Tutorial sobre Panoramas Esféricos

Introdução

Se já alguma vez viu um pamorama esférico já se terá apercebido que a sensação é semelhante à de estar no local e poder dirigir o olhar em todas as direcções à sua volta.

É como estar no centro de uma esfera oca podendo ver a sua superfície interior em todas as direcções. De facto um panorama esférico não é mais que uma "esfera virtual" composta por várias fotografias individuais (planas) e tanto pode ser composto por poucas fotos (4 ou 5, usando uma objectiva do tipo "olho-de-peixe") como por... centenas de fotos (usando uma teleobjectiva).

O processo de criação de um panorama esférico é o inverso do usado para produzir um planisfério p.e. da superfície da Terra; mas, em vez de planificar uma esfera o que pretendemos aqui é... "esferizar" um plano (o conjunto, plano, das nossas fotografias individuais). Esse processo será executado por um programa no seu PC.

Um exemplo:

1. Panorama equirectangular

O panorama acima é composto por 32 fotos individuais: uma do zénite (Z, a +90º), uma do nadir (N, a -90º) e 3 filas de 10 fotos cada: uma fila a +45º, uma a 0º (horizontal) e outra a -45º. Na imagem pode ver-se a cobertura (e a "esferização") de algumas das fotos individuais que compõem o panorama.

Estas fotos foram devidamente alinhadas entre si antes de se poder criar o panorama: uma projecção equirectangular (o equivalente a um planisfério) que deverá ter, obrigatoriamente, uma relação de 2:1 entre a largura e a altura (p.e. 6000x3000 ou 8000x4000 pixels).

Uma introdução à terminologia

Antes de iniciar a exposição talvez seja conveniente familiarizar-se com os termos técnicos envolvidos...

full frame - Tamanho do sensor de 24x36mm (igual ao dos antigos negativos/slides em filme de 35mm)
APS-C - Tamanho do sensor na grande maioria das máquinas digitais actuais; herdado do antigo formato APS em filme, existe nalguma variantes com tamanhos ligeiramente diferentes
crop factor - Factor de conversão (por vezes também referido como "Focal Length Multiplier"
equirectangular - tipo de projecção com dimensões num relação 2:1 a partir da qual se constrói o panorama esférico; um planisfério da Terra é uma projecção equirectangular
HFoV (Horizontal Field of View) - Campo de visão horizontal; mede-se em graus
VFoV (Vertical Field of View) - Campo de visão vertical; mede-se em graus
pupila de entrada - Ponto situado no interior da objectiva e em torno do qual deve girar o conjunto máquina/objectiva de forma a que as imagens não apresentem diferenças de perspectiva causadas pela paralaxe; também é muitas vezes referido como NPP ("No Paralax Point")
ponto nodal - Diferente da pupila de entrada é muitas vezes referido (erradamente!) como o ponto de rotação da máquina
stitch - encadeamento das fotos
Zénite - ponto verticalmente acima do observador/fotógrafo; neste âmbito refere-se à foto tirada para cima, a +90º
Nadir - ponto verticalmente abaixo do observador/fotógrafo; neste âmbito refere-se à foto tirada para baixo, a -90º

O equipamento necessário

1. Máquina fotográfica digital (essencial)

A máquina tem que ser, obviamente, um modelo digital. Um factor determinante é o tamanho do sensor da sua máquina que, na grande maioria dos casos - a menos que seja o feliz proprietário p.e. de uma Canon "topo-de-gama" com um sensor full frame de 24x36mm - terá provavelmente um sensor de dimensões menores e - a menos que use uma objectiva APS-C - terá que levar em consideração o respectivo crop factor. Isso implica que o campo de visão (FoV) real das fotos tiradas com uma determinada objectiva standard (não APS-C) seja menor que o produzido pela mesma objectiva quando montada numa máquina "full-frame".

2. Formatos habituais dos sensores

2. Lente (grande-angular ou "olho-de-peixe" recomendadas)

Embora seja muito mais prático usar uma lente com uma distância focal reduzida, como uma grande-angular ou mesmo uma "olho-de-peixe" (8 ou 12mm), pode-se usar qualquer tipo de lente. O que vai variar (e muito) será a quantidade de fotos individuais necessárias para cobrir os 360º de um panorama esférico. E consequentemente a carga de trabalho no PC para alinhar correctamente um maior número de imagens.

Uma objectiva normal de 17mm montada numa máquina c/ sensor APS-C (crop factor de cerca de 1,6x) produz uma imagem equivalente a uma lente de 27mm (17mm x 1,6). Isso implica que sejam necessárias mais fotos para cobrir os 360º de um panorama.

Um exemplo concreto:

Esta objectiva, quando usada numa máquina com um sensor APS-C (com um crop factor de 1,6), transforma-se numa 27-64mm. E quando usada p.e. no zoom de 17mm (27mm) o seu campo de visão vertical (VFoV) de 70º fica reduzido a apenas 48º.

Nota: Refiro o VFoV porque as fotos para um panorama são (desejavelmente) tiradas "ao alto" (na orientação portrait) e não na orientação normal (landscape); daí que o que interessa considerar no cálculo da quantidade de fotos para cobrir (horizontalmente) um panorama de 360º seja o VFoV e não o HFoV. Por outro lado, sendo as fotos tiradas "ao alto", então a quantidade de "filas" de fotos horizontais necessárias para cobrir os 180º da altura do panorama será determinada pelo HFoV efectivo.

Neste ponto poder-se-ia pensar que se o VFoV é de 48º então deveriam ser necessárias 8 imagens para cobrir os 360º de um panorama (porque 360º/48º=7,5). No entanto, é absolutamente essencial que haja alguma sobreposição entre as imagens consecutivas de forma a que seja possível encontrar pontos de controlo que permitam o seu alinhamento. É frequente a recomendação de que exista uma sobreposição de cerca de 25% da largura de cada imagem. Daí que, neste caso, as fotos devam estar separadas entre si por 36º (e não por 48º).

Ou seja,

1,6x = 32 fotos (mínimo)

Z + 10 imagens a +45°v (uma/36°h) + 10 imagens a 0°v (uma/36°h) + 10 imagens a -45°v (uma/36°h) + N

Notas: Z = Zénite (+90ºv); N = Nadir (-90ºv)

Se a máquina for full frame

Full frame = 18 fotos (mínimo)

Z + 8 imagens a +30°v (uma/45°h) + 8 imagens a -30°v (uma/45°h) + N

E no seu caso ? Quantas filas de quantas fotografias e com que separação angular poderá construir o seu panorama ?

A forma mais rápida, sem ter que maçar muito a cabeça como o que expuz atrás, é consultar uma base de dados das objectivas das marcas mais difundidas no mercado, p.e. esta: Panoramic Photo Lens DB.

Ou então, se não encontrar a sua objectiva na BD atrás referida ou pretender usar uma distância focal para a qual não é indicado o FoV (no caso das odjectivas zoom a BD indica apenas os FoV para as distâncias focais mínima e máxima, fazer o download deste XLS (Excel) que criei para calcular qualquer FoV de qualquer objectiva rectilinear (não as "olho-de-peixe"). Clique na tabela abaixo.

3. Tripé com cabeça panorâmica (recomendado)

Apesar de ser possível dispensar o uso de um tripé, tirar as fotos com a máquina nas mãos e confiar nas capacidades do programa que irá fazer o alinhamento... é recomendável que a máquina seja montada num tripé minimamente sólido. De contrário deverá ter o cuidado de (tentar) manter a máquina na mesma posição. Isso pode ser relativamente bem conseguido com uma objectiva "olho-de-peixe" (que permite cobrir os 360º com apenas 3 ou 4 fotos horizontais) mas torna-se muito mais difícil com objectivas de maior distância focal. E os programas, mesmo com fotos tiradas com o auxílio do tripé, podem ter manifestas dificuldades no alinhamento automático das imagens.

Mas um tripé com uma cabeça normal não é apropriado. É necessária uma cabeça panorâmica apropriada que possibilitará girar a máquina em torno da pupila de entrada da objectiva de forma a evitar qualquer efeito de paralaxe (que depois iria dificultar o correcto alinhamento das imagens). Para montar a máquina na posição correcta pode ver-se no YouTube uma excelente demonstração de uma forma fácil de executar esta tarefa.

Existem no mercado várias marcas e modelos de cabeças panorâmicas mas normalmente são relativamente caras. Dois exemplos apenas:

a) Panosaurus ($90 USD) - (http://gregwired.com/pano/Pano.htm)

b) NODAL NINJA (desde $330 USD) - (http://www.nodalninja.com)

E se estiver disposto a gastar mais um pouco, um rotor com ressaltos entre cada intervalo angular - que se instala entre o tripé e a cabeça panorâmica - pode valer bem a despesa; principalmente se tiver que - como é provável - tirar dezenas de fotos para compor o seu panorama.
Para não ter que estar a controlar visualmente os graus de intervalo gravados na basa da cabeça entre cada foto horizontal. O que se torna rapidamente numa preocupação fastidiosa e bastante sujeita a erros.

E já agora... um cubo nivelador - que se monta na sapata do flash da máquina - dá imenso jeito. Embora o seu tripé possa ter um nível de bolha e a cabeça também, este nivelador dará uma informação mais verdadeira uma vez que está montado no próprio corpo da máquina. E principalmente é de uso muito mais fácil porque tem 3 bolhas.

c) Rotor RD16 ($200 USD), RD8 ($150 USD) ou RD4 ($130 USD) - (http://www.nodalninja.com)

5. Nodal Ninja 5, Rotor RD16 e cubo nivelador

A captura das imagens

Agora que já sabe qual o material necessário é altura de começar a captura das imagens. E para isso há uns detalhes muito importantes, mesmo essenciais, que se podem resumir numa frase:

Desligue todos os automatismos da sua máquina !

AWB (Automatic White Balance) - Não use; seleccione a opção apropriada à situação (sol, sombra, iluminação artificial, etc)

AF (Auto Focus) - Não use; foque manualmente (normalmente para infinito ou lá perto dependendo da situação

AE (Auto Exposure) - Não use; coloque a máquina em manual e seleccione a abertura e a velocidade apropriadas

Um conselho:

1. coloque previamente a máquina em modo automático de "Prioridade à abertura (Av)",
2. seleccione a abertura com que pretende fotografar o panorama (f8, f11 ?),
3. percorra o assunto a fotografar verificando quais os valores mínimo e máximo que são indicados para a velocidade e calcule um valor médio,
4. volte ao modo manual e seleccione o valor médio que determinou para a abertura pretendida

Agora - desejavelmente com a máquina montada na cabeça panorâmica do seu tripé - é só tirar as fotos necessárias. Sem esquecer de tirar uma foto do Zénite (a +90º) e outra do Nadir (a -90º). Se a primeira pode (e deve) ser tirada com a máquina ainda montada no tripé, a segunda tem uma particularidade óbvia: se não desmontar a máquina a foto vai incluir as pernas do tripé, a cabeça panorâmica, e as respectivas sombras...

Não se preocupe...
... (1) vire a máquina para baixo, (2) memorize aproximadamente a altura e, principalmente, a orientação da máquina, (3) desmonte-a da cabeça, (4) retire o tripé do sítio e (5) fotografe o chão com a máquina na mão e os braços esticados apontando para o ponto abaixo do qual estava o centro do tripé. Tente afastar os seus próprios pés o mais possível.
Não se preocupe demasiado com a precisão no ponto (2). Como verificará, o programa que irá usar no seu PC faz maravilhas.

O software necessário

Existe actualmente alguma variedade de programas para a criação de panoramas esféricos. Vou limitar esta exposição aos dois que utilizo:

1. Hugin (freeware) para o alinhamento (stitch) das fotos e criação de um panorama equirectangular

2. Pano2VR (proprietário) para a criação do panorama VR (em formato Flash ou Quick Time)

A menos que tenha usado uma objectiva "olho-de-peixe", cuja abrangência permite apanhar detalhes em todas as (poucas) fotos individuais, este será com certeza o passo mais demorado. E o mais crítico.
Trata-se de conseguir alinhar as inúmeras fotos sem deixar desalinhamentos entre elas. Embora o software consiga normalmente dar conta do recado também acontece por vezes que - nomeadamente se o seu panorama incluir imagens sem quaisquer detalhes (p.e. exclusivamente de céu limpo) - se torne necessário fazer alinhamentos manualmente.

