Superscharfe Wirklichkeit

Sollen Fotomotive von vorne bis hinten scharf abgebildet werden, ist dies manchmal nicht durch eine einzelne Aufnahme realisierbar. Dann hilft eine Aufnahmeserie aus Fokusvarianten und deren Kombination per Focus Stacking zu einem Bild.

Manche Fotomotive und Bildgestaltungsabsichten verlangen nach Aufnahmen, bei denen das Motiv ein beliebiger Gegenstand – von ganz vorne bis ganz hinten gleichermassen scharf abgebildet werden soll. Dies lässt sich fotografisch durch gewisse Aufnahmeeinstellungen, die Verwendung von entsprechendem Foto-Equipment (z. B. Tilt-Shift-Objektiv) sowie durch verschiedene Aufnahmetechniken realisieren.

Um einen Gegenstand zu fotografieren, stellt der Fotograf üblicherweise manuell über den Fokusring oder im Autofokus-Betrieb durch Platzieren eines AF-Punkts auf die wichtigste oder markanteste Stelle seines Fotomotivs scharf. Dazu wählt er eine möglichst kleine Blendenöffnung (einen hohen Blendenwert), denn damit erweitert sich die sogenannte Schärfentiefe. Es werden so nicht nur Objekte, die in der eingestellten Distanz und damit auf der gleichen Schärfe­ebene liegen, scharf abgebildet, sondern auch Objekte davor und solche dahinter (näher zur bzw. weiter weg von der Kamera).

Doch nicht immer kann ein Fotomotiv komplett scharf wiedergegeben werden. Manchmal reichen selbst allerkleinste Blendenöffnungen nicht für die benötigte Schärfentiefe aus. Vor allem führen kleine Blendenöffnungen zu abnehmender Schärfe des Bildes aufgrund der Beugung der Lichtstrahlen (Diffraktion). In der Makro- und insbesondere in der Mikrofotografie, wo die Schärfentiefe im Millimeterbereich liegt, stösst man denn noch rascher an die Grenzen des Machbaren.

Focus Bracketing und Stacking

Was in diesen Fällen weiterhilft, ist das als Focus Stacking bezeichnete Verfahren, bei dem aus einer Reihe von Aufnahmen mit jeweils leicht variierter Fokus- bzw. Distanzeinstellung ein neues Bild mit erweiterter Schärfentiefe erzeugt wird. Focus Stacking wird deshalb zu den Multishot-Verfahren (wie HDR oder Panoramen) gezählt.

Bei einer Fokus-Reihe bildet jede einzelne Aufnahme eine andere Schärfeebene ab und es entsteht ein Stapel (englisch stack) aus Fotos mit gestaffelter Schärfeebene. Dieser Fotostapel wird anschliessend per Software zu einem Bild kombiniert, das jeweils die scharfen Bereiche der einzelnen Aufnahmen zeigt. Bei kleinen Fotomotiven kann alternativ die Aufnahmedistanz bei unveränderter Fokuseinstellung schrittweise geändert werden, um so die einzelnen Schärfeebenen zu erfassen. Dazu wird die Kamera auf einer Makroschiene montiert, um sie manuell oder elektrisch zu verschieben. Durch dieses Vorgehen wird das Problem umgangen, dass sich mit unterschiedlicher Fokussierung die Abbildungsgrösse minimal ändert.

Arbeitsschritte

Der Herstellungsprozess für ein solches Bild umfasst immer zwei Arbeitsschritte: die Fokus-Reihe und die Bildbearbeitung.

Als ersten Schritt müssen mehrere Aufnahmevarianten mit unterschiedlichen Fokus- bzw. Distanzeinstellungen gemacht werden, wobei der Fokus manuell oder automatisch in kleinen Schritten verändert wird. Für eine automatisch gesteuerte Fokus-Reihe wird entweder extern ein Steuerungsprogramm (spezialisierte Tether- oder Remote-Software) auf Computer, Tablet oder Smartphone verwendet oder stattdessen eine allenfalls vorhandene kamerainterne Focus-Bracketing-Funktion genutzt. Bislang verfügen nur wenige Kameras über Focus Bracketing, und noch weniger Modelle beherrschen das interne Focus Stacking.

Die Anzahl der für eine Fokus-Reihe benötigten Aufnahmen ist abhängig von Motiv, Aufnahmeabstand, verwendeter Brennweite und eingestellter Blende – sowie dem Qualitätsanspruch. Mindestens zwei Aufnahmen braucht es, häufig aber ein halbes bis ein oder zwei Dutzend. Manchmal – gerade in der Mikrofotografie – können weit mehr als hundert Aufnahmen nötig sein. Mit höheren Blendenwerten (grössere Schärfentiefe) werden weniger Aufnahmen gebraucht als mit einer geöffneten Blende. Idealerweise erfolgen die Aufnahmen mit dem für das Objektiv optimalen Blendenwert.

