Focus-Bracketing

[Heribert Cypionka]

Liebes Forum,

immer mehr der neuen Kameras ermöglichen Bracketing, die automatische Erstellung von Belichtungsreihen mit der stufenweisen Variation von Zeit, Blende, Weißabgleich oder Fokus. Viele ermöglichen sogar Fokus-Stacking, basierend auf 4k-Videos, deren Frames direkt in der Kamera analysiert werden. Da frage ich mich, ob ich denn PICOLAY noch weiter entwickeln sollte. Die Antwort ist: Ja! Und die Begründung ist: Wegen der 3. Dimension.

Das Fokus-Stacking basierend auf den Videos (Post-Fokus-Verarbeitung) nutzt derzeit nicht die volle Auflösung der Kameras. Und vor allem werden neben dem scharfen Bild keine Tiefenkarten erzeugt, die man zur stereoskopischen Darstellung benötigt. Beim Bracketing kann die volle Auflösung des Kamera-Chips genutzt werden. Die Kamera erzeugt ganz normale einzelne Bilder, allerdings oft nur im jpg-, nicht im RAW-Format. Die Bilder können dann von jedem Stacking-Programm verarbeitet werden. Das funktioniert natürlich nicht am Mikroskop, wo der Fokus durch den Feintrieb und nicht durch das Kamera-Objektiv eingestellt wird. Aber es geht sehr gut im Makrobereich.

Ich habe es mit einer Lumix GX80 (einer Micro-Four-Thirds-Kamera) ausprobiert, zunächst mit dem normalen Vario 12-32 mm Objektiv, mit 16 Megapixeln. (Sorry, das ist noch nicht einmal ein richtiges Makrofoto.)  Man wählt die manuelle Einstellung, stellt auf den Kamera-nächsten Punkt scharf, das Fokus-Bracketing auf 0/+ (vom Startpunkt aus weiter entfernt fokussieren), die Schrittgröße auf 1 (oder 2),  eine ausreichende Anzahl von Schritten (20 - 60), wählt die größtmögliche Blende und löst (auf einem Stativ) aus. Ich habe den elektronischen Verschluss gewählt, damit mechanisch nix rappelt. Danach kommt das ganz normale Stacking ...

Hier ein verkleinertes Stilleben aus der Küche in 3D für Kreuz- und Gerade-Gucker:



Die anderen Formate nur als Link (dies ist ja nicht das Mikrofoto-Forum):

Volle Größe, 2D: www.picolay.de/forum/zkz_full.jpg

Viertelgröße für die Rot-Cyan-Anaglyphenbrille: www.picolay.de/forum/4tl_recy_zax100_per0_se2_vie2.5_x0_y0_z0.jpg

Und Viertelgröße animiert: www.picolay.de/forum/ZwiKnoZit.gif

Bildverarbeitung 100% PICOLAY - die gestern hochgeladene neue Version www.picolay.de

Herzliche Grüße

Heribert Cypionka

[Piper]

Lieber Herr Cypionka,

ein sehr interessanter Aspekt und ein Bild, welches zeigt, dass es funktioniert.
Kleine ergänzende Frage:
Wie lange braucht denn die Kamera, um einen solchen Stack, bestehend aus 20-60 Einzelbildern, automatisiert zu erstellen?

Herzliche Grüße
Jörg Piper

[Heribert Cypionka]

Lieber Herr Piper,

das geht normalerweise ruckzuck, in diesem Fall hat es allerdings fast 1 Minute gedauert. Die Beleuchtung erfolgte durch ein regentrübes Fenster, bei kleinster ISO-Zahl, das Objektiv erlaubte nicht mehr als Blende 5, so dass die Belichtungszeit 1 sec war...

Herzlichen Gruß

Heribert Cypionka

[Lupus]

Hallo,

ich kann den Vorteil der Fokus-Bracketing Funktion der Lumix GX80 in Verbindung mit Stacking bestätigen. Man spart sich viel Zeit. Allerdings sehe ich die Erzeugung von Stereobildern aus nur einem Blickwinkel mit Hilfe des Stackingprogrammes kritisch.

Das funktioniert bei relativ flachen, kontinuierlich konvexen Objektoberflächen wie der Orange oder den Zwiebeln perfekt, aber eben nicht bei den häufigen realen Gegenständen mit sehr starker Oberflächenkrümmung bzw. an Objekträndern vor strukturiertem Hintergrund, da dann das Programm durch Interpolation nicht Sichtbares hinzuerfinden muss. Erstaunlicherweise fällt das bei oberflächlicher Betrachtung im Allgemeinen nicht auf, man konzentriert sich da meist auf den Stereoeffekt und weniger auf Details.

Die saubere Lösung kann nur sein, das Fokus-Bracketing zweifach mit Stereobasis aufzunehmen und dann das linke und rechte Bild individuell zu Stacken. Was aber auf jeden Fall für die Weiterentwicklung von PICOLAY spricht!   

Hubert

[Heribert Cypionka]

Hallo Hubert,

vielen Dank für den Kommentar - klingt wirklich logisch. Es es gibt aber noch weitere Aspekte in der Praxis. Ich zähle mal einige auf:
 
- 1x stacken statt 2x geht schneller. Ein sehr schwaches Argument - wieviel Zeit stecken wir nicht alle in ein gutes Bild!

- Im Makrobereich ist es mit der Beleuchtung besonders kritisch (schlimmer als am Mikroskop, wo man verschiedene homogene Verfahren hat). Man arbeitet ja gern mit Schräglicht um die Strukturen hervorzuheben. Da kann man sich beim Verschieben sehr leicht Unstimmigkeiten der Schatten oder Lichtspitzen einfangen. Beim Eindimensionalen Stacking gibt es nur einen Schatten...

- Die Stereobasis beträgt ja nicht mehr einfach 6.5 cm, sondern wird kleiner und ändert sich jedes Mal mit der Vergrößerung und dem Arbeitsabstand. Das kann sehr leicht zur Streckung oder Stauchung der Bildtiefe führen, ist bei der Aufnahme kaum vorherzusehen, später nur schwer zu korrigieren und kann Kopf- und Augenschmerzen machen. PICOLAY kennt das Problem nicht, da die Länge der z-Achse virtuell perfekt anpassbar ist.

- Betrachtet man ein Stereobild aus verschiedenen Abständen - ändert sich die Tiefe: je näher, desto geringer - weil sich der Konvergenzwinkel der Augen ändert. (Einfach mal an dem Anaglyphenbild oben ausprobieren.) Mit PICOLAY kann ich in einer Sekunde anpassen, ob die natürliche Tiefe in 60 cm (Bildschirm), 2m (Ausstellung) oder oder 6 m (Vortrag) erscheinen soll. Das wird schwierig bei fixen Bilderpaaren. [Zum Ausprobieren einfach mal das Anaglyphen-Bild aus 0.3 und 3 m betrachten.]

- Weiterhin kann ich das gesamte Stapelbild und die Tiefenkarte beliebig drehen, bevor ich anfange, über 3D nachzudenken, während bei der Überlagerung von zwei fixen Bilder die Horizontale festgelegt ist.

Last not least, ich kann sogar das Ergebnis animieren. Besonders interessant und überraschend fand ich in meinem Beispiel, wie der Schatten rechts unten auf dem Knoblauch wandert http://www.picolay.de/forum/ZwiKnoZit.gif

- Und ja, es gibt immer wieder Artefakte, die man bearbeiten muss. Z. B. in meinem Viererblockbild die Stelle links oben, wo sich Zitrone und Brett treffen. Linkes und rechtes Bild unterscheiden sich da. Aber das lässt sich hinkriegen. In der Animation ist es kaum mehr zu sehen...

Herzlichen Gruß

Heribert

[Lupus]

Hallo Heribert,

das Thema Stereofotografie im Makro- und Mikrobereich ist sicherlich sehr komplex. Der Hinweis auf die Notwendigkeit, die Stereobasis jeweils individuell an die Vergrößerung, Objekttiefe, Betrachtungsabstand usw. anzupassen, ist natürlich vollkommen richtig. Ich wollte damit auch nicht absolut gegen die vereinfachte Aufnahmetechnik argumentieren. Aber wenn man mit kritischen Objekten optimale Ergebnisse will, sollte man die sich ergebenden Einschränkungen kennen.

Wenn ich wieder an meinen PC komme stelle ich mal ein einfaches Demonstrationsbeispiel vor, an dem man den Unterschied deutlich sieht. Aber wie gesagt - an "durchschnittlichen" Objekten fällt das Defizit sowieso nicht auf.

