verkrijgt: van zwart-wit afbeeldingen tot schetsen van de afbeelding.

Met dit toestel werd door de Heer Hameeuw H. een beeld opgenomen van de trilobiet Illeaenus sp., (aangebracht door de auteur; nvdr: het gaat wellicht om een Septimopeltis sp.) die we hebben bekeken en daar een voorbeeld van hebben opgemaakt als : illaenus-sp.cun. Aan de liefhebbers stuur ik dit bestand graag door en dan kunnen ze dit bekijken door bovenaan op de “Open local file” te drukken en dan de toegestuurde “illaenus-sp.cun” te openen. Door deze toepassing werden de kleinere stekels op het staartstuk (pygidium) van de trilobiet duidelijk zichtbaar. Zie verdere foto’s.

Hoewel de site nog onder constructie is zijn de resultaten werkelijk denderend te noemen.
Voor geïnteresseerden kunnen we volgende litteratuur aanraden:

Academia

https://portablelightdome.wordpress.com/tag/publications/

https://lirias.kuleuven.be/cv?u=u0045269

Foto 2. De PLD klaar voor opnames

Foto 3. Een binnenaanzicht van de PLD met de plaatsing van de LED’s.

Foto 4. Een totaal zicht op de LED’s in actie.

Ontwikkeling van een eigen SLD (Static Light Dome) door Johan Vanhauwaert.

Hardware

Het was duidelijk dat een hemisfeer zoals ontwikkeld door de KUL onmogelijk kon worden aangeschaft voor privaat doeleinden wegens de aanzienljke kosten van hard –en software. Het Paleontologisch Instituut (laboratorium) in Brussel:“Scientific Service of Heritage, Royal Belgian Institute of Natural Sciences , Vautier street 29” beschikt eveneens over een dergelijk toestel. De ontwerpers zouden eraan denken om deze ook beperkt in de handel te brengen. Over de hele wereld wordt deze PLD toegejuicht hoewel de kritische noot hier luidt dat de software wel van een heel aparte soort is en strikt in eigen beheer van de KUL wordt gehouden.
De SLD ontworpen in eigen beheer is in feite toegespitst op statisch onderzoek waarbij het onderwerp statisch blijft en belichtingsconstanten worden ingevoerd.

Het is een sfeer van 80 cm diameter, 40 cm hoog waarin 60 gaten zijn geboord van 1cm diameter. Voor de sfeer werd gekozen voor zwart plexiglas van 6mm. De gaten zijn geboord volgens een speciaal patroon gebaseerd op gegevens van CHI (Cultural Heritage Imaging). De sfeer werd vervaardigd in Luik door de firma: “Plexiparts, Rue de l’Hippodrome, 131 à 4000 Liège. Bovenaan is een opening van 10 cm voorzien voor de lens van de camera, en vier symmetrische gaten van 4,0 cm voor de opvallende gewone belichting met Balled Pro lampen. Voor deze sfeer waren drie sferen nodig vooaraleer de gaten mooi epicentrisch geboord waren zonder de sfeer te breken. De binnenkant van de sfeer werd gezandstraald om deze te matteren. De belichting voor de RTI opnames gebeurt door een flexibele lichtkabel bestaand uit glasvezels van 1,5 meter lengte. Op het kopgedeelte werd een conus gemaakt waardoor de lichtgeleider epicentrisch wordt gericht, steunend op het omringende plexigedeelte, (Zie foto 7). Voor de centrering van de camera wordt gebruik gemaakt van een laserpen met paars of lila licht (geeft een duidelijk mindere straaldiameter en is wat zwakker naar het aantal mW, waardoor geen gevaar voor de ogen bestaat).

Foto 5. de afgewerkte SLD van Johan Vanhauwaert.

Het onderwerp dat we willen fotograferen wordt via kneedgum gehecht op een plaatje dat op een “Tilt”-“Lift” systeem wordt vastgemaakt. Het onderwerp kan met een handbediening gedraaid worden over 360° en kan naar omhoog en omlaag worden bewogen over 30°. Dit geheel is dan weer vastgemaakt op een “Lab-Jack” waardoor de hoogte kan worden ingesteld om het onderwerp in focus te brengen met de begeleidende sferische ballen, (Zie foto 8).
Het optische midden van de lens-opening wordt bepaald door een laserpen te richten in het midden van de lens-uitsparing van de plexi- sfeer (Zie foto 06). Deze laserpen belicht eveneens gedetailleerd de cördinaten van het onderwerp dat we willen fotograferen. De stoppen die in de openingen van de plexi- koepel aanwezig zijn hebben geen effectief nut maar dienen om praktisch de voortgang van de opnamen te memoriseren. Voor het fotograferen zelf wordt gebruik gemaakt van de manuele stand en de software van Helicon- Remote. De gebruikte lenzen zijn macro- objectieven van Nikon (60mm) en van Sigma (50mm,105mm en de 150mm).

Foto 6. De opening voor de camera en de vier Balled Pro Led montage.

Foto 7. De plaatsing van de lichtvezeloptiek.

Foto 8. De opname- tafel.