É nesta fase que se revela a importância de ter usado uma margem substancial (mín. 25%) de sobreposição entre as fotos adjacentes.

Hugin

Sem pretender entrar aqui numa discussão detalhada sobre todas as funcionalidades e opções deste software (que além de poderem ser encontradas na web, envolvem matéria suficiente para desenvolver uma autêntica tese de mestrado sobre o assunto).
Limito-me a apresentar os passos essenciais usando um exemplo específico, usando uma máquina Canon com sensor APS-C (1,6x) e uma objectiva Canon 17-40mm na distância focal de 17mm (27mm).

O ecrã principal do Hugin (Assistant) apresenta 3 botões que representam os passos principais que pretendemos executar:

1. Load Images... (Carregar Imagens)
2. Align... (Alinhar)
3. Create panorama... (Criar panorama)

6. Assistant

Depois de ter clicado na opção "1.Load Images..." e seleccionado as 32 fotos que irão compôr o panorama, o programa preenche automaticamente os campos "Focal length" e "Focal Length Multiplier" (crop factor) que obteve a partir do EXIF das fotos. Certifique-se de que o crop factor corresponde ao valor apropriado que determinou para o sensor da sua máquina.

Depois de ter usado pela primeira vez a opção "2.Align..." as fotos são numeradas automática e sequencialmente pelo programa. A foto #30 é a do Nadir e a #31 é a do Zénite. Como se pode constatar o programa não conseguiu interpretar correctamente a posição a dar à foto 31 (Z) porque ela contém apenas um céu com nuvens, sem grande detalhe que o programa pudesse usar para a alinhar com as outras fotos. Esta é uma situação que vai ocorrer com muitíssima frequência porque, ao fazer um panorama no exterior, normalmente a única coisa que há acima de nós... é o céu!

Uma possibilidade neste ponto seria, tal como o programa recomenda, usar o ecrã "Control Points" para criarmos manualmente alguns pontos de controlo entre esta imagem e as suas adjacentes (#10 a #19). Mas como esse processo (que veremos adiante para outro par de imagens) seria difícil mesmo para nós quando, como é o caso aqui, não existem pontos que possam servir de controlo para o alinhamento das imagens, vamos tentar primeiro outra abordagem: usar o ecrã "Images" para corrigir manualmente os parâmetros de alinhamento da foto #31.

O alinhamento através de Yaw / Pitch / Roll

7. Images

Convém fazer aqui um pequeno intervalo para explicar como funcionam estes 3 parâmetros. E como uma imagem vale por mil palavras...

8. Yaw, Pitch e Roll

Agora já é possível perceber a razão dos valores que foram indicados:

yaw (y) = 0
pitch (p) = 90
rol (r) = -91,6

O yaw é o intervalo angular a que foram tiradas as fotos (neste exemplo, foto #0 a 0º, foto #1 a 36º, foto #2 a 72º, ...). Lembra-se de eu ter dito atrás, em relação à foto do Nadir tirada à mão, para "memorizar aproximadamente a altura e, principalmente, a orientação da máquina" ? Eu memorizei a orientação da foto #0 (a primeira tirada na horizontal) e sei que a do Zénite foi tirada aproximadamente na mesma orientação. Daí que possa usar o mesmo valor: zero.

O pitch é a inclinação vertical da máquina. Para este panorama foram tiradas 10 fotos horizontais com pitch=0º, 10 com +45º, 10 com -45º, a do Nadir com pitch= -90º e esta do Zénit terá, obviamente, um pitch de +90º.

O roll é a rotação horizontal da máquina (em torno do eixo da lente). Como as fotos foram tiradas com a máquina "ao alto" (em orientação portrait) o valor do roll deve ser cerca de +90º (ou -90º, se a máquina fôr invertida). Neste caso, da foto Z, esta rotação não tem muita relevância e basta usar um valor semelhante ao das outras fotos.