Im zweiten Schritt werden alle Aufnahmen der Fokus-Reihe so kombiniert, dass jeweils nur die scharfen Bereiche in das finale Bild übernommen werden. Dies lässt sich mit einer spezialisierten Software oder mit einem universellen Bildbearbeitungsprogramm erledigen.

Anwendungen für Focus Stacking

Bei gewissen Fotomotiven wird gerne kreativ mit partieller Schärfe und viel Unschärfe gestaltet. Fotografen wählen beispielsweise für Porträts vor einem unruhigen, ablenkenden Hintergrund eine weit geöffnete Blende, um den störenden Hintergrund mit der daraus resultierenden geringen Schärfentiefe verschwimmen zu lassen. Für Produktfotos (z. B. Uhren, Schmuck) und bei dokumentarischen Sach- sowie (natur-)wissenschaftlichen Nahaufnahmen (z. B. Insekten, Pflanzen) ist dagegen meist eine maximale Schärfentiefe für eine detaillierte Wiedergabe gefragt.

Bei Makroaufnahmen und besonders in der Mikrofotografie ist die Schärfentiefe äusserst gering. In diesen Fällen kommt Focus Stacking beinahe immer zum Einsatz, denn da soll die Aufnahme einer Biene nicht bloss deren Augen oder Fühlerspitzen, sondern den ganzen Kopf und vielleicht auch den Körper, die Beine und Flügel deutlich zeigen.

Focus Stacking ist aber nicht auf Makro- und Mikroaufnahmen beschränkt, sondern kann auch bei grösseren Sachaufnahmen (Instrumente, Möbel, Fahrzeuge) oder Innenarchitekturfotos und sogar für Architektur- und Landschaftsaufnahmen eingesetzt werden.

Weil Focus Stacks aus mehreren zeitlich versetzten Aufnahmen entstehen, deren Anfertigung sich über einen Zeitraum von wenigen Augenblicken bis hin zu mehreren Minuten erstrecken kann, eignet sich Focus Stacking – wie andere Multishot-Verfahren – nur für statische Motive. Selbst geringe Veränderungen und Bewegungen im Fotomotiv können sich als problematisch erweisen und ein brauchbares Bildresultat verunmöglichen. In jedem Fall erhöht sich dadurch der Arbeitsaufwand. Retuschieren und Maskierung von Bildbereichen, die Bewegtes oder Änderungen enthalten oder das Auslassen eines Bildes beim Stacking können in solchen Fällen helfen.

Geeignetes Equipment

Wenn häufig Focus Stacking eingesetzt werden soll, ist es effizienter, entsprechendes Equipment zu verwenden. Dasselbe gilt auch für die Software. Mit optimaler Ausrüstung lässt sich das monotone Anfertigen einer Fokus-Serie automatisieren und ein wenig beschleunigen.

Prinzipiell lassen sich Fokus-Reihen mit beinahe jeder Kamera-Objektiv-Kombination realisieren, bei der sich die Distanzeinstellung durch den Anwender einstellen oder steuern lässt. Die Blende, der ISO-Wert und der Weissabgleich sollten bei allen Aufnahmen unverändert bleiben. Entsprechende Automatiken sollten sich deaktivieren lassen.

Ideal sind digitale Spiegelreflex- und spiegellose Systemkameras mit manuellen Belichtungseinstellungen und hochwertigen Objektiven. Insbesondere bei der Arbeit im Nahbereich empfehlen sich Makroobjektive. Autofokus braucht es für automatisierte Fokus-Reihen. Festbrennweiten sind den Zooms vorzuziehen, weil unter anderem ihre Abbildungsleistungen in der Regel besser sind.

Zum elementaren Equipment für Focus-Stacking-Aufnahmen zählt ein stabiles Stativ mit starkem Kopf, um die Kamera-Objektiv-Kombination während der Aufnahmereihe in exakt derselben Position zu halten und auch bei längeren Belichtungszeiten absolut verwacklungsfreie Aufnahmen zu gewährleisten. Empfehlenswert für Nahaufnahmen ist eine Makroschiene – vorzugsweise mit Getriebe und Skala, mit der sich die Aufnahmedistanz der Kamera millimeterweise verstellen lässt. Für Focus-Stacking-Profis sind von Cognisys auch motorische Makroschienen samt externen Steuerungsgeräten erhältlich. Makroschienen ermöglichen zudem Fokus-Reihen im Nahbereich, bei denen zwischen den Aufnahmen nicht die Fokuseinstellung, sondern die Distanz verändert wird.