Een fotosessie bij de PLD is afgerond binnen de vier minuten waarbij 264 beelden worden gemaakt. Een fotosessie met de SLD wordt afgerond op 10 minuten waarbij 60 beelden worden gemaakt.
Volgens de CHI moeten er per fotosessie twee sferen (zwarte of rode ballen) met glanzend oppervlak in het beeld mee worden opgenomen. Deze moeten op dezelfde hoogte en binnen het cameraveld van het onderwerp vallen. Daar de gebruikte SLD dienst doet als een statische eenheid en de belichting identiek blijft voor de diverse sessies wordt gewerkt aan een automatisatie met sferen uit metaal (kogels) en geïntegreerde belichtingen. (De belichting van de sferen induceert de berekening voor de positie van de belichting binnen de software van de CHI). Proeven werden genomen met biljartballen en kralen, zwarte en rode om de grootte aan te passen aan het te fotograferen veld.
In onderstaande websites wordt deze werkwijze nader omschreven.

The RTI Workflow: What You Need.
GUIDE TO HIGHLIGHT IMAGE CAPTURE (PDF)

Software

De RTI Builder

De eerste software die gebruikt wordt binnen de toepassingen voorgeschreven door CHI is de RTI Builder 2.0.2 (binnenkort wordt versie 3.0 verwacht).
In deze software worden de genomen beelden ingevoerd. Het proces waarop dit dient te geschieden is strikt na te leven want in het forum zijn menigvuldige klachten opgenomen van verkeerd georiënteerde beelden die het etiket meekrijgen: “The jpeg-exports folder is missing in your project directory.”
Er wordt de keuze geboden om de HSH Fitter of om de PTM Fitter in te schakelen. De tweede geeft heel wat meer mogelijkheden om het uiteindelijke beeld te bekijken (scherper maken, tekening maken enz.).
Nadat de beelden met succes zijn ingevoerd wordt één van de twee sferen nauwkeurig geselecteerd en daarop worden de lichtpunten over de genomen bestanden gezocht. Een eindbeeld toont de verdeling van deze lichtpunten over de gekozen sfeer: “blenderimage”
Hierop worden de “Highlights” op alle beelden van het onderwerp geprojecteerd.
In een volgende stap wordt gevraagd om het beeld te croppen en de toepassing voor het eindbeeld uit te voeren.
In de map “projectFolder” waarin je beelden zijn opgeslagen als “jpeg-exports” en “original-captures” worden nu automatisch de mappen “finished-files” en “assembly-files” bijgemaakt. In de map”finished-files” wordt nu een bestand aangemaakt met extinctie: .rti en dat bestand hebben we nu nodig om in te voeren in een volgend software programma: de “RTIViewer”

Process: RTIBuilder Download Version 2.0.2 voor Mac en Windows
 

De RTI Viewer

In dit programma kan men nu het bekomen .rti bestand invoeren. Naarmate men gekozen heeft voor de één of de andere fitter kan men het beeld bekijken zoals aangegeven voor de website van www.minidome.be.
Gebruikt men de HSH Fitter algoritme in de RTI Builder dan heeft men bij het bekijken van de beelden heel wat minder mogelijkheden dan met de PTM Fitter algoritme. (De minidome PLD van de KUL gebruikt uitsluitend een PTM Fitter.)
Nadat men met een soort joy-stick over een sfeer de belichting op het voorwerp heeft aangepast bestaat de mogelijkheid om daarvan opnames vast te leggen in een zelf te kiezen map. Na downloaden van de RTI Viewer kan men enkele voorbeelden zelf bekijken gegeven door CHI zoals hieronder via de links te downloaden.
RTIViewer Version 1.1

Voorbeelden : zie onder Example Files

1. Papyrus: “Ancient Papyrus.zip (6 MB) Ancient Papyrus from the Bancroft Library”

2. Rock Art Petroglyph.zip (4.8 MB) Legend Rock State Park in Wyoming

Andere voorbeelden van trilobieten, na aanvraag bij: johan.vanhauwaert (at) telenet (dot) be (beperkte collectie tot op heden).

 

Resultaat

Hierbij drie foto’s van dezelfde trilobiet: Illaenus sp., maar met de diverse technieken.

Stacking Fotografie

Op de foto zijn geen duidelijke details te zien aan het staartgedeelte van de trilobiet. De belichting gebeurde met vier Balled Pro LED lampen gedempt door opake schermen. De LED’s waren symmetrisch ten opzichte van elkaar opgesteld en belichtten de trilobiet schuin van bovenaf.

Foto 9. Illaenus sp. Opgenomen met “Stacking Fotografie” (40 foto’s).

PLD van de KUL

Op de foto zijn duidelijke verwijzingen naar de stekels op het pygidium van de trilobiet. In een bijkomend gedeelte via de tekening zijn deze stekels duidelijk zichtbaar. De conus en de kubus op de foto zijn de aanduidingen voor de sferische belichting. Deze foto werd automatisch opgenomen met 256 alternerend oplichtende LED’s, in vier minuten tijd (nabewerkingen via de eigen KUL- software inbegrepen).

Foto 10. Illaenus sp. Opgenomen met de PLD van de KUL.

SLD van Vanhauwaert Johan

Op de foto zijn eveneens zeer duidelijk de stekels op het pygidium van de trilobiet zichtbaar. Deze foto werd manueel opgenomen met 60 lichtinstellingen met een lichtvezel- optiek (Halogeen 150 W) in tien minuten tijd (nabewerking via de CHI software niet inbegrepen).

Foto 11. Illaenus sp. Opgenomen met de SLD van Vanhauwaert Johan.

door Johan Vanhauwaert