Quelle qualité ultime est possible en 2-shots?

Comparons avec la référence à quatre images...

Objet

Dans les années 1990

Faire un panorama avec deux images au fisheye était un moyen courant pour produire des panoramas de qualité moyenne. Cela a duré jusqu'aux débuts de 2000 à l'arrivée des appareils reflex numériques grand- public. Pour faire un panorama 2-shots il faut seulement disposer de deux images circulaire complètes hémisphériques et opposées.

A cette époque, la plupart des panoramas de ce type était la plupart du temps le fait de panographes travaillant pour le compte d'agences immobilières mais pas seulement. Presque tous, sinon tous, utilsaient alors des compact numériques équipés d'un convertisseur fisheye. La résolution de ces appareils étaient modeste avec 1 à 3-5 millions de pixels et la qualité d'image des panoramas assemblés était altérée dans les zones de joints entre les images:

IPIX était alors un acteur majeur et créa un standard de-facto dans le marché captif de l'immobilier.

Au même moment la plupart des quelques professionnels et surtout des amateurs experts de la panographie encore balbutiante utisaient les même appareils mais visaient à une meilleure qualité en assemblant des images plus nombreuses dont l'angle de champ était plus étroit. Ils utilisaient parfois aussi le convertisseur grand angle ou même fisheye, mais rarement 2 seules images pour produire des panoramas à projection cylindrique puis plus tard, à projection sphérique 180 x 360°.

Aujourd'hui

Cette dicotomie subsiste de nos jours. La technique à deux images (2-shots) règne encore sur le domaine de la panographie d'agences immobilières. La qualité obtenue est encore généralement jugée justement médiocre même si la résolution des panoramas a suivi la progression de la résolution des capteurs des appareils numériques compacts.

Les panographes professionnels utilisent des appareils reflexes numériques et dédaignent comme avant la technique à deux seules images. Leur appareil est très souvent équipé d'un objectif fisheye performant mais ils prennent plus de deux images par panorama et même souvent utiisent des têtes panoramiques pour réaliser plusieurs rangs de photos. La résolution du panorama de sortie est ainsi plus élevée et la taille doit être souvent réduite pour être mis sur la toile. La qualité finale est en conséquence généralement excellente pour visualisation en plein écran du moniteur.

On doit ajouter que de toutes les façons seuls quelques objectifs fisheye existent dans le commerce qui pourraient permettre de produire des images circulaires complètes sur les capteurs des appareil reflexe numériques. De plus, le champ de vue offert par ces optiques ont malgré tout un angle de vue trop limité pour assurer une qualité s'affranchissant des problèmes cités dans la liste ci-dessus.

Tout cela a contribué à faire perdurer la réputation qui marque les panoramas 2-shots. L'on voit souvent citer sur les listes et forums spécialisés la répulsion vis-à-vis de ces panoramas qui de toutes les façons ne pourraient pas être bons car fait "à la va-vite" au détriment de la qualité.

Question:

Quelle est donc objectivement la qualité ultime que peut permettre la technique à 2-shots avec les technologies aujourd'hui disponibles? C'est ce que je m'efforcerai de montrer dans ce papier.

Mais auparavant il faudrait sans doute rappeler la propriété intrinsèque particulière et unique qui caractérise le 2-shots:

Rappel: avec un fisheye, 2-shots est l'unique moyen qui permette d'éviter totalement toute erreur de parallaxe

Il est maintenant bien connu que le point d'absence de parallaxe (NPP en anglais) sur l'axe optique n'est pas figé à un endroit unique. Sa position sur cet axe dépend de l'angle d'aspect sous lequel l'objet est vu. La valeur de l'angle fait entre la ligne joignant l'objet et le NPP et l'axe optique longitudinal determinera donc où se trouve le point autour duquel doit tourner l'ensemble de prise de vue.
Par exemple pour beaucoup de fisheyes communs, la pupille d'entrée (qui est aussi le NPP) se situe très en avant et juste derrière l' apex de la lentille d'entrée quand le rayon lumineux vient d'un objet à angle droit (90°) de l'axe optique. Mais cette pupille d'entrée aura reculé d'environ 15 mm quand l'angle fera 45°. Une course de 18 mm couvre ainsi le "mouvement" du NPP sur l'ensemble du champ de vue. La conséquence directe de cette propriété intrinsèque de tous les fisheyes est que pour être totalement dépourvue d'erreur de parallaxe, la ligne de jointure entre deux vues contigües doit être, tout du long, correspondante à un angle d'aspect constant. Sinon les objets situés sur cette jointure (superposition des deux images) seront vus sous deux angles différents.

Il n'y a en fait qu'une seule possibilité de respecter cette contrainte: c'est d' assembler deux images hémisphériques opposées. Alors la limite de jointure fait un angle droit et donc constant avec l'axe optique.

Heureusement, la plupart du temps tous les objets de la scène photographiée dans le panorama sont à une certaine distance de l'objectif photographique. En conséquence, les erreurs provoquées par la parallaxe sont réduites et généralement inférieures au pixel quand le NPP a été placé correctement. Mais si un objet situé sur la zone de superposition est proche (par exemple quelques centimètres ou décimètres) alors l'erreur de parallaxe sera visible, sauf si l'angle d'aspect est le même pour les deux images.