Hubert

[Lupus]

Hallo,

zur Demonstration des Unterschiedes zwischen einem synthetischen Stereobild mit Hilfe des Stackingprogrammes und einem Stereobild aus zwei unterschiedlichen Beobachtungsstandorten hatte ich vor einiger Zeit einige einfache Versuche gemacht. Die Bilder entstanden in Zusammenhang mit den Experimenten mit Smartphone und selbst gebastelter Vorsatzlupe https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=33386.msg245651;topicseen#msg245651

Die Bildqualität ist daher eher schlecht, es ging nur um Tests. Ich habe das verfügbare Bildfeld teilweise zur Bildung der Stereobasis soweit möglich ausgereizt, was u.a. an einseitiger Randunschärfe durch die Bildfeldkrümmung erkennbar ist.

Das Objekt ist ein gebogenes Papierstück, das auf einer ebenen Oberfläche (rotes Gitterraster ca. 0.5 mm Abstand) liegt. Das erste mit PICCOLAY erzeugte Stereo-Bild (jeweils Anaglyphen und Kreuzblick) lässt an dem Rand des Papierbogens, unter den man vom jeweiligen gerechneten Beobachtungsort blicken könnte, erkennen, dass dort zwangsläufig eine von der Realität abweichende Interpolation des Hintergrundes erfolgt (Verzerrung des Gitternetzes).

Außerdem ist deutlich sichtbar, dass der Papierbogen teilweise abgeflacht erscheint wie z.B. im obersten Bereich und dort wo er auf der ebenen Grundfläche aufliegt. Das liegt einfach daran, dass zur räumlichen Abbildung des Objektes mehr Zwischenebenen erforderlich wären als zur Abbildung der Schärfe. Zumindest gilt das im Makrobereich, weniger im Mikrobereich wo wegen der geringen Tiefenschärfe i.A. sowieso sehr viele Aufnahmen erfolgen müssen. Dieser "Kulisseneffekt", bei dem das Bild teilweise wirkt als wäre es aus mehreren ebenen, in der Tiefe versetzten Bildern zusammengesetzt, gibt solchen synthetischen Stereobildern oft eine seltsame flach wirkende Räumlichkeit.

Im Vergleich dazu ist das zweite Stereo-Bild aus zwei jeweils von einem unterschiedlichen Standort aufgenommenen, durch PICOLAY gestackte Fotostapel entstanden. Die Verzerrungen des Hintergrundes sind nicht vorhanden (wenn man von den üblichen hier nicht korrigierten kleineren Randartefakten durch das Stacken absieht).

Und man sieht bei diesem Bild einen gleichmäßigen Tiefenverlauf ohne Sprünge oder Abflachungen. Sogar die Bildfeldwölbung der Linse ist ausgeprägt erkennbar, obwohl diese durch die Einzelbilder praktisch nicht erfasst wurde.

Hubert

[Lupus]

Mit Stereobasis

[Heribert Cypionka]

Hallo Hubert,

vielen Dank für die schöne Demonstration! Tatsächlich und wie erwartet ist der Rand des Brückenbogens beim Einfachstack etwas breiter. Der augenfälligste Unterschied ist jedoch die Ausbuchtung des Hintergrunds im Doppelstack. Man will doch nicht die Bildfeldwölbung der Linse darstellen! Dann besser nur einen Stack. Ich verstehe auch nicht wirklich, wie das zustande kommt. Hat vielleicht mit dem Bilckwinkel zu tun, über den wir ja hier schon diskutiert haben...

Ich zeige hier noch einen Ausschnitt mit typischen Stackingartefakten wegen Lichtspitzen:



Das kann man mit einigem Aufwand an einem Bild (und der Tiefenkarte) korrigieren und das dann zu einem Stereobild machen. Hat man es an zwei Bildern mit verschiedenen Blickwinkeln, so muss man doppelt korrigieren und es wird dennoch nie perfekt passen. (Ja ich weiß schon: Sanft und ohne Spitzen ausleuchten - aber jeder weiß, das geht oft nicht)

Herzlichen Gruß

Heribert

[Lupus]

Hallo Heribert,

ich habe mich etwas kurz gefasst, daher noch eine ergänzende Erläuterung: Die Bildfeldwölbung ist zunächst nur ein Abbildungsfehler der von mir verwendeten simplen Optik. Er bewirkt aber, dass die ebene Grundfläche (rotes Gitternetz) sich zwangsläufig optisch wölbt. Und bei korrekter Stereoabbildung durch die Linse muss die Wölbung natürlich sichtbar werden. Jede gute Optik hat keine oder zumindest keine so ausgeprägte Bildfeldwölbung, daher ist so eine Wölbung im Normalfall auch nie sichtbar. Ich habe das "fehlerbehaftete" Beispiel aber gerade deshalb verwendet, weil man erkennen kann dass eine echte Stereoaufnahme jedes Höhendetail präzise abbildet. Dagegen hängt die Darstellung des Höhenreliefs bei dem "synthetischen" Stereobild ausschließlich vom Einzelbildabstand des Stacks ab, dieser Abstand bildet die maximale Höhenauflösung. In meinem ersten Beispiel wurde die Bildfeldwölbung überhaupt nicht erfasst, obwohl die Bilderstapel in beiden Fällen gleich groß waren, die ist sozusagen innerhalb des untersten Bildes des Bildstapels versteckt. Und das zeigt eben, dass die synthetische 3D-Darstellung für manche Anwendungen nicht realistisch genug ist.

