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Digitale Mehrebenen-Fotografie (DMF) / Digitale Fokuserweiterung

Table Of Contents


Die extreme Vergrößerung in der Makrofotografie birgt ihre technischen Grenzen in der Abbildungsleistung. Es ist selbst mit extrem hochwertiger Ausrüstung nur eine minimale Tiefenschärfe möglich. 3-dimensionale Objekte wie Mineralien können nur ausschnittsweise abgebildet werden. Man spricht von einer Schärfeebene auf der die Ausschnitte scharf abgebildet werden. Da dieser Problematik physikalisch kaum beizukommen ist, haben sich Entwickler der „Digitalen Mehrebenenfotografie“ angenommen.

Das Prinzip ist relativ simpel. Wenn pro Ebene nur einzelne Punkte scharf zu stellen sind, fertigt man zahlreiche übereinander liegende Schärfeebenen an und setzt sie zusammen. Dabei wird jeweils der schärfste Bereich eines Bildes mit dem schärfsten Bereich des nächsten Bildes (Schärfeebene) zusammengefügt. Nach und nach entsteht ein Bild mit größeren Schärfebereichen.

Dies funktioniert relativ einfach, wenn alle Bilder exakt übereinander liegen und genau denselben Bildausschnitt darstellen. Schwierig wird es bei der Stereomikroskopie, bei der die Aufnahmeachse meist um einige Grad gekippt ist. Es entsteht pro Bild ein seitlicher Versatz der vor dem Zusammenfügen der Bilder korrigiert werden muss. Dies ist mit einfachen Mitteln wie einer Bildbearbeitung nur mit sehr guten Kenntnissen und extremen Zeitaufwand möglich.

Focuserweiterung
Focuserweiterung
Beispielbild Versatz beim Stacken
Copyright: Stefan; Contribution: Stefan
Image: 1128785376
License: Usage for Mineralienatlas project only
Focuserweiterung

Beispielbild Versatz beim Stacken
Stefan

Abhilfe schafft Software zur „Digitalen Mehrebenenfotografie“. Heute erhältliche Programme können sowohl den Versatz korrigieren als auch die schärfsten Bereiche der Bilder zusammen fügen.

Besonders zu erwähnen sind die kostenlose Software „CombineZ“ und die Software „Helicon Focus“, die durch ihre Geschwindigkeit und einfache Handhabung überzeugt.

In der folgenden Bilderserie ist mit einem roten Punkt die Bildmitte markiert. Der grüne Punkt kennzeichnet immer die selbe Stelle auf dem abgebildeten Objekt. Der blaue Punkt zeigt auf einen aktuell scharf dargestellten Bereich. Die Abstandsänderung zwischen grünem und roten Punkt zeigt den Versatz der Schärfeebene.

Beispielbild 1
Beispielbild 1
Roter und grüner Punkt decken sich. Das vordere Quadrat des Kristalls wird scharf dargestellt.
Copyright: Stefan; Contribution: Stefan
Image: 1128783303
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Beispielbild 1

Roter und grüner Punkt decken sich. Das vordere Quadrat des Kristalls wird scharf dargestellt.
Stefan
Beispielbild 2
Beispielbild 2
Der grüne Punkt verschiebt sich weiter nach links. Eine Kantenlinie des Kristalls weiter unten wird scharf dargestellt.
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Beispielbild 2

Der grüne Punkt verschiebt sich weiter nach links. Eine Kantenlinie des Kristalls weiter unten wird scharf dargestellt.
Stefan

Beispielbild 3
Beispielbild 3
Der grüne Punkt verschiebt sich nach links. Eine senkrechte Kantenlinie des Kristalls weiter unten wird scharf dargestellt. Das Quadrat im Vordergrund ist nicht mehr zu sehen. Anstelle dessen tritt die Oberfläche unter dem transparenten Kristall scharf hervor (Der Kristall wirkt unsichtbar).
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Image: 1128783345
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Beispielbild 3

Der grüne Punkt verschiebt sich nach links. Eine senkrechte Kantenlinie des Kristalls weiter unten wird scharf dargestellt. Das Quadrat im Vordergrund ist nicht mehr zu sehen. Anstelle dessen tritt...
Stefan
Beispielbild 4
Beispielbild 4
Der grüne Punkt verschiebt sich weiterhin nach links. Die letzte Kantenlinie des Kristalls weit unten wird scharf dargestellt.
Copyright: Stefan; Contribution: Stefan
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License: Usage for Mineralienatlas project only
Beispielbild 4

