Samstag, 6. April 2013

Focus-Stacking

Um kleinsten Objekten viel Tiefenschärfe im Bild zu verleihen, kann man sich der Technik des 'Fokus-Stapelns' (engl. Focus-Stacking oder Stacking) bedienen. Hierbei werden viele Einzelaufnahmen mit geringer Tiefenschärfe zu einer Aufnahme mit hoher Tiefenschärfe zusammengerechnet. 

Abbildung 1 zeigt die Einzelbilder, die verwendet werden sollen, um den gezeigten Ameisenkopf einer C. ligniperdus Arbeiterin über die ganze Tiefe scharf darzustellen.  

Abbildung 1: Beginnend bei Bild 1 wandert die Fokusebene entlang der durch den roten Pfeil schematisch dargestellten z-Achse nach hinten. Der grüne Bereich zeigt die Verschiebung des scharfen Bereiches. Aufnahme: D5100; 105mm Nikkor 1:2.8G ED;68mm Auszugsverlängerung; 28mm Tokina MF in Retrostellung. Abbildungsmaßstab 6:1
Die Bilder wurden im RAW Format in Adobe Photoshop CS6 überblendet. Dazu findet man unzählige Tutorials, hier die kurze Form:

  1. Menü: Datei/Automatisieren/Fotomerge.
  2. In der erscheinenden Maske links 'Auto' wählen sonst alle Häkchen entfernen und die zu überblenden Fotos auswählen. Das Laden und Positionieren der Fotos kann einen Augenblick in Anspruch nehmen. 
  3. Menü: Bearbeiten/Ebenen automatisch überblenden Option 'Bilder stapeln'

Das überblendete Bild wurde nachträglich von mir beschnitten, um die unscharfen Randbereiche zu entfernen. Den störenden unscharfen braunen Fleck im Vordergrund habe ich ebenfalls manuell entfernt. Kontrast- und Helligkeitsanpassung führten letztlich zu Abbildung 2: 

Abbildung 2: Stacking aus 6 Einzelbildern. Durchgeführt in Adobe CS6. Einzelbilder aus Abbildung 1.  


Vorteile der Methode:

Man umgeht das Problem der Beugungsunschärfe (engl. Diffraction) und kann mit relativ offener Blende Arbeiten. Natürlich ist die Methode auch geeignet die Tiefenschärfe über die kleinste Blende hinaus zu erhalten. 

Nachteile:

Ich habe bisher aber noch keine Stacking Aufnahme gefunden, bei der man nicht die Artefakte des Stackings gesehen hätte. Es gibt durchaus sehr hochwertige Stackings, diese benötigen aber sehr viel manuelle Kuration und sind nicht einfach per Knopfdruck in der jeweiligen Software zu erhalten. Man sollte immer testen, ob das Ergebnis mit der kleinsten Blende nicht besser aussieht als das Stacking. 

Das zu fotografierende Objekt sollte sich nicht bewegen. Das heisst bewegte Objekte zu stacken is nahezu unmöglich.
Um die einzelnen Fotos anzufertigen ist ein millimeterweises bewegen der Kamera notwendig. Dafür benötigt man einen relativ teuren Makroschlitten. 
Ein gutes Stacking kostet viel Zeit, sowohl bei der Aufnahme als auch in der Bearbeitung. 

Was muss man beachten:

Man sollte das zu stackende Objekt möglichst so fotografieren, dass es wenig Überlappungen gibt, die in unterschiedlichen Schärfeebenen liegen. Diese führen zu den stärksten Artefakten bei den automatisierten Stackings. 

Freitag, 5. April 2013

Makroaufnahmen mit der Kompaktkamera?

Häufig ist die erste Digitalkamera eine Kompaktkamera, die heutzutage mit diversen Automatikmodi ausgestattet ist. Einer dieser Modi ist in der Regel 'Makro'. Gibt man sich ein wenig Mühe erreicht man mit diesen günstigen Modellen im Makromodus erstaunliche Aufnahmen mit großer Tiefenschärfe ohne jegliches Equipment. Abbildung 1 zeigt eine Ameise mit Brut, freihand fotografiert. 
Abbildung 1: Ameisen mit Brut. Fotografiert mit Canon PowerShot S2H2 im Makromodus ohne weitere Ausrüstung.  

Bekommt man nun Lust auf mehr, und kauft sich eine Mittelklasse DSLR sind die ersten Aufnahmen häufig ernüchternd: Unscharfe Fotos, geringe Tiefenschärfe. 

Warum schlägt sich die Kompaktkamera so gut? Das hat im wesentlichen drei Gründe: 

  • Ein kleiner Sensor
  • Ein fixes Objektiv, dass evtl. durch Verstellung der optischen Elemente in einen 'Makro-Zustand' versetzt wird, in dem der Fokus auf nahe Objekte möglich, der Fokus in die Unendlichkeit aber unmöglich wird.
  • Relativ kleine Auflösung. 

Zunächst klingt all das überraschend, da all die oben genannten Punkte eigentlich bei den 'Pro' Argumente aufgezählt werden, wenn es um Kompakt gegen DSLR geht. 

Beschäftigt man sich mit der Physik, die hinter dem Foto steckt, wird schnell klar, wieso diese vermeintlichen Vorteile der DSLR zunächst einmal Nachteile sind:

Die Sensorgröße: 

Im Makrobereich zählt der Abbildungsmaßstab. Möchte ich nun ein Objekt 1:1 abbilden, so ist das auf einem großen Sensor (DSLR) schwieriger, als auf einem kleinen Sensor. Schwieriger heisst hier ganz einfach man muss näher an das Objekt ran, um die Größe im Abbild zu erhöhen. Abbildung 2 verdeutlich diesen Umstand. 
Abbildung 2: Die rote Fliege wird formatfüllend auf dem kleineren roten Sensor abgebildet. Würde die rote Fliege hingegen mit dem blauen Sensor und der gleichen Optik fotografiert, ihr Abbild würde nur circa die Hälfte des Sensors belegen. Erst wenn man sich der Fliege soweit nähert wie hier durch die blaue Fliege angezeigt, erreicht man ein formatfüllendes Fliegenfoto bei blauer Sensorgröße.
Grundsätzlich überwiegen die Vorteile des großen Sensoren, aber zunächst erleichtert ein kleinerer Sensor eine Makroaufnahme also bzgl. der Aufnahme Distanz. 


Das Objektiv

Das häufig verkaufte Kit-Objektiv der DSLR wird eine relativ weite Naheinstellgrenze haben, das heisst, es kann nur bis etwa 30 Zentimeter vor der Kamera fokussieren. Warum das ein Problem ist, ergibt sich aus Abbildung 2. Eigentlich müssen wir näher ran, aber da versagt der Fokus des Objektivs - Scharfstellen ist in dieser Distanz nicht mehr möglich. Da hochwertige Objektive in der Regel groß, schwer und kompliziert sind, besteht hier nicht die Möglichkeit einfach eine Linse zuzuschalten oder zu versetzen, um die Naheinstellgrenze zu erhöhen, wie es in der Optik der Kompaktkamera möglich ist. 

Je mehr Tele ein Objektiv hat (also große Brennweiten), desto geringer die Naheinstellgrenze. Manche Teleobjektive haben tatsächlich auch einen Makro-Modus, dieser gruppiert dann die optischen Elemente so um, dass die Naheinstellgrenze herabgesetzt wird. 

Auch hier gilt, der Makromodus der Kompakten ist immer nur ein Kompromiss. Hat man tatsächlich ein Makroobjektiv mit Abbildungsmaßstab 1:1 wird man die Kompakte in Bildqualität schlagen, aber dafür ist zunächst eine (ggf. teure) Investition in ein neues Makroobjektiv nötig. 

Die Auflösung: 

Wie kann weniger Auflösung zu einem besseren Bild beitragen? Hier muss man das Verhältnis von Auflösung zu Chip Größe betrachten. In der Regel steigt die Auflösung bei DSLR schneller als der Chip wächst. Daraus folgt, dass die eigentlichen Pixel auf dem Chip kleiner sind bei DSLRs. Abbildung 3 verdeutlicht das Prinzip der Beugung von Licht. Bei einer kleinen Blende (B) wechsel wirken die Lichtstrahlen und werden gebeugt (engl. Diffraction). Bei einer großen Blende ist dieser Effekt kleiner (A), es tritt weniger Beugung auf. Sind nun die Pixel auf dem Chip größer, kann mehr Beugung kompensiert werden, das ist bei einer Kompaktkamera der Fall. Bei einer Vollformat Kamera sind die Pixel sehr klein. Das heisst, hier führt die Beugung schneller zu negativen Bildeffekten bei kleinen Blendenöffnungen. 

Abbildung 3: Beugungseffekte an der Blende. A) Kaum Beugung, das minimal gestreute Licht trifft immer noch einen Pixel auf dem Sensor. B) Kleine Blende, das stark gebeugte Licht trifft mehrere Pixel auf dem Sensor. Die Folge sind Unschärfe. Je kleiner die Pixelanzahl pro Fläche, desto schneller treten negative Effekte durch Beugung auf.





Donnerstag, 4. April 2013

Abbildungsmaßstab

Der Abbildungsmaßstab ist ein Wert, anhand welchem entschieden wird, ob eine Aufnahme im Bereich der Makrofotografie anzusiedeln ist. Der Abbildungsmaßstab wird in der Regel als Bruch angegeben zum Beispiel 1:1.

Er besagt welches Größenverhältnis das fotografierte Objekt in der echten Welt in Bezug auf sein Abbild auf dem Chip der Kamera hat. Eine saubere Definition, ab wann von Makrofotografie die Rede ist, gibt es allerdings nicht.

Wiederkehrende Einteilungen sind

  • Abbildungsmaßstäbe von 1:10 - 1:1 Makrofotografie
  • Abbildungsmaßstäbe von 2:1 - 10:1 Mikrofotografie 
  • Abbildungsmaßstäbe größer 10:1 Lupenfotografie

Abbildung 1 verdeutlicht das Prinzip des Abbildungsmaßstabs an einem DX-Format Chip von Nikon. Die gezeigte Fliege ist circa 11mm lang. Bei einem Abbildungsmaßstab von 1:1 hat ihr Abbild auf dem Chip exakt die gleiche Größe. Da der Chip 15.8 mm hoch ist, passt das Abbild der Fliege komplett auf den Chip. Bei einem Abbildungsmaßstab von 1:10 ist das Abbild der Fliege nur 1/10 der tatsächlichen Fliegengröße. Umgekehrt verhält es sich bei größeren Abbildungsmaßstäben, hier gezeigt ist 5:1, bei dem nur noch ein Teil der abgebildeten Fliege auf den Chip passt. 

Abbildung 1: Verdeutlichung des Abbildungsmaßstabes anhand einer Fliege und einem Kamera Chip im DX-Format von Nikon.
Der Abbildungsmaßstab lässt sich a priori über Formeln bestimmen. Hierfür sei auf die exzellente Erklärung von Elmar Baumann verwiesen. Kombiniert man aber verschiedene Systeme in der Makrofotografie wie beispielsweise Zwischenringe, Balgengeräte, Objektive in Retro-Stellung und Achromaten, dann wird die exakte Berechnung schnell mühsam und kompliziert. Hier eignet sich für die Bestimmung des Abbildungsmaßstabs ein empirisches Vorgehen:

Abbildung 2 zeigt verschiedene Makro Setups und gibt die Abbildungsmaßstäbe an. Diese wurden mit Hilfe eines einfachen Matermaßes bestimmt. Der gemessene Abschnitt des Bandes ist bei Abbildungsmaßstab 1:1 genau 23.6 Millimeter (Abbildung 2, A), d.h. wir erhalten: 

23.6mm  (Breite des DX-Chips) : 23.6mm (Abbild des Bandes) = 1:1 (Makrofotografie)

Sehen wir auf dem Bild nur 4 mm (Abbildung 2, C):

23.6mm  (Breite des DX-Chips) : 4.00mm (Abbild des Bandes) =  6:1 (Mikrofotografie)

Abbildung 2: Einfluss verschiedener Techniken auf den Abbildungsmaßstab und empirische Berechnung. Mögliche Fehlerquellen sind das nicht korrekt ausgerichtet Metermaß sowie nicht gründliche Beschriftung des selbigen.