Se tiver optado por esta forma de alinhamento através da alteração dos parâmetros, não deve voltar a alinhar as fotos com a opção "2.Align..." porque o programa irá reverter as suas alterações e tentar de novo o alinhamento através de

O alinhamento através de Control Points

Quando as imagens têm detalhe suficiente o programa consegue normalmente um alinhamento automático perfeito. Ou quase. Por vezes, quando existem nas imagens áreas de pixels repetitivos e muito semelhantes, os pontos de controlo determinados automaticamente podem não ser exactos. E há que corrigi-los manualmente. É para isso que serve a opção "Control Points"

9. Control Points

A ideia é assegurar-se que existe um correcto posicionamento dos pares de pontos nas fotos adjacentes. Pode ser necessário adicionar novos pares de pontos de controlo ou... remover alguns dos que foram criados pelo programa e possam estar errados. Para esta segunda tarefa é bastante útil a ferramenta "Show Control Points que apresentará uma listagem de todos os pontos existentes. Ordene a lista descendentemente pela coluna Distance para que apareçam no topo os pares de imagens com maior probabilidade de terem pontos de controlo errados (com valores maiores em Distance):

10. Lista dos Pontos de Controlo

A criação do panorama equirectangular

Depois de as fotos estarem devidamente alinhadas pode-se dar início à criação do panorama equirectangular.
Mas primeiro talvez seja conveniente indicar o tamanho (em pixels) com que pretende criá-lo. É o que terá que fazer se não tem um editor de imagem onde fazer um Resize da imagem posteriormente. Clique em "Stitcher":

11. Stitcher

No caso deste exemplo (em que foi usada uma Canon 10D - sensor APS-C de 6 megapixels em portrait => 2.048x3.072 pixels) o programa prevê - depois de clicar no botão "Calculate Optimal Size" - umas dimensões óptimas de 14.900x7.450 pixels.
Mas é possível escolher as dimensões (2:1) com que pretende o seu panorama. Se possível, indique p.e. 6.000x3.000, ou 8.000x4.000. Não altere mais nenhum parâmetro deste ecrã.

Depois, para criar o panorama tem 3 alternativas:

1) clicar no botão "Stitch now!",
2) clicar no botão "Save project and send to batch", ou
3) voltar ao ecrã "Assistant" e clicar no botão "3.Create panorama"

Este processo é bastante demorado e será apresentada uma janela com os comandos executados. Talvez esteja interessado em usar a alternativa 2)...

Agora que o seu panorama - em forma de projecção equirectangular - já está preparado...

...ou será que não está... ?

Não se dará o caso de o seu panorama poder ser melhorado ? Parece-me que sim. Talvez seja boa ideia usar um editor de imagens (Photoshop ?, Paint Shop Pro ?, freeware ?) para retocar a imagem p.e. no que diz respeito ao Contraste (hystogram ?, levels ?, curves ?). Pelo menos a Definição (Sharpness) deve ter margem para melhoria. Neste aspecto, as fotografias digitais têm-na sempre! Talvez um toque com o "Unsharp Mask..." ?!

Um outro problema que com certeza estará por resolver nesta altura é a questão sobre como eliminar, na imagem do Nadir, as sombras e as pernas do tripé. Apesar de haver quem trate desse assunto no Hugin, eu acho preferível fazê-lo como o Pano2VR. Veremos isso mais adiante.

Conclusão: Como disse no início, este não é um tutorial específico sobre a utilização do Hugin mas sim uma abordagem geral do processo de criação de panoramas esféricos. Para todas as outras funcionalidades do Hugin não detalhadas neste tutorial deve consultar outras fontes existentes na web.

Pano2VR

A criação do panorama esférico

Coragem! Esta tarefa é muitíssimo mais simples e menos demorada que a anterior. Já falta pouco para ter o seu panorama a funcionar.

Avancemos então para a fase final: a criação do panorama VR - em formato Flash (.swf) ou Quick Time (.mov). Mais uma vez, também para este software, vou limitar-me a descrever e comentar apenas os parâmetros mais relevantes...

O ecrã inicial do Pano2VR:

12. Ecrã principal do Pano2VR

O primeiro passo é indicar qual a imagem equirectangular a usar. Clique no botão "Select input" para seleccionar o ficheiro (ou arraste-o para a área assinalada a partir da pasta onde ele se encontra).