Der grüne Punkt verschiebt sich weiterhin nach links. Die letzte Kantenlinie des Kristalls weit unten wird scharf dargestellt.
Stefan

Beispielbild 5
Beispielbild 5
Der grüne Punkt verschiebt sich erneut. Die Matrix links unter dem Kristall wird scharf dargestellt. Der vordere Teil des Kristalls wird unscharf.
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Image: 1128783373
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Beispielbild 5

Der grüne Punkt verschiebt sich erneut. Die Matrix links unter dem Kristall wird scharf dargestellt. Der vordere Teil des Kristalls wird unscharf.
Stefan
Beispielbild 6
Beispielbild 6
Das zusammengerechnete Bild aus 27 Schärfeebenen, die teilweise zuvor dargestellt wurden und mit "Helicon Focus" zusammen gerechnet wurden.
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Image: 1128786343
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Beispielbild 6

Das zusammengerechnete Bild aus 27 Schärfeebenen, die teilweise zuvor dargestellt wurden und mit "Helicon Focus" zusammen gerechnet wurden.
Stefan

In Bild 6 ist das kompromisslos scharfe Bild von vorne bis in den Hintergrund zu sehen.

Hier und da lohnt es sich die verschiedenen Softwaren mit der selben Aufgabenstellung zu testen, da teilweise bedingt durch Transparenz etc. andere Ergebnisse erzielt werden. Der größte Teil der Bilderstapel wurde bei zahlreichen Testreihen absolut zufriedenstellend durchgerechnet und der Autor bezweifelt, dass ähnliche Ergebnisse mit händischer Bearbeitung noch erzielt werden können.


Kameraeinstellungen

Um zusammenfügbare Bilder zu erhalten ist es wichtig einige Punkte bei der Aufnahme zu beachten:

Um eine gleichmäßige Belichtung über die Stacks zu garantieren sind Blende und Belichtungszeit der Kamera zwingend fest einzustellen.

Gleiches trifft auf den Fokus zu. Die Verschiebung der Ebene sollte mit dem Mikroskopvortrieb oder einer analogen Einrichtung erfolgen. Bei nicht fixiertem Fokus kann passieren, dass die Kamera immer versucht einen bestimmten Punkt scharfzustellen und keine wirkliche Ebenenverschiebung stattfindet.

Bei Spiegelreflexkameras (SRL) sollte mit Spiegelvorauslösung gearbeitet werden, da die Erschütterung des Spiegelschlags zu Unschärfe führen kann. Ersatzweise kann mit Selbstauslöser oder Fernauslöser wenigstens die durch manuelles Auslösen verursachte Erschütterung vermieden werden.

Sofern mit Balgengerät und Makroobjektiv gearbeitet wird (nicht am Mikroskop) kommt der gewählten Blende eine große Bedeutung für die Schärfe zu. Kleine Blenden (16, 22, 32 ...) führen zunächst zu einer größeren Schärfentiefe. Jedoch kommt es bei kleinen Blenden zu Beugungserscheinungen, die wiederum die gesamte Schärfe verringern. Die kleinste Blende, die noch nicht zu bildwirksamen Unschärfen führt, wird als förderliche Blende bezeichnet. Dieser Blendenwert hängt von vielen Faktoren ab und ist u.a. wellenlängen- (also farb-) abhängig. Beispielsweise wäre die förderliche Blende bei einem Maßstab von 1:2 (zweifach vergrößert auf den Sensor abgebildet) für eine mittlere Wellenlänge von 550 nm und einen Unschärfekreis von 0,03mm mit etwa 16 anzugeben. Unabhängig davon gibt es für jedes Objektiv konstruktionsbedingt eine Blende, bei der die Abbildungsleistung (Qualität) maximal ist, die optimale Blende . In der Regel ist die optimale Blende (weil recht groß -> geringe Schärfentiefe) in der Makrofotografie weniger geeignet. Mit der DMF kann dennoch mit der optimalen Blende gearbeitet werden da die Schärfentiefe über eine entsprechnede Anzahl von Ebenen erzeugt werden kann. Die Ermittlung der optimalen Blende muss (für jede Vergrößerung und Blende) experimentell erfolgen.

Faustregel: optimale_Blende = 50 / ( M + 1 ) wobei: M=Vergrößerungsfaktor


Blende am Mikroskop

Wird eine Kamera mit Objektiv am Mikroskop angesetzt hat die in der Kamera eingebaute Blende nur sehr geringen Einfluss auf die Schärfentiefe. Wird die Kamera dagegen ohne Objektiv (z.B. mit einem Fototubus) auf das Mikroskop aufgesetzt wirkt die Öffnung ( = numerische Apertur ) als feste Blende. Zwar können in teueren Mikroskopen teilweise sogenannte Aperturblenden eingesetzt werden -diese würden auch die Schärfentiefe erhöhen- jedoch ist davon eher abzuraten, da die Auflösung immer durch Verkleinerung der Apertur sinkt. Das Auflösungsvermögen (d) eines Mikroskops kann nach der Formel: d = l / (2*A) berechnet werden. Dabei setzt man für l (grünes Licht l=550nm) die Wellenlänge des Lichtes und für A die Apertur (z.B. für MBS-10 A=0,03 und A=0,08) ein. Im ungünstigeren Fall liegt man beispielsweise beim MBS-10 bei einer Auflösung von knapp 1/100 mm. Auf eine (längere) Bildkante von 8mm gerechnet bedeutet das man die Kamera-Auflösung von z.B. 5 Megapixeln nur zu etwa 1/10 ausnutzen kann. Teuere Mikroskope weisen allerdings u.U. eine viel höhere Apertur auf.


Anzahl der Ebenen (Stack)

Die benötigte Anzahl von Ebenen richtet sich nach vielen Faktoren. Einmal ist natürlich die "Tiefe" (die man scharf haben möchte, muss nicht immer alles sein!) des Objekts entscheidend. Und dann kommt es auf die tatsächlich in der Einzelaufnahme erzielbare Schärfentiefe an. Die könnte man nach Näherungsformeln berechnen. Als Ausgangswerte für die Berechnung der Schärfentiefe dienen Brennweite, Distanz und gewählte Blende sowie Auflösung (genauer: Durchmesser des Zerstreuungskreises) und Vergrößerungsfaktor. Allerdings kann man sich diese Berechnung in der Mikro- und Makro-Praxis sparen, diese Formeln stimmen nämlich im Nahbereich nicht mal näherungsweise (es kommen viel zu große Werte heraus). Den tatsächlichen Wert für die Schärfentiefe muss man wieder experimentell ermitteln. Die Anzahl der (möglichst gleichabständig gelegten) Ebenen errechnet sich dann: benötige_Tiefe / experimentell_ermittelte_Schärfentiefe.

Allgemein kann gesagt werden, umso höher die optische Vergrößerung desto mehr Ebenen werden werden für den gleichen Vortrieb benötigt.


Software

Schon vor einigen Jahren ist man auf die Idee gekommen jeweils scharfe Bildteile händisch (z.B. mit Photoshop) aus einzelnen Ebenen-Bildern auszuschneiden und puzzleartig ein Gesamtbild zusammenzusetzen. Nur in wenigen Fällen ist dies tatsächlich möglich. Einerseits weist jede Bildebene durch die Fokusierung eine geringfügig abweichende Vergrößerung auf, andererseits erfordern die sichtbaren Konturen der einzelnen Auschnitte weitere Nachbearbeitung.

Moderne Software wie CombineZ oder Helicon Focus führen (wenigstens) folgende Schritte automatisch durch:

  • Skalierung aller Ebenen zueinander
  • Justage (shift) aller Ebenen zueinander
  • Festlegung der scharfen Bereiche / Ebene
  • Berechnung einer "Tiefen-Tabelle"
  • Interpolation des scharfen Bildes

Da z.B. CombineZ intern über Fast Fourier Transformation (FFT) arbeitet ist mit derartiger Software grundsätzlich ein wesentlich besseres Resultat als mit Handarbeit möglich. Allerdings rechnen selbst moderne PCs bei einer Rohdatenmenge von z.B. 800 Megabyte schon einige Minuten.

Eine Reihe weiterer Programm wird mehr oder weniger erfolgreich für die DMF eingesetzt, je nach Vorgehensweise und Randbedinungen können auch damit gute oder sogar sehr gute Resultate erzielt werden:


Quellangaben


Weblinks


Einordnung