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Pantallas nulas por refracción y luz RGB aplicadas a la
formación de imágenes a partir de un retrato fotográfico.
Null screens by refraction and RGB light applied to the
formation of images from a photographic portrait.
Edith G. Vázquez Navarrete
Universidad Nacional
Autónoma de México
edith.vazquez.n@gmail.com
Gerardo García Luna
Universidad Nacional
Autónoma de México
ggarcialuna@fad.unam.mx
Gabriel Castillo Santiago
Universidad Nacional
Autónoma de México
gabrielcsan@gmail.com
Resumen:
En esta investigación de carácter interdisciplinario se ha recuperado el
conocimiento científico de la óptica y la propagación de la luz en el espacio,
para generar una secuencia de imágenes que pueden ser aplicadas de
diferentes maneras en piezas de carácter audiovisual, escénico, escultórico,
inmeresivo o digital. La idea de retomar la fotografía, en específico un retrato,
atiende a una propuesta en donde se plantea la posibilidad de lograr la
reconfiguración de una imagen fotográfica con el uso de herramientas
directamente relacionadas con la misma, como los sistemas ópticos y la luz.
La fórmula teórica y experimental tiene sus fundamentos en el estudio y
aplicación del método conocido como pantallas nulas, que en el terreno de
la física sirven para evaluar aberraciones ópticas, en este trabajo lo hemos
utilizado para trabajar con un retrato fotográfico de archivo, originalmente
realizado en color sepia. Con el fin de crear nuevas narrativas de visualización
con la implementación de la óptica y la luz, en este caso RGB (red, green,
blue).
Recibido 29/10/2021 Revisado 10/02/2022
Aceptado 15/05/2022 Publicado 31/10/2022
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Abstract:
In this interdisciplinary research, the scientific knowledge of optics
and the propagation of light in space has been recovered, to generate a
sequence of images that can be applied in different ways in pieces of an
audiovisual, scenic, sculptural, immersive or digital. The idea of retaking
photography, specifically a portrait, meets a proposal that raises the
possibility of achieving the reconfiguration of a photographic image with the
use of tools directly related to it, such as optical systems and light. The
theoretical and experimental formula has its foundations in the study and
application of the method known as null screens, which in the field of
physics are used to evaluate optical aberrations, in this work we have used
this method to work with a photographic portrait, originally made in
grayscale. In order to achieve new visualization narratives with the
implementation of optics and light, in this case RGB (red, green, blue).
Palabras Clave: óptica, luz, fotografía, interdisciplina, cáustica.
Key words: optics, light, photography, interdisciplinary, caustic.
Sugerencias para citar este artículo
Vázquez, Edith; García, Gerardo; Castillo, Gabriel (2022). Pantallas Nulas por refracción y luz
RGB aplicadas a la formación de imágenes a partir de un retrato fotográfico, Afluir, 6, págs.
41-55. https://dx.doi.org/10.48260/ralf.6.118
VÁZQUEZ, EDITH; GARCÍA, GERARDO; CASTILLO, GABRIEL (2022) Pantallas Nulas por
refracción y luz RGB aplicadas a la formación de imágenes a partir de un retrato
fotográfico. Afluir, 6, octubre 2022, pp. 41-55, https://dx.doi.org/10.48260/ralf.6.118
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Introducción
La metodología expuesta en el presente trabajo surge en el contexto de
una investigación interdisciplinaria, donde convergen arte, ciencia y
tecnología (Vázquez, 2020a; 2020b; 2020c). Se plantea una alternativa para
diseñar, formar y proyectar imágenes que se pueden utilizar para construir
experiencias visuales, con base en la teoría científica de la luz, a través de
sistemas ópticos y el método de pantallas nulas, que en la ciencia son un
instrumento para la evaluación de superficies ópticas cóncavas y convexas.
Con ellas se realizan patrones con líneas, conocidas como pantallas tipo
Hartmann por el alemán Johannes Hartmann, o con orificios, que son
pantallas tipo Ronchi, por el físico italiano Vasco Ronchi.
