Focus Stacking – endlose Schärfentiefe!
Text und Fotos: Daniel Knop
Aufnahmevorrichtung für Focus Stacking (Eigenbau) auf Basis einer CNC-Schiene, ausgestattet mit manuellem Lineartisch, Novoflex Castel micro, Lichtdiffusor, höhenvariablem und in zwei Ebenen verschiebbaren Objekthalter sowie drei verschieblichen Schwanenhals-Blitzhaltern
Schärfentiefe ist das große Problem in der Makrofotografie, und je näher die Kamera an das Motiv kommt, um so dramatischer schrumpft die Schärfenzone. Freilich kann man Unschärfe einfach zum kreativen Stilmittel erklären, aber das ist nicht jedermanns Sache. Besser ist es, die Schärfentiefe einfach zu vergrößern, denn das ist gar nicht schwierig.
Die Focus-Stacking-Technik kann die Schärfentiefe auf beliebige Größe dehnen. Auf dieser Webseite versuche ich mit zahlreichen einzelnen Themenbeiträgen, das Grundwissen dafür auf sehr leichtverständliche Weise zu vermitteln. An sich bin ich Autor von Sach- und Fachbüchern, doch hier ich versuche mich einmal mit einem digitalen Medium: Im Blog dieser Seite sollen innerhalb der kommenden Monate fortlaufend weitere Beiträge zu Themen erscheinen, die für das Focus Stacking wichtig sind, gewissermaßen wie die Kapitel eines Buchs.
Mikroskopobjektive
Wenn Sie die Welt des Kleinen vergrößert abbilden wollen, landen Sie früher oder später bei Mikroskopobjektiven, von denen man viele auch direkt auf eine Kamera setzen kann. Sie haben eine erheblich feinere Detailwiedergabe als ein normales Kameraobjektiv. Damit die Natur zu entdecken, ist fantastisch. Es ist nicht nur lehrreich, sondern macht regelrecht süchtig! Aber dabei ist die Schärfentiefe so dünn wie ein Blatt Papier, und da läuft dann nichts mehr ohne die Focus-Stacking-Technik.
Davor schrecken Viele zurück, weil das kompliziert klingt. Im Grunde ist es aber ziemlich einfach, wenn man erst einmal das grundlegende Prinzip verstanden hat. Manche modernen Kameras können das mit Makroobjektiven sogar schon automatisch, und in einigen Jahren können das vermutlich die meisten Kameras, sogar in Smartphones. Und auch mit Mikroskopobjektiven lässt sich das sehr gut automatisieren und funktioniert dann quasi auf Knopfdruck.
Flügelschuppen eines Schmetterlings, jede nur einen Zehntelmillimeter breit – farbenprächtiger kann Natur nicht sein!
Objektiv HLB Planapo 20x, Tubuslinse Raynox DCR150, Kamera Canon R3, elektronischer Verschluss, drei Godox-Blitzgeräte, 250 Einzelbilder, Steuerung Novoflex Castel micro, Software Helicon Focus
Was ist Focus Stacking?
Focus Stacking ist das Aufnehmen einer Bildserie mit jeweils leicht verschobener Schärfenebene. Aufnahme für Aufnahme wird diese Schärfenzone weiter über das gesamte Objekt bewegt, so dass sie bei jedem Einzelfoto etwas anders liegt. Anschließend werden dann in einer speziellen Software alle scharf abgebildeten Details automatisch zu einer Einzelaufnahme verrechnet. Bei Makrofotos können das z. B. fünf oder zehn Einzelbilder sein, was man dann auch mobil durchführen kann, z. B. im Garten, um Bestäuber in einer Blüte zu fotografieren. Bei Mikroskopobjektiven liegt die Zahl der Einzelaufnahmen dann wesentlich höher, aber das Prinzip ist das gleiche.