Em "Viewing parameters" clique no botão "Modify" e aparecerá uma janela com uma imagem interactiva mostrando a parte do panorama que aparecerá inicialmente aos utilizadores; clique na imagem e arraste o rato para posicionar na posição que pretende. Quando estiver satisfeito clique no botão "Set" respectivo.

13. Panorama Viewing Parameters

Em "Field of View (Zoom)" pode limitar a capacidade de zoom que os utilizadores podem fazer no seu panorama. Dê especial atenção ao parâmetro "Min" (mínimo FoV = máximo zoom): provavelmente não vai querer que se possa fazer zoom até aos pixels do seu panorama! No fim clique em "OK".

Passemos agora para o mais importante: a indicação das características do Output. Em "New Output Format" escolha o formato que pretende criar e clique no botão "+ Add". Neste exemplo vamos seleccionar "Flash" e aparecerá este ecrã:

14. Flash Output - Settings

Em "Tile Settings" deve indicar-se o valor indicado como óptimo pelo programa. Eu prefiro indicar um valor igual à divisão do comprimento da imagem por Pi; neste exemplo, 8.000/3,1416=2.546. Calcule o valor para o seu caso.

Experimente usar "Image Quality"=70 e "Tiles"=4.

Estes parâmetros (e os da área "Display") interferem com a qualidade mas também com o tamanho do ficheiro de output. Terá que encontrar, experimentando variá-los, um compromisso entre a qualidade e o tamanho do ficheiro. Se o panorama se destinar a ser visualizado na net não convém que seja demasiado grande pois os utilizadores não gostam de esperar pelo carregamento das páginas!

Em "Advanced Settings"...

15. Flash Output - Advanced Settings

...não há nada de especialmente relevante. Explore esta parte mais tarde.

Em "HTML"...

16. Flash Output - HTML

...pode indicar que pretende criar uma página HTML, indicar o respectivo nome, e especificar algumas opções de formatação.

De volta ao ecrã principal...

17. Ecrã principal do Pano2VR

Clicar no botão "Create All" e... o programa criará um ficheiro .SWF e um .HTML.

Clique duas vezes sobre o ficheiro SWF para ver o seu panorama esférico (como é óbvio precisa ter instalado no seu PC p.e. o Adobe Flash Player). Percorra todo o panorama e, principalmente, espreite "para baixo"...
Se seguiu os passos deste tutorial há-de constatar que falta resolver a questão das sombras no Nadir...

Como corrigir o Nadir...

Esta correcção - utilizando o seu editor de imagens preferido - é muito difícil de fazer directamente da imagem equirectangular, especialmente porque a área que pretendemos corrigir se situa numa das suas zonas de maior distorção: -180º. Por isso é essencial convertermos primeiro o panorama para uma projecção rectilinear (imagem plana).

Vamos criar uma projecção cúbica...

No ecrã principal do Pano2VR clique no botão "Convert Input" e seleccione a opção "Cube Faces". Certifique-se que o valor no "Cube Face Size" é de 2.546 (se o seu panorama fôr de 8.000x4.000).

18. Nadir 1

O programa criará 6 imagens, numeradas de 0 a 5, uma para cada face interna de um cubo que representa o seu panorama. A última é a que nos interessa porque representa a face inferior do cubo: a área do Nadir do seu panorama.

Atenção: Se as sombras se propagam às faces adjacentes é porque o "Cube Face Size" que indicou não é o apropriado; neste caso repita o passo anterior especificando um valor maior.

Uma vez que alterou uma das face do cubo, agora trata-se de usar esta nova imagem corrigida. O normal seria fazer com ela um Patch Input ao panorama. Mas em vez disso pode fazer o seguinte...

Torne a clicar no botão "Select Input" (ou arraste as 6 imagens para área apropriada do ecrã do Pano2VR) para recarregar as 6 faces do cubo.

19. Nadir 2

Agora é necessário converter esta projecção cúbica de novo para a desejada projecção equirectangular...
Clique de novo no botão "Convert Input" e seleccione a opção "Equirectangular".

20. Nadir 3

Recrie os outputs tornando a clicar no botão "Create All".

E PRONTO! Agora sim, o seu panorama deve estar feito!