Dans la pratique, ce fait se traduit par des séances de correction et retouche manuelle en post-production qui ne peuvent jamais être totalement éliminées, même par un réglage soigné de a position de la pupille d'entrée.

Le gain de temps associé au 2-shots dans l'esprit des panographes n'est donc pas seulement dû à l'économie de nombre de prises de vues, mais plutôt au temps moindre passé à la retouche nécessaire. Théoriquement celle-ci est d'ailleurs totalament évitée.


Qualité atteignable en 2-shots?

La théorie:

La pupille d'entrée (NPP) doit être placée avec précision sur l'axe pivot de rotation et en rapport avec l'ampleur de la rotation entre deux visées successives. Ce principe est encore plus strict pour le 2-shots si l'on veut profiter de sa prpriété intrinsèque. Mais alors aucune crainte n'est à avoir d'erreur de parallaxe due à la prise vue.

Quand ces conditions préalables sont respectés, il y a quand même d'autres facteurs qui influent sur la qualité finale du panorama de sortie:

L'aberration chromatique transverse et la distorsion dûe à l'éloignement de la loi théorique de projection du fisheye équiangulaire. La loi de projection généralement retenue par les fabricants d'objectifs fisheye moderne est équi-angle solide et cette loi est la base théorique des logiciels de convertion et assemblage d'images de fisheye.

J'ai effectué de nombreux essais approfondis pour estimer et mesurer les propriétés optiques de nombreux fisheyes pour appareil réflexe dont certains étaient potentiellement capable du 2-shots. Il n'y en que très peu. Et parmi ceux-là je n'en ai pas trouvé un seul qui soit vraiment capable d'assurer une qualité suffisante et constante non dépendante de certaines conditions à la prise de vue. J'en ai conclu que l'angle de champ utile (c'est à dire excluant la zone floue et bluâtre périphérique du cercle de l'image) est insuffisant. La valeur couramment cité de 185° est peut-être acceptable mais alors elle doit impérativement vierge de la pollution due au vignettage. De plus il est évident que plus le diamètre de l'image circulaire est grand et plus la qualité sera meilleure. Notons au passage, et c'est important, que la tâche de détection automatique de points de concordance par les logiciel dédiés à l'assemblage d'images fisheye est considérablement allégée quand le champ de vue est plus grand et que la zone annulaire superposable l'est aussi.

L'objectif idéal pour le 2-shot est donc encore tout simplement à produire:-(

Il n'y a en effet aucun objectif fisheye aujourd'hui disponible qui puisse s'y monter pour réaliser du panorama à 2-shots sans défaut. Et c'est de mon avis bien dommage: Il n'y a pas ce 8 mm dont l'angle de vue sera au moins 188-190 degrés. De même il n'y a pas ce 6 mm avec un même champ de vue pour aller sur un reflexe à petit capteur APS-C ou 4/3.

L'appareil le mieux adapté au 2-shots:

Comme il se doit, un capteur de dimension 24 x 36 est potentiellement le meilleurs candidat si toute autre caractéristique est en rapport. Je retiendrai donc ce format pour ma démonstration. La surface de capture étant plus que le double que pour les capteurs APS-C, il sera logique que pour toute choses égales par ailleurs, la qualité soit en faveur du 24 x 36.

Aujourd'hui (Juin 2008) la résolution ultime est atteinte par le Canon EOS 1Ds Mark III avec 21.1 MPixels. Le diamètre de l'image idéale circulaire de 190 degrés sur ce capteur ferait donc environ 3740 pixels. Sony a annoncé un capteur CMOS de 24.6 MPixels pour la fin 2008: alors le diamètre idéal fera 4030 pixels.

J'utilise un Canon EOS 5D avec un Tokina 10-17 mm que j'ai dépourvu de son pare-soleil. Si la focale est réglé au minimum, c'est à dire 10 mm, le diamètre de l'image circulaire est environ de 3700 pixels. Il serait de 4200 pixels à 12 mm avant d'être rongé par les petits cotés du capteur. L'angle de vue atteint 190 degrés mais le cercle est incomplet car les grands cotés du capteur rongent le cercle pour réduire l'angle de vue vers 140 degrés le long de la petite médiane du rectangle du capteur. J'utiliserai les images de cet appareil pour la suite.


La démonstration empirique:

Images 2-shots circulaires

1- Premier exemple: avec AutoPano Pro (APP) 1.4.2

Nous simulerons très exactement une image idéale circulaire complète en assemblant deux images prise orthogonalement. C'est à dire une image prise en mode portrait et l'autre en mode paysage. les deux images ont été prise avec l'axe optique inchangé ( l'ensemble est tourné de 90° autour de cet axe. Le point d'absence de parallaxe sera aussi inchangé. Le images ont été corrigée d'aberration chromatique et vignettage lors de la conversion ddepuis le format brut RAW.