En el terreno del arte retomamos este conocimiento científico, pero en
lugar de utilizar los patrones Ronchi o Hartmann, utilizamos un retrato
fotográfico en el que es preciso aparezca un rostro. Trabajamos con el
procesamiento de imágenes para dar forma a un patrón predefinido, que a
su vez conformará lo que conocemos como pantalla nula, la cual supone una
imagen diseñada, impresa en acetato, que se coloca frente a una lente
óptica determinada y un frente de onda plano, es decir un tipo de luz cuyas
ondas se propagan en una sola dirección a lo largo del espacio. Este frente
incide tanto en la pantalla nula como en la superficie de la lente y por el
proceso de refracción se establece un conjunto de variantes de visualización
a partir del retrato.
El desarrollo teórico y funcional de los fenómenos de reflexión y
refracción de la luz ha sido ampliamente estudiado. A lo largo de la historia
de la óptica se han hecho numerosos procedimientos para explicar la
propagación de los rayos de luz a través de sistemas ópticos, estos estudios
juegan un papel fundamental para la formación de imágenes y para el
estudio de las pantallas nulas (Avendaño et al, 2010a; Aguirre et al, 2018). La
superficie cáustica puede entenderse como la envolvente de rayos que son
refractados o reflejados y es una herramienta básica en esta investigación
para la formación de imágenes (Vázquez et al, 2020b).
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Desde el arte hemos recuperado el conocimiento científico de la óptica
y la propagación de la luz en el espacio, para generar una secuencia de
imágenes que pueden ser aplicadas de diferentes maneras en piezas de
carácter audiovisual, escénico, escultórico, inmeresivo o digital.
La idea de retomar la fotografía, en específico un retrato, atiende a una
propuesta en donde se plantea la reconfiguración de la imagen fotográfica
con el uso de herramientas directamente relacionadas con la misma, como
los sistemas ópticos y la luz.
Se busca con ello expandir las posibilidades de exploración artística, ya
que a partir de una fotografía se pueden obtener patrones para ser
observados bajo un proceso de formación y deformación en diferentes
planos de detección, con el fin de construir nuevos modelos de
representación en el arte, en donde el retrato fotográfico venga
deconstruido, para ser observado bajo una dinámica técnica en donde
también entran en juego las posibilidades discursivas en torno a la identidad
(Vázquez, 2020a, 128 -136).
El retrato fotográfico es un elemento importante que constituye la
memoria individual y colectiva de la sociedad. Es de nuestro interés forjar
nuevas metodologías de experimentación para ofrecer dinámicas de
visualización, que permitan al espectador observar la imagen que da forma a
un rostro, a partir de la ejecución de movimientos en los sistemas ópticos
utilizados y los diferentes tipos de luz con los que hemos experimentado.
En esta ocasión y para este trabajo en particular se trabajó con un
retrato hecho en los años 70 y que ha sido recuperado a modo de ofrenda
memorial por los autores. Se recurre a la transformación del rostro a medida
que se generan variantes espaciales entre los elementos que componen el
sistema óptico propuesto.
Con esto se sugiere una posibilidad de dialogar con la memoria, bajo la
premisa de que estos procesos puedan ser aplicados por cualquier persona
que quiera experimentar con el concepto utilizando sus propios archivos.
Para esto será necesario en un futuro diseñar el prototipo de un algoritmo
que permita resolver este planteamiento.
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Trabajos relacionados
A la fecha existen investigaciones referenciales, que atienden a la
formación de imágenes y que utilizan recursos geométricos para proyectar
patrones específicos, entre ellos retratos, es el caso de Yuliy Schwartzburg, de
la Universidad EPFL ubicada en Suiza, y colegas, quienes crearon un método
con soluciones computacionales para el transporte de luz inverso y el
desarrollo de superficies ópticas, lo cual constituye una solución capaz de
calcular la forma de objetos refractivos que proyectan imágenes cáusticas
controladas, muy detalladas y de alto contraste. Los resultados son llevados
al diseño de interiores, iluminación, aquitectura y arte (Schwartzburg et al,
2014).
Manuel Finckh y colegas, ingenieros del Instituto de Informática de
Medios, de la Universidad de Ulm, Alemania, abordan la idea de construir
una superficie transmisiva o reflectante, que dada una posición de luz
predefinida, crea una imagen cáustica definida a priori por medio de un
algoritmo de optimización. Sus resultados se pueden aplicar en el diseño de
faros, de concentradores parabólicos para células solares o diseño de
interiores (Finckh et al, 2010).
Marios Papas investigador científico asociado en Disney Research
Zurich y colegas, proponen un sistema para diseñar y fabricar superficies que
producen imágenes cáusticas deseadas cuando se iluminan con una fuente
de luz. El sistema se basa en una descomposición de imágenes no negativas
que proporciona una reconstrucción de alta fidelidad de imágenes naturales,
utilizando arreglos de microparches suaves por partes que remodelan la luz
incidente en una colección de cáusticos gaussianos, para aproximar
imágenes arbitrarias en un plano de proyección. Han demostrado su método
acudiendo también al retrato y lo proponen para múltiples aplicaciones,
como la arquitectura y el diseño de luminaria (Papas et al, 2011).
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Thomas Kiser y Mark Pauly ambos profesores de la Facultad de Ciencias
de la Computación y la Comunicación de la EPFL han creado un método
para trabajar con cáusticas por refracción o reflexión, a partir una imagen de
intensidad en escala de grises, para construir una superficie cáustica que
reproduzca dicha imagen (Kiser et al, 2012). Con este método han logrado
controlar patrones cáusticos para constituir casi cualquier forma
optimizando la geometría de la superficie reflectante o refractiva y exploran
su aplicación en el diseño arquitectónico (Kiser et al, 2013).
A diferencia de estos métodos referenciales donde se trabaja con
cáusticas sobre superficies, en el método que aquí se presenta trabajamos a
partir del análisis matemático de una imagen fotográfica, el trazo exacto de
rayos para una lente específica, la construcción de una pantalla nula, la
incidencia de luz láser y trabajamos por refracción en la zona cáustica. Todo
forma parte de un sistema compuesto por lentes y luz, cuyo montaje se
realiza en el laboratorio de óptica. Las imágenes son capturadas fijas y en
movimiento por medio de un sensor y un ordenador. En la parte de la
metodología se exponen los detalles.
Fig. 1. A la izquierda fotografía original. Al centro fotografía muestreada en cuadros idénticos
por medio de un algoritmo computacional. A la derecha, imagen formada por miles de
centroides en color amarillo, que en el tratamiento óptico cada uno representará un rayo de
luz distinto. Imágenes de archivo, fuente propia.
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Este es un método novedoso para la formación de imágenes. Hasta
ahora no hemos encontrado investigaciones que lo exploren desde las artes;
desde la ciencia tampoco se había trabajado en la construcción de pantallas
nulas para retratos fotográficos. Los resultados han abierto importantes
líneas de investigación en la academia y en este trabajo en particular
estamos trabajando por primera vez con luz RGB (red, green y blue) a partir
de una imagen originalmente realizada en sepia.
Metodología
Para llevar a cabo la deformación y reestructuración de un retrato como
una aplicación dentro del arte con el método de pantallas nulas, inicialmente
se elige una imagen como la que se muestra en la Fig. 1 izquierda. Al ser la
fotografía a color, programamos un algoritmo que lea la imagen y la
convierta en una matriz con dimensión en píxeles para escala de grises, se le
implanta una red de cuadrados idénticos y diminutos comparados con el
tamaño total de la imagen, con el fin de muestrear un rango más bajo de
píxeles, resultado que se muestra en la Fig. 1 al centro. Si bien el proceso se
puede amplificar para todos y cada uno de los píxeles que no sean color
negro, el tiempo de proceso sería demasiado para una computadora
comercial. Una vez obtenidos los miles de cuadrados a cierta escala de
grises, le podemos calcular los centroides, ya sea geométricos o tomando en
cuenta la intensidad de cada píxel, esto es, se realiza un promedio de
intensidad en cada píxel dentro de cada cuadrado y se calcula su centro,
resultando en miles de valores que graficamos como puntos de color
amarillo en la Fig 1. derecha.
Una vez que contamos con una imagen en términos digitales, la
llamaremos patrón esperado. Dentro de la terminología de pruebas ópticas
quiere decir que vamos a calcular una segunda imagen deformada llamada
pantalla nula, que al ser reflejada por un espejo o vista a través de una lente
particular reconstruirá la imagen esperada, pasando por varias etapas de
deformación, según la distancia entre el observador y el elemento óptico.
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Para el cálculo de la pantalla nula utilizaremos el proceso descrito en
(Castillo, 2016), donde se realiza una combinación con teoría de cáusticas
para producir una imagen única desde tres patrones deformados
observados simultáneamente. Empezamos por el trazo exacto de rayos
como se muestra en la Fig. 2 centro, definimos el eje X como el eje óptico y la
dirección de propagación de un frente de onda plano que llega desde la
izquierda, pasa sin desviarse para refractarse fuera de la lente en la segunda
superficie.
Fig. 2. Izquierda, pantalla nula diseñada para incidencia de luz blanca, o un sistema de
iluminación RGB. Al centro, trazo exacto de rayos donde se muestra en qué región de la lente
a utilizar se va a transmitir cada color o longitud de onda. A la derecha, la imagen esperada.
Debido a que es un sistema de tres colores primarios, idealmente y sin aberración cromática
observaríamos una imagen blanca. Fuente: elaboración propia.
La lente está inmersa en aire, cuyo índice de refracción n1=1 es
prácticamente lineal para todas las longitudes de onda, pero el índice de
refracción na de la lente variará para cada color, siendo estos valores nR = 1.75,
nG = 1.79 y nB = 1.80. Entonces se procede a calcular la trayectoria para cada
grupo de rayos por el color que les corresponda, pero de forma inversa. En
(Avendaño, 2010b) se presenta una ecuación que describe la trayectoria de
los rayos suponiendo coordenadas a la izquierda del sistema, Fig. 1. centro, y
su posición final a la derecha.
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En este trabajo se obtienen los valores para todos los rayos en la
posición de entrada a la izquierda para que forzosamente lleguen todos a
formar el patrón esperado Fig. 1. derecha, que en este caso es un retrato
constituido por miles de puntos, que representan cada uno, un rayo de luz
distinto.
Resultados
La imagen esperada, Fig. 2 derecha, está localizada dentro de la región
de la cáustica, donde la relación entrada-salida de un sistema óptico no es
biyectiva, es decir, que hay una relación uno a uno entrada-salida en un
sistema y que las soluciones no se mezclan ni repiten.
En este caso particular, hasta tres rayos de luz van a formar un solo
punto, por lo cual aprovechamos este efecto óptico en pro de una nueva
forma de visualizar un retrato. El patrón deformado, o pantalla nula en la Fig.
2 izquierda, representa el tipo de configuración que deberá tener cada color,
para poder formar la misma figura únicamente en el plano de diseño,
mientras que en el resto de planos de detección observaremos
deformaciones y combinaciones de dichos patrones.
Dichas deformaciones y combinaciones resultan de interés en el
terreno del arte, puesto que al ser capturadas también en movimiento se
obtiene una mezcla de figuras y composiciones cromáticas que pueden ser
aplicadas en diferentes propuestas de carácter audiovisual, escénico,
escultórico, inmersivo, digital e interactivo.
En la Fig. 3 podemos observar la deformación de los patrones
provenientes de la pantalla nula, cuando observamos desde distintos planos
de detección, correspondientes a las posiciones marcadas en la Fig. 2 centro.