Der andere Bildfehler, der durch die "synthetische" Stereoaufnahme entsteht, ist nicht eine Verbreiterung des Randes der Papierbrücke, sondern die teilweise Verzerrung des Hintergrundes an seinem Rand. Man sieht auf den beiden Kreuzblick-Fotos des ersten Beispiels einzelne rote Gitterlinien in Schlangenform oder ein Segment ganz ausgelöscht. Das fällt bei einem unruhigen Hintergrund natürlich nicht auf.

Apropos Tiefenkarte: Kann man zur Korrektur von Abbildungsfehlern beim Stacken diese nicht irgendwie mit den Einzelbildern überlagern, so dass man als Ergebnis erkennen kann, welche Bildbereiche in jeder einzelnen Bildebene zum Gesamtbild beitragen?

Hubert

[Heribert Cypionka]

Hallo Hubert,

vielen Dank für die Ergänzungen - teilweise kann ich denen folgen.

Bildfeldwölbung ist zunächst nur ein Abbildungsfehler der von mir verwendeten simplen Optik. Er bewirkt aber, dass die ebene Grundfläche (rotes Gitternetz) sich zwangsläufig optisch wölbt. Und bei korrekter Stereoabbildung durch die Linse muss die Wölbung natürlich sichtbar werden

Hm, eine ebene Grundfläche möchte ich gern eben sehen.

echte Stereoaufnahme jedes Höhendetail präzise abbildet

Tut sie ja in deinem Beispiel nur beim Einfachstack.

"synthetischen" Stereobild ausschließlich vom Einzelbildabstand des Stacks

Das stimmt nicht. Es sollten natürlich genügend Bilder in gleichmäßigen Abständen (sonst gibt es Verzerrungen) da sein. Ob ich doppelt so viel in halbem Abstand aufnehme, spielt keine Rolle...

synthetische 3D-Darstellung für manche Anwendungen nicht realistisch genug ist

In deinem Beispiel war jetzt aber nur die synthetische Darstellung realistisch.

teilweise Verzerrung des Hintergrundes an seinem Rand

Das wiederum könnte an eine mangelnden Zahl von Bilder liegen.

Kann man zur Korrektur von Abbildungsfehlern beim Stacken diese nicht irgendwie mit den Einzelbildern überlagern, so dass man als Ergebnis erkennen kann, welche Bildbereiche in jeder einzelnen Bildebene zum Gesamtbild beitragen?

Ja, das geht . Mit Hilfe der Mausfunktion 'Clone to result image' lassen sich Bereiche aus den Originalbildern in das (im rechte Fenster angezeigte) Stapelbild kopieren. Dabei wird automatisch auch die Tiefenkarte so geändert, dass dort die Tiefe des gerade aktiven Originalbildes eingetragen wird. Ist halt etwas mühselig , aber man kann so das perfekte Stapelbild erzeugen!

Herzlichen Gruß
Heribert

[Heribert Cypionka]

Hallo Hubert,

hab' noch mal drüber nachgedacht - und jetzt habe ich die Entstehung der Wölbung endlich verstanden.
Du schiebst das Objekt für die erste Aufnahme nach links, fängst an der linken Seite den Abbildungsfehler ein, während die rechte Objektseite in der Bildmitte ohne Fehler abgebildet wird. Dann schiebst du nach rechts, um den Bildfehler an der rechten Seite einzusammeln. Am Schluss kombinierst du die beiden verzerrten Bilder zu einem gewölbtem 3D-Bild. Mit PICOLAY bleibst du einfach in der Mitte und verzichtest auf die Fehler.

Herzlichen Gruß
Heribert

[Lupus]

Hallo Heribert,

danke für die rasche Antwort! Ich habe den Eindruck dass wir etwas aneinander vorbei reden    Ich versuche die nächsten Tage dazu noch etwas zu erläutern.

Zur letzten Frage: Ich kenne die Funktion mit dem Klonen. Ich dachte aber einen Schritt weiter, nämlich dass man eventuell mit Hilfe der Tiefenkarte konkret die Bildbereiche einer einzelnen Bildebene anzeigen kann, die im fertig gestackten Foto verwendet werden. Wenn ich z.B. 10 Bilder verwende und wissen möchte, welche Bildbereiche des 5. Bildes zum Gesamtbild beitragen, sollte es doch moglich sein, in der Tiefenkarte nur die Farben anzuzeigen, die dieser 5. Bildebene entsprechen?

Hubert

[Lupus]

Hallo Heribert,

"Dagegen hängt die Darstellung des Höhenreliefs bei dem "synthetischen" Stereobild ausschließlich vom Einzelbildabstand des Stacks ab, dieser Abstand bildet die maximale Höhenauflösung."

Das stimmt nicht. Es sollten natürlich genügend Bilder in gleichmäßigen Abständen (sonst gibt es Verzerrungen) da sein. Ob ich doppelt so viel in halbem Abstand aufnehme, spielt keine Rolle...

Die Erwiderung verstehe ich nicht. Für die Bildschärfe muss man natürlich nur "genügend" Bilder erzeugen.  Aber die Höhenauflösung hängt unmittelbar von der Anzahl der Bilder im Stack ab. Wenn man in dem Stillleben von z.B. 10 cm Tiefe nur 10 Bilder macht, kann man auch nur in ca. 1 cm breiten Stufen Änderungen der Tiefenstruktur auflösen. Die Anzahl der Bilder entspricht sozusagen der Pixelauflösung in z-Richtung. Und wenn ich ein 16 MP Bild aufnehme, dann erzeugen wenige Dutzend Pixel in der Tiefe je nach Objektstruktur ein sehr "flaches" Bild.

weil man erkennen kann dass eine echte Stereoaufnahme jedes Höhendetail präzise abbildet

Tut sie ja in deinem Beispiel nur beim Einfachstack.

Nein, man sieht dort doch ganz klar, dass die "Papierbrücke" beim Einfachstack abschnittsweise flach dargestellt wird, und die Bildfeldkrümmung erkennt man in dem Beispiel u.a. wegen der für diesen Zweck zu geringen Bildzahl auch nicht. Dass die Bildfeldwölbung wegen der Aufnahmetechnik der echten Stereoaufnahme (Verwendung des Randbereiches) stärker sein muss, hat mit dem prinzipiellen Tiefenauflösungsproblem nichts zu tun.

Ich habe noch ein Anaglyphen-Beispiel eines synthetischen Stereobildes mit dem gleichen einfachen Objektiv angehängt, ein ebenes Gitter mit PICOLAY aus einem einzigen Stack aber mit dichterer Bildfolge. Das Tiefenbild ist ebenfalls beigefügt. Die Bildfeldkrümmung ist natürlich auch da zu erkennen.

Der andere Bildfehler ... ist ... die teilweise Verzerrung des Hintergrundes an seinem Rand

Das wiederum könnte an eine mangelnden Zahl von Bilder liegen.

Der Effekt ist prinzipbedingt unabhängig von der Bilderzahl, da man von einem einzigen Standort aus nicht unter einen vom hochliegenden Objektteil abgedeckten Bildbereich blicken kann. Und für die beiden Stereo-Beobachtungspunkte L und R müsste man das (siehe Grafik 1 des dritten Bildes). Bei der Erzeugung der jeweiligen Perspektive für L und R  wird ja im Prinzip zumindest bei Parallelperspektive nur jedes Bild in Abhängigkeit von der jeweiligen Bildhöhe verschoben, dabei muss die beschriebene Lücke der jeweils unteren Bilder gefüllt werden (Grafik 2). Das geht durch Interpolation, funktioniert aber nicht wenn sich dort unbekannte Strukturen verstecken. Bei Mikrobildern mit verwendeter hoher NA des Objektives besteht das Problem eigentlich nicht, da man quasi unter die Abdeckung blicken kann (Grafik 3). Dafür entstehen dabei andere Bildfehler außerhalb der Abdeckung, da gab es in Verbindung mit Schmetterlingsflügelschuppen hier schon mal eine Diskussion.

Im letzen Foto sind diese jeweils auf der entsprechenden Beobachterseite (linkes oder rechtes Auge) liegende Bildverzerrungen des Hintergrundes nochmals blau umrandet hervorgehoben.

Hubert

[Lupus]

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