Mode paysage
Mode portrait
Image composite circulaire
Vue vers l'ouest

Une autre image sera simulée de la même façon dans la direction opposée par composition de deux image orthogonales partageant le même NPP (pour un angle d'aspect de 90°, propre au 2-shots).

L'ensembles des éléments de ces quatre images permettent par superposition de couvrir la sphère 4*pi stéradians complète.

Mode paysage
Mode portrait
Image composite circulaire
Vue vers l'est

Il y a plusieurs façons d'assembler séquentiellement ces quatres images. Mais quoiqu'on fasse les pixels qui seront finalement présents et visibles dans le panorama rendu in-fine seront exactement ceux qui seraient vus dans le cas d'assemblage de deux images circulaires telles que décites ci-dessus mais réellement prises au fisheye idéal. Ni plus, ni moins. Ce fisheye idéal aurait probablement un focale de 7,5 mm environ sur uncapteur de EOS 1Ds III.

J'ai utilisé AutoPano Pro 1.4.2. (encore en bêta à ce moment) pour optimiser l'assemblage des quatre images. Le panorama de sortie a été réduit de 7000 x 3500 à 5000 x 2500 avant conversion pour produire ce QTVR cubique (1,8 Mo). Vous noterez que l'assemblage n'est pas tout à fait parfait. Cela ne contredit pas la théorie, mais ça montre que cette méthode de simulation demande plus de talent que je n'en ai pour donner des résultats parfaitement identiques à ceux produits par la méthode autentique...


Le panorama classique à 4 images pour comparaison

Deux autre images prises en mode portrait complèteront les deux autres citées ci-dessus. Nous devrons tolérer que la pupille d'entrée était mal placée de 8 mm environ pour un tel assemblage (notons que cette position du NPP favorise pourtant les partie polaires 'Zénith et Nadir!)
Vers l'ouest
Vers le nord
Vers l'est
Vers le sud
Quatre images en mode portrait

J'ai utilisé manuellement PTGui Pro pour optimiser l'assemblage des quatre images. Le panorama de sortie a été réduit de 7000 x 3500 à 5000 x 2500 avant conversion pour produire ce QTVR cubique (1,8 Mo).


2- Second exemple: avec PTGui 8.0 bêta 2

Images 2-shots circulaires

Mode paysage
Mode portrait
Image composite circulaire
Vue vers le nord

Mode paysage
Mode portrait
Image composite circulaire
Vue vers le sud

Le panorama de sortie a été réduit de 7000 x 3500 à 5000 x 2500 avant conversion pour produire ce QTVR cubique (1,8 Mo).


Le panorama classique à 4 images pour comparaison

Vers l'ouest
Vers le nord
Vers l'est
Vers le sud
Quatre images en mode portrait

J'ai utilisé manuellement PTGui Pro pour optimiser l'assemblage des quatre images. Le panorama de sortie a été réduit de 7000 x 3500 à 5000 x 2500 avant conversion pour produire ce QTVR cubique (1,8 Mo).


Conclusion:

Comme on pouvait s'y attendre, la qualité image au voisinage de la jointure unique du panorama 2-shots n'est pas tout à fait aussi bonne que celle que l'on observe aux alentours des jointures multiple du panorama à 4 vues ou plus. Un peu plus floue et un peu d'artefacts de couleur pourront être observés sous inspection à la loupe grossissante. Par ailleurs, les zones polaires (Zénith et Nadir) sont en apparence très égales en qualité image, ce qui est strictement attendu.

Mais lors d'un examen sans agrandissement notable, la différence de qualité entre les deux visuels est imperceptible dans une fenêtre en plein écran du moniteur. Il faut actionner le zoom à très fort niveau pour percevoir, en confrontation simultanée, la différence attendue.

La réputation de médiocrité persistante qui est attachée à la méthode du 2-shots est donc due plutôt à l'absence d'images de qualité disponible qu'à des défauts réellement avérés et intrinsèques à la méthode. Cette réputation de médiocrité mélangeant manque de piqué et aberration chromatique notamment est causée plus par manque d'exemple vécu que par vérité vérifiée. Il n'y a tout simplement pas de panorama 2-shots à voir sinon ceux qui sont encore fait à l'aide de compacts numérique sur-gonflés en pixels.

Le manque cruel et persistant d'objectif fisheye adéquat ne pourra que faire perdurer cette méprise. C'est bien dommage que l'on ne puisse pas profiter de la propriété unique du 2-shots qui fait gagner un temps de production énorme pas tant par économie sur le nombre de prises de vues (qui est quand même vraie) que par le gain provoqué par l'assurance d'absence de traitement pendant et après l'assemblage proprement dit.

La qualité image POTENTIELLE du 2-shots qui sera possible dès qu'un objectif convenable sera enfin disponible, n'est pas médiocre. Elle est en tout cas supérieure à ce qui caractérise beaucoup d'images jugées excellentes d'aujourd'hui. Les panographes du marché de l'immobilier, mais pas seulement eux, sont fort justement frustrés.


Michel Thoby

2 juin 2008