Für häufiges Focus Stacking empfiehlt sich Tether-Software, die eine Focus-Bracketing-Funktion enthält oder darauf spezialisiert ist. Beispiele: Helicon Remote und qDSLR Dash­board.

Kameras für Focus Stacking

Seit wenigen Jahren kommen vereinzelte Kameras mit Funktionen für das Focus Stacking. Allerdings beschränken sich die meisten Modelle auf das Focus Bracketing und nur ganz wenige erlauben sogar das interne Stacking. Wie so oft bei kamerainternen Funktionen (HDR-Modus, Panorama-Stitching, Bildbearbeitung etc.) sind diese externen Software-Lösungen unterlegen.

Als erster Kamerahersteller hat Olympus 2015 Focus Bracketing und Stacking mittels eines nachträglichen Firmware-Updates in ihre spiegellose OM-D E-M1 integriert (acht Aufnahmen mit einmaligem Auslösen) und seither die meisten Modelle der OM-D- und der PEN-Reihen zumindest mit Focus Bracketing, die Topmodelle zudem mit Stacking ausgestattet. Allerdings stehen die Funktionen nur mit wenigen Micro-Four-Thirds-Objektiven von Olympus zur Verfügung. Andere Kamerahersteller haben inzwischen nachgezogen. So bieten die Nikon D850, die spiegellose Mittelformatkamera Fujiffilm GFX 50S (nach dem Firmware-Update 3) sowie die mit unterschiedlichen Digitalbacks erhältliche Mittelformat-DSLR Phase One XF einen Modus für Fokus-Reihen. Nikon hat diese Funktion in der D850 am besten umgesetzt. Die D850 kann für jede Fokus-Reihe automatisch einen neuen Ordner erzeugen und die Nummerierung der Aufnahmen jeweils von vorne beginnen. Diese Optionen sorgen für mehr Übersicht bei der nachträglichen Verarbeitung und Archivierung.

Auch Panasonic integriert bei neueren Bridge- und spiegellosen Systemkameras Fokus-Reihen sowie mit Post Focus eine ähnliche Funktion.

Focus Stacking Software

Für das eigentliche Focus Stacking bzw. das Kombinieren der Aufnahmen einer Fokus-Reihe zu einem neuen Bild kann man auf spezialisierte Focus-Stacking-Programme oder universelle Bildbearbeitungsprogramme zurückgreifen. Letztere sollten Ebenen und Ebenenmasken unterstützen und einen Überblendmodus bieten.

Photoshop: In frühen Zeiten mussten Bilder einer Fokus-Reihe erst als Ebenen platziert und dort manuell ausgerichtet werden, bevor dann jede einzeln so maskiert werden musste, um nur die scharfen Bildbereiche in das finale Bild zu übernehmen. Heute geht all dies mit entsprechenden Funktionen (Photomerge) weitgehend automatisch und somit recht zügig.

Während mit wenigen Aufnahmen einer Fokus-Reihe die Arbeit mit Photo­shop durchaus zügig fortschreitet, wird mit Dutzenden von Aufnahmen ein Computer von Photoshop spürbar beansprucht und erzeugt riesige Bilddateien. Spezielle Focus-Stacking-Software braucht zwar ebenfalls Rechenzeit, kommt aber flotter mit grossen Stacking-Projekten zurecht und ist somit die bessere Wahl.

Spezialsoftware: Zu den bekanntesten und bewährtesten Programmen gehören Zerene Stacker, Franzis focus Projects Professional, die Freeware CombineZP sowie Helicon Focus, das es auch mit deutscher Oberfläche und Bedienanleitung gibt. Es ist auch im Bundle mit Helicon Remote erhältlich.

Vor- und Nachteile

Focus Stacking macht Aufnahmen möglich, die zuvor mit herkömmlichen fotografischen Aufnahmetechniken nicht denkbar waren. Statt stark abzublenden, was viel Licht, lange Verschlusszeit und/oder einen hohen ISO-Wert verlangt, sind Aufnahmen mit weit geöffneter Blende (kreatives Potenzial) möglich.

Dank unterstützenden Funktionen in Kameras, Fernsteuerungsmöglichkeiten, moderner Bildbearbeitungs- oder spezialisierten Stacking-Software lässt sich recht effizient arbeiten. Darüber hinaus lassen sich Bilder in hoher Qualität erzeugen und selbst für Kreativität existiert noch Spielraum. So kann man beispielsweise nur selektierte Bilder (Ebenen) für ein Bild verwenden, um zwar einen Gegenstand knackscharf (schärfer als durch Abblendung) abzubilden, dabei den Hintergrund aber unscharf zu lassen – wie bei Singelshot-Bildern mit weit geöffneter Blende. Zudem lassen sich durch Maskieren bestimmte Bildbereiche gezielt scharf und andere unscharf darstellen.

Dennoch, Focus Stacking ist sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Nachbearbeitung vergleichsweise arbeits- und damit zeitaufwendig. Ausserdem wird für ein einziges Bild eine grössere Datenmenge produziert, die es zu handhaben gilt. Wie bei allen Multishot-Verfahren wird zudem die Zahl der Kamera-Auslösungen in die Höhe getrieben. Die vielen Auslösungen und besonders der Tether-Betrieb benötigen viel Energie. Es werden deshalb zusätzliche Akkus benötigt und diese müssen häufig gewechselt und geladen werden. Im Studio und in Innenräumen empfiehlt sich deshalb der Einsatz eines Stromnetzteils.

Für ein gutes Bild dürften diese Mühen und Kosten sekundär sein. Letztlich ermöglicht Focus Stacking Aufnahmen, wie sie sonst nicht realisierbar sind.

Blende und Schärfentiefe
Viele Objektive besitzen eine verstellbare Irisblende (wie die farbige Iris des menschlichen Auges), um die Grösse bzw. den Durchmesser des annähernd runden Lichteinlasses zu verändern. Über die Blendenöffnung wird die einfallende Lichtmenge und die Schärfentiefe gesteuert. Die Grösse der Öffnung wird in Blendenwerten in Relation zur Brennweite angegeben. Höhere Werte (z. B. 1:16, englisch F16) stehen für eine enge Öffnung, niedrige Werte für eine weite(re) Öffnung (z. B. 2.8).

Die Schärfentiefe (fälschlich Tiefenschärfe; englisch: depth of field, DOF) beschreibt einen räumlichen Bereich, in dem fotografierte Objekte scharf oder – umgekehrt formuliert – mit minimaler bzw. akzeptabler Unschärfe abgebildet werden. Die Schärfentiefe ist im Nahbereich geringer als in der Ferne. Kurze Brennweiten (z. B. 14 mm) bieten eine grössere Schärfentiefe, längere (z. B. 85 mm) eine geringere. Grössere Bildsensoren verlangen nach längeren Brennweiten, weshalb Aufnahmen von Smartphones und Kompaktkameras bei gleichem Bildwinkel mehr Schärfentiefe als Kameras mit grossem Sensor (z. B. Kleinbild-Vollformat) haben.

Bracketing-Funktion
Bracketing, kurz BKT, steht für eine Kamerafunktion, bei der eine Reihe von Aufnahmevarianten geschossen wird. Von Aufnahme zu Aufnahme wird jeweils ein vorgegebener Wert (z. B. Belichtungskorrektur-Wert oder für das Focus Stacking die Distanz) um einen bestimmten Betrag schrittweise verändert.
Die bekannteste Bracketing-Funktion ist die automatische Belichtungsreihe (AE BKT) in Kameras mit Belichtungsautomatik.
Durch eine Bracketing-Serie erhält man mehrere Varianten, um das «beste» Bild auszuwählen oder einige Varianten zu einem neuen Bild zu kombinieren. Je nach Kamera sind neben AE BKT auch ISO-, Weissabgleich-, Bildstil-, Effekt-BKT oder andere vorhanden.

Focus Stacking Software

Focus projects professionalund Focus projects standard (Kaufprogramm auch als Box, zu EUR 69 und EUR 99 für Mac, Win) von Franzis. (Hinweis zum Demo-Download: Franzis bombardiert mit glücklicherweise abstellbarem Aktionen-Newsletter)

Helicon Focus (Kauf- und Mietprogramm für Mac und Win) von HeliconSoft. Drei Editionen (lite, Pro, Premium) erhältlich, wobei «lite» nur aus der Stacking-Software Helicon Focus besteht, wogegen die anderen Paket noch die Tether-Software HeliconRemote umfassen. Beim Premium-Paket ist zusätzlich Lizenz für Mobile-App-Variante (Adroid, iOS) inbegriffen.

Zerene Stacker (Kaufprogramm zu 99 bis 308 CHF für Mac, Win, Linux) von Zerene Systems. Vier Editionen (Personal, Prosumer, Professional und zeitlich limitierte Student Edition) mit unterschiedlichem Funktionsumfang und Preisen.

CombineZP (Freeware für Win) von Alan Hadley.
(Website ist bereits länger offline, Software vielerorts in Download-Archiven)

Picolay (Freeware für Win) von Heribert Cypionka.

Multishot-Fotografie

Als Multishot (Mehrfachaufnahme) bezeichnet man Verfahren, bei denen mehrere Aufnahmen (nur) dafür «geschossen» werden, um daraus ein neues Bild zu erzeugen. Wegen der Zeitdifferenz zwischen den «Teilaufnahmen» eignen sich nur statische Motive und die Kamera sollte für identischen Ausschnitt und eine optimale Bildqualität auf einem Stativ o.ä. fixiert sein. (Aus der Hand können Multishots mit etwas Glück gelingen, insbesondere wenn Kameras mit sehr schneller Serienbildfunktion verwendet werden.) Besonders bekannte Multishot-Anwendungsgebiete sind die Panorama- und die HDR-Fotografie.

Multishot-Verfahren in der Digitalfotografie

Frühe Bildsensoren: Erste Digital- und Scannerkameras (und ebenfalls Scanner) arbeiteten meist im Multishot-Modus und schossen mit ihrem nur Helligkeiten unterscheidenden Bildsensor drei Teilaufnahmen jeweils mit einem roten, grünen und blauen Filter, die zu einem RGB-Farbbild kombiniert wurden. Später und bis heute sind Bildsensoren mit RGB-Farbfiltern bestückt und zwar meist nach dem sogenannten Bayer-Matrix. (Dies ähnelt einem Schachbrettmuster, wobei allerdings alle den weissen Feldern entsprechende Sensorelemente grüne Filter, die den schwarzen Feldern entsprechenden Elemente je zur Hälfte rote und blaue Filter besitzen. Die fehlenden Infos pro Farbkanal werden per Farbinterpolationsverfahren ergänzt, wodurch es zu geringen Artefakten und Schärfeeinbussen kommt.)

Panorama: Für Panorama-Fotos werden mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichem Ausschnitt einer Umgebung zu einem Panoramabild zusammengefügt werden. Das Zusammenfügen wird als Stitching (englisch: to stitch = nähen) bezeichnet.

HDR: Seit zehn Jahren sind auch HDRI (High Dynamic Range Imaging/Increasing) oder das einfachere DRI (Dynamic Range Increasing) bekannt, wo mehreren Aufnahmen mit unterschiedlicher Belichtung per DRI-Verrechnung oder über ein HDR-Bild (als Zwischenstufe) samt anschliessendem Tonmapping ein Bild erzeugt mit einen Helligkeitsbereich abdeckt, der über die Dynamikfähigkeit des verwendeten Bildsensors hinausgeht. (So lassen hellste und dunkelste Bereiche in abbilden, die ein Sensor nicht mehr differenzieren kann und deshalb als rein weisse und schwarze Flächen wiedergibt.)

Rauschreduktion: Per Multishot lassen sich auch rauscharme Bilder herstellen, indem mehrere identische Aufnahmen (Ausschnitt, Belichtung, Fokus bleiben gleich) geschossen und miteinander verrechnet, wodurch das zufällig auftretende Rauschen eliminiert wird. (Als Multiscan ist diese Funktion auch in einigen Scan-Programmen integriert.)

Höhere Bildqualität: Multishots mit pixelgrossen Verschiebeschritten – vertikal und horizontal – des Bildsensors (Pixelshift) zwischen den Teilaufnahmen ermöglichen höhere Detailschärfe und Bildqualität, denn sie funktionieren wie bei früheren Digitalkameras (oben erwähnt) und umgehen die Probleme der Farbinterpolation. (Kamerabeispiele: Pentax K-1, Sony Alpha 7R III, Hasselblad H6D-400c MS Multishot-Kameras mit 100Mpx-Sensor und wahlweise 100 Mpx-Output im 4-Shot-Modus)

Höhere Auflösung: Wird der Bildsensor zwischen den Teilaufnahmen gar um einen halben Pixel verschoben, lässt sich die Auflösung steigern. (Kamerabeispiele: Olympus OM-D E-M1 Mark II mit 24Mpx-Sensor und 50Mpx-Output, Hasselblad H6D-400c MS Multishot-Kameras mit 100Mpx-Sensor und 400 Mpx-Output im 6-Shot-Modus).