StartDigitalfotografie ∷ Überlagerung und Verschmelzung

Manche Motive sind bei Fotografen unbeliebt, weil sie einfach nicht gelingen wollen, beispielsweise das Fotografieren aus einem schattigen Torbogen heraus auf den sonnigen Marktplatz: Werden Belichtung oder ISO-Wert auf den hellen Außenbereich ausgerichtet, so verkommt das Innere des Torbogens zu einer tiefschwarzen Silhouette; verlängert man dagegen die Verschlusszeit, so treten zwar die Details im Innern des Torbogens besser hervor, aber nun versinkt die Außenwelt in gleißender Helligkeit. Als weiteres Beispiel seien Motive genannt, die sowohl sehr nahe als auch weit entfernte Objekte beinhalten, so dass die Kamera in einer einzigen Aufnahme nicht mehr alles gleichermaßen scharf erfassen kann.

Überlagerung und Verschmelzung kann für Probleme dieser Art eine Lösung bieten, wobei sich das zugrundeliegende Prinzip in wenige Worte fassen lässt:

Von einer Szenerie werden mehrere Aufnahmen gemacht, und zwar mit variierendem Parameter (z.B. Belichtungszeit, Fokus oder einfach nur dem Zeitpunkt); anschließend werden die Einzelbilder einer Serie zu einem Gesamtbild überlagert/kombiniert/verschmolzen, mit dem Ziel, auf diesem bestimmte Aspekte herauszuarbeiten bzw. zu verstärken (z.B. Kontrastumfang, Schärfentiefe, Veränderungen, Gemeinsamkeiten).

Im Idealfall ist das dabei entstehende Bild von einer Perfektion, wie sie die zugrundeliegenden Einzelbilder – jeweils für sich genommen – nicht erreichen (können). Bekannte Anwendungsgebiete sind Hochkontrastfotografie, Focus Stacking oder die Beobachtung von Himmelskörpern; themenbezogene Software ist am Ende dieses Artikels aufgeführt.
 

Bild-Stapelung (Image Stacking)

Der Begriff "Image Stacking" ist durch Anwendungen in der Astronomie geprägt. Dort setzt man Verfahren ein, um aus einem Stapel von unterbelichteten, kontrastarmen, verrauschten Bildern doch noch wertvolle Informationen heraus zu holen. Die Grundidee ist dabei, mehrere Aufnahmen eines Motivs zu einem Gesamtbild zu überlagern, auf welchem bestimmte Aspekte deutlicher/besser herausgearbeitet sind als auf den Ursprungsbildern. Je nach Zielsetzung wird dabei die Vorgehensweise variiert:

Belichtungsfusion/-vermischung (Exposure Fusion/Blending)

In der digitalen Bildbearbeitung stehen Belichtungsfusion (Exposure Fusion) und Belichtungsvermischung (Exposure Blending) für Verfahren, um Aufnahmen einer Belichtungsreihe derart zu einem einzigen Bild zu montieren, dass über- und unterbelichtete Bereiche weitgehend vermieden werden und mehr Details erhalten bleiben. Der hierfür ebenfalls gebräuchliche Begriff "Kontrastumfangserhöhung" (Dynamic Range Increase; DRI) ist irreführend, da es sich um eine reine Form der Bildbearbeitung handelt, ohne dass ein höherer Dynamikumfang erzielt wird.

Hochkontrastfotografie (Full/High Dynamic Range Imaging)

Aufbau und Funktionsweise des Bildsensors einer Digitalkamera kann man sich wie folgt vorstellen: Seine Oberfläche ist bedeckt von Millionen lichtempfindlicher Zellen, denen jeweils ein Farbfilter vorgeschaltet ist, der nur Licht bestimmter Wellenlänge durchlässt (z.B. Rot, Grün oder Blau); zudem ist jede Zelle mit einem Zähler ausgestattet, der während der Belichtungszeit proportional zur einfallenden Lichtintensität hochzählt. Dementsprechend weisen nach der Belichtung Zellen, die kaum Licht empfingen, einen kleinen Wert auf, und Zellen, die einem starken Lichteinfall ausgesetzt waren, einen hohen Wert.

Der Wertebereich der Zellen ist limitiert – z.B. auf 0 bis 255 –, was insbesondere bei sehr kontrastreichen Motiven ein Problem darstellen kann. Als Beispiel kann man sich vorstellen, einen wolkigen Himmel durch ein kleines Zimmerfenster fotografieren zu wollen. Um die umgebene, im Dunkeln liegende Zimmerwand nicht zu einer konturlosen schwarzen Fläche verkommen zu lassen, darf die Belichtungszeit in dieser Situation nicht zu kurz gewählt werden. Dabei können die Zähler der Zellen, auf die das durch das Fenster fallende Licht trifft, schnell an ihrem Maximalwert von 255 anschlagen. Zunächst werden die für Blau zuständigen Zellen ihr Limit erreichen; Nachbarzellen für andere weniger intensive Farbanteile zählen langsamer und somit vorerst weiter, aber auch ihre Werte werden irgendwann an der oberen Schwelle von 255 ankommen, solange der Objektivverschluss weiterhin geöffnet bleibt (weil dies der dunkle Raum erfordert). Im RGB-Farbmodell vereinigen sich die drei Komponenten Rot, Grün und Blau in ihrer höchsten Intensität zu reinem Weiß. Insofern darf man sich nicht wundern, wenn letztlich auf dem Foto die Außenwelt gleißend hell erscheint und Wolken nicht mehr auszumachen sind. Um die Farben und Konturen des Himmels in der Aufnahme abbilden zu können, müsste man weniger lang belichten, aber dann würden die Zählerwerte der schattigen Bildbereiche recht nah bei 0 bleiben und nur wenig variieren; insofern wäre kaum mehr etwas auf der dunklen Zimmerwand zu erkennen.

Hochkontrastbilder (FDR/HDR Images) können eine Lösung für das oben skizzierte Problem darstellen. Dafür werden von einem Motiv mehrere deckungsgleiche Aufnahmen gemacht, jedoch mit unterschiedlichen Belichtungszeiten. Somit sind einige Bilder der Fotoserie eher auf den dunklen Raum ausgelegt, andere auf das helle Fenster. Die jeweils zusammengehörenden Farbpixel aller Aufnahmen werden innerhalb eines erweiterten Wertebereichs verschmolzen, der nicht auf das schmale Intervall [0, 255] eingeschränkt ist und die tatsächliche Leuchtdichte widerspiegeln kann; der Kontrastreichtum des Gesamtbildes kann anschließend bei Bedarf mittels Dynamikkompression (Tone Mapping) wieder auf einen Umfang zusammengestaucht werden, der auf handelsüblichen Monitoren darstellbar ist. Dabei müssen die einzelnen Transformationen nicht unbedingt linear sein; um bestimmte Aspekte eines Motivs herauszuarbeiten, kann es beispielsweise durchaus gewünscht sein, die Bandbreite von Schatten, Lichtern und bestimmten Farben weitgehend zu erhalten und dafür eine überproportionale Reduzierung der Mitten und anderen Farben in Kauf zu nehmen.

Anwendungsbeispiel HDR:
In einer Kirche wurde eine aus drei Fotos bestehende Serienbildaufnahme gemacht, bei der die Belichtung variiert wurde. Bild 1 ist zwar – so zeigt es auch das zugehörige Histogramm – stark unterbelichtet, aber die Strukturen und Farben des Kirchenfensters treten auf diesem Bild am kräftigsten hervor. Im Bild 2 sind die Formen und Farben der Glasscheiben bereits weniger stark ausgeprägt, während sie im Bild 3 völlig "ausfressen" und verblassen. Dafür ist im Bild 3 der Kirchenraum am besten zu erkennen, allerdings wirkt er unnatürlich und unangemessen hell. Im generierten HDR-Bild ist der Innenraum längst nicht so dunkel wie in den Bildern 1 und 2, und dennoch treten die Farben und Strukturen des Fensters besser hervor als in den Bildern 2 und 3; im Histogramm ist zu sehen, dass die dunklen Bildbereiche deutlich an Dynamik gewonnen haben, aber auch das helle, lichtdurchflutete Kirchenfenster weist ausgeprägte Konturen und Farben auf.

Full/High Dynamic Range

Fokus-Stapelung (Focus Stacking), Schärfentiefeerweiterung (Deep Focus Fusion)

Insbesondere in der Makro-Fotografie und bei Nahaufnahmen ist die Schärfentiefe auf einen besonders schmalen Bereich eingeengt. Deshalb bedient man sich hier gerne des "Focus Stacking" – auch "Extended Depth of Focus" (Extended DOF) oder "Deep Focus Fusion" (DFF) genannt; dabei werden Aufnahmen einer Fokusreihe zusammenmontiert, wobei die einzelnen Bildbereiche entsprechend ihrer Schärfe ausgewählt werden, so dass als Resultat ein Gesamtbild entsteht, welches eine extreme Schärfentiefe aufweist. Das Verfahren ist vergleichbar mit dem der Belichtungsfusion/-vermischung, jedoch mit dem Unterschied, dass es auf einer Fokus- statt einer Belichtungreihe basiert.

Anwendungsbeispiel Focus Stacking:
Es wurde eine Makro-Aufnahme von 3 Münzen gemacht, die in unterschiedlichem Abstand zur Kamera aufgestellt worden waren. Der Abstand zwischen der Linse und der 1-Cent-Münze betrug ca. 4 cm, die 20-Cent-Münze befand sich in ca. 7 cm Entfernung zur Linse und die 2-Euro-Münze war ca. 10 cm von ihr entfernt. Da die Kamera nicht in einem einzigen Bild alle 3 Objekte gleichermaßen scharf erfassen konnte, wurden 7 Aufnahmen gemacht, wobei jeweils auf unterschiedliche Entfernungen fokussiert wurde, und zwar in einem Bereich von 4 cm bis 10 cm in 1-cm-Schritten. Die 1-Cent-Münze wurde lediglich im Bild 1 scharf erfasst, in den nachfolgenden Bildern wirkt sie zunehmend unscharf; die 20-Cent-Münze erreicht im Bild 4 den höchsten Grad an Schärfe, während die 2-Euro-Münze in den Bildern 6 und 7 am besten getroffen ist. Mittels eines DOF-Stackers wurden die 7 Bilder zu einem Gesamtbild kombiniert, welches alle 3 Münzen scharf darstellt.

Focus Stacking

Software

Nur mit wenigen hochwertigen Kameras lassen sich native HDR-Aufnahmen machen, doch oft sind Konfigurationsmöglichkeiten rar; noch weniger Unterstützung wird hinsichtlich Focus Stacking geboten. Wer jedoch zumindest ordentliche Fokus-, ISO- oder Belichtungsreihen zustande bekommt, kann dennoch hinsichtlich HDR und Focus Stacking mithalten und außergewöhnliche Bilder kreieren, und zwar mit Hilfe diverser freier Software:

Picturenaut und Luminance HDR (ehemals Qtpfsgui)
sind Anwendungen, die Bilder mittels FDR/HDR und Tone Mapping überblenden. Beide Programme bieten Funktionen zum pixelgenauen Ausrichten der Ursprungsbilder, so dass man beim Fotografieren nicht unbedingt ein Stativ benötigt, sondern es meistens genügt, die Kamera irgendwo aufzulegen und mit ruhiger Hand auszulösen; allerdings sollte der Apparat das automatische Aufnehmen von ISO- oder Belichtungsreihen unterstützen, damit man nicht nach jedem Foto manuell die Belichtungs- oder ISO-Einstellung verändern muss. Luminance HDR ist Open-Source und beeindruckt durch eine Fülle unterschiedlicher Tone-Mapping-Algorithmen; Picturenaut ist Freeware und kann HDR-Shop-Plugins ausführen.
easyHDR BASIC 2 und FDRTools Basic
sind kostenlose Einstiegsversionen kommerzieller DRI-Software. Die Programme beherrschen allesamt das zweischrittige FDR/HDR-Verfahren und bieten Funktionen zum pixelgenauen Ausrichten der Ursprungsbilder; einige verfügen sogar über alternative Überblendungsverfahren oder etwas bessere Einstellungsmöglichkeiten für das Tone Mapping. Trotz des reduzierten Funktionsumfangs dieser Basisversionen lassen sich durchaus ansprechende Resultate erzielen; wer sich jedoch gehobenen Komfort und professionellere Möglichkeiten wünscht, sollte die kommerziellen Varianten dieser Anwendungen ausprobieren.
Traumflieger DRI-Tool
ist eine Freeware, welche mittels Exposure Blending aus den Einzelaufnahmen einer Belichtungsreihe direkt das Zielbild erstellt. Das Programm bietet leider keine Funktion zum Ausrichten der Ursprungsbilder, so dass man während des Aufnehmens einer Bilderfolge unbedingt ein Stativ verwenden, auf Windstille achten und die Finger von der Kamera lassen sollte.
Jasper's DRIMaker
ist eine DRI-Software für Mac OS, die auf Exposure Blending basiert. Das Programm ist Donationware.
Bei Dynamic Photo HDR, easyHDR, FDRTools Advanced, Fhotoroom HDR (ehemals Artizen HDR), HDR Shop und Photomatix Pro
handelt es sich um kommerzielle DRI-Software. Von einigen dieser Programme gibt es kostenlose Demo- oder Basisversionen.
Enfuse
ist eine quelloffene Kommandozeilenanwendung und kann Reihenaufnahmen zu Bildern montieren, in denen Über-/Unterbelichtungen und Unschärfen minimiert sind; hierfür wird mit EnfuseGUI auch eine grafische Oberfläche angeboten.
CombineZP / CombineZM / CombineZ5
kombinieren Fotos einer Fokusreihe zu einem Gesamtbild mit erweitertem Schärfebereich (Extended DOF). CombineZ5 ist eine Vorgängerversion von CombineZM, welches wiederum Vorgänger von CombineZP ist; alle drei Programme sind Open-Source.
Auto-Montage und Helicon Focus
sind kommerzielle DOF-Stacker. Von einigen dieser Programme gibt es kostenlose Demo-Versionen.
AstroStack Light Edition, DeepSkyStacker und RegiStax
sind freie Stacker für den Bereich der Astronomie.
AstroStack Full Edition und TawbaWare Image Stacker
sind kommerzielle Software-Produkte, die auf Belange der Astro-Fotografie und die "klassischen" Zielrichtungen des Image Stackings zugeschnitten sind. Von einigen dieser Programme gibt es kostenlose Demo- oder Light-Versionen.
Keith's Image Stacker und Lynkeos
sind Astro-Stacker für Mac OS. Keith's Image Stacker ist Shareware, Lynkeos ist Open-Source.

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