En la fila 2 de la Fig. 3 se observa que los tres colores están formando una
imagen muy similar, sin embargo, al sumarlos no obtenemos el efecto de
imagen blanca, esto se debe a una propiedad o defecto de las lentes simples,
es decir la aberración cromática, que se describió en este artículo como el
cambio del índice de refracción para los distintos colores. Es importante
observar que solamente en esta fila se forma el patrón esperado y que la
combinación de los 3 colores siempre resulta en una deformación evidente.
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Fig. 3. Columna 1, desenvolvimiento de la pantalla nula para el color rojo a distintos planos de
detección. Columna 2, proceso de formación y deformación de la pantalla nula para los rayos
de luz color verde. Columna 3, proceso de deformación para los rayos de color azul. Columna
4, la suma de los tres patrones suponiendo que el plano de detección u observador visualiza
los tres patrones al mismo tiempo. Fuente: elaboración propia.
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Los resultados que se exponen son aproximaciones derivadas de un
ejercicio de simulación y podremos comprobar experimentalmente la
formación y deformación de la imagen esperada una vez que cese la
pandemia y sea posible regresar a trabajar en los laboratorios de óptica.
Podremos también comprobar si al utilizar las tres fuentes de luz RGB, que
en principio deberían de formar una imagen en blanco, obtendremos como
resultado una imagen parecida a la simulación junto con otras variantes
producidas por los ajustes espaciales que se hagan en el sistema óptico.
Por último, para poder observar claramente las deformaciones mas
evidentes, esto es, para el color rojo y el color verde, se realizó una simulación
recorriendo el sensor de detección sobre los planos colocados en la Fig. 2
centro, cabe mencionar que las tres longitudes de onda pueden funcionar
de manera independiente o en combinaciones, como es el caso de la Fig. 4.
Donde es claro que la formación de la imagen esperada sólo se da en una
posición.
Conclusiones e implementaciones futuras
La aplicación de la metodología de trabajo, que hemos perfeccionado a
lo largo de nuestra investigación, hace factible la visualización de una
imagen desde diferentes planos de detección haciendo uso de la luz y la
óptica, se logra la reconfiguración de una fotografía, a partir de la
deconstrucción de la imagen original. El hecho de generar variables que
implican la formación y deformación del rostro, podrían brindar al
espectador una posibilidad de dialogar de manera distinta con la
representación de las imágenes que formen parte de una pieza construida
con este método, el cual ofrece múltiples aplicaciones en el terreno del arte.
En especial consideramos que pueden tener un buen impacto en piezas
inmersivas e interactivas.
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Fig. 4. Empezando por la esquina superior izquierda hasta llegar a la esquina inferior derecha,
deformaciones para posiciones equidistantes del observador o sensor de detección colocado
frente a la lente. El movimiento inicia inmediatamente frente a la lente, hasta el foco de la
misma, haciendo referencia a los planos de detección de la Fig. 2 centro. Fuente: elaboración
propia.
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Desde el punto de vista metodológico y como consecuencia de colocar
el plano de detección dentro de la región de la cáustica, obtenemos
pantallas nulas con deformaciones muy evidentes, que generan imágenes
con intensidad uniforme y fáciles de observar, ya sea por un sensor, cámara o
el espectador, quien podría ver directamente a través del sistema óptico. El
método es muy sensible a la posición de los elementos involucrados, lo cual
se puede utilizar a favor de la experimentación o montaje artístico, en busca
de visualizar fotografías desde una nueva perspectiva y en movimiento.
Uno de los propósitos de esta investigación es que podamos construir
un algoritmo en donde el público participe colocando un retrato que forme
parte de su propio archivo, con el fin de generar participación activa y
acercamiento al método.
Agradecimientos
Este artículo se elaboró en el marco del posdoctorado que realiza la Dra.
Edith Vázquez en la Facultad de Artes y Diseño, UNAM, mediante el apoyo
del Programa de Estancias Posdoctorales que emite la Dirección General de
Asuntos del Personal Académico, DGAPA, UNAM.
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