Focus Stacking mit Lupenobjektiv (Canon MPE 65) auf einem Stativ – so kommen Blüten von vorn bis hinten scharf ins Bild
Kamerainternes Focus Stacking
Manche modernen Kameras können das Focus Stacking auch schon intern durchführen, indem sie über den Autofokusmotor die Fokussierebene in kleinen Schritten verschieben. Bei manchen heißt es Focus Bracketing oder anders, doch das Prinzip ist immer das gleiche: Man gibt ein, wie lang die Aufnahmestrecke sein soll (meist nur eine Zahl zwischen 1 und 10) und wie viele Einzelschritte gewünscht sind. Die Länge der Einzelschritte wird dann meist kameraintern errechnet. Auslöser drücken, und die Serie läuft in Sekundenbruchteilen ab. Manche Kameras exportieren dann die Einzelbilder, andere verrechnen diese schon intern zu einem fertigen Bild mit durchgehender Schärfentiefe.
Doppelblitzhalter Marke Eigenbau, mit Blitzdiffusor, hergestellt aus dem Schirm einer IKEA-Deckenleuchte – so können mit internem Focus Stacking auch mobil Aufnahmen mit großer Schärfentiefe gemacht werden
Die Einstellungen für internes Focus Stacking (hier Canon R3) sind einfach, und schon nach kurzer Übungszeit gelingen gute Aufnahmen.
Focus Stacking mit Mikroskopobjektiv
Für Mikroskopobjektive ist die Focus-Stacking-Aufnahmetechnik ideal, und mit ihnen lassen sich winzige Strukturen so groß darstellen, dass Sie z. B. ein Foto einer blaugrün schillernden Stubenfliege auf zwei Meter Kantenlänge vergrößert an die Wand hängen könnten. Zugegeben, so schön sind diese Fliegen meist nicht – also nehmen wir einen 16 Millimeter langen Rüsselkäfer, der ganz sicher eine Schönheit ist: Alcidodes ocellatus. Mit seinem blaumetallisch glänzenden Körper wirkt er auf einem Zweimeterposter sportlich, geradezu wie ein Athlet mit Laufschuhen und Sonnenbrille, der gerade lossprinten will – glauben Sie mir, ich habe ihn an der Wand hängen. Die filigranen Details und die Komplexität der Insektenkörper überrascht enorm, wenn man sie zum ersten Mal so groß und detailgenau sieht. Jedes Haar und jede Borste an ihrem Körper erfüllt einen bestimmten Zweck.
Rüsselkäfer Alcidodes ocellatus, Aufgenommen im Focus Stacking mit 100 Einzelbildern, von vorn bis hinten scharf und in so hoher Auflösung, dass man das Bild problemlos mit zwei Meter Kantenlänge ausdrucken kann
Bei Vergrößerungsmaßstäben von 10 x oder 20 x mit Mikroskopobjektiven können es durchaus auch 150 oder 200 bis 300 Aufnahmen sein, bisweilen sogar noch mehr. Hier ist es dann sehr ratsam, das ganze motorisch durchzuführen, mit einem Steuergerät. Aber auch dafür gibt es technische Lösungen.
Ein stabiler Unterbau ist für die Arbeit mit großen Abbildungsmaßstäben essenziell. Ein zweiter Monitor hingegen ist normalerweise nicht nötig; hier erleichtert der rechte die Objektplatzierung unter Sichtkontrolle, während der linke bei der Bedienung des Steuergeräts hilft.
Focus Stacking am Mikroskop
Aber auch ohne einen speziellen Schienenaufbau und Lineartisch lassen sich Mikroskopobjektive zum Focus Stacking einsetzen – nämlich am Mikroskop. Damit ist diese Fototechnik für die Wissenschaft hochinteressant, denn in Medizin, Biologie und anderen Feldern wird ständig geforscht und publiziert, und dafür braucht man Fotos. Die winzige Schärfentiefe war bei solchen Bilddokumenten stets ein Problem, aber inzwischen lassen sich mit dem Focus Stacking fantastische Mikroskopfotos mit endloser Schärfentiefe herstellen. Man kann dazu einfach manuell mit dem Feintrieb arbeiten und auf diese Weise hervorragende Ergebnisse erreichen. Ich habe mein Mikroskop – ein Orthoplan von Leitz – allerdings mit einem Motorantrieb ausgestattet, den ich über ein Steuergerät präzise programmieren kann, um vollautomatische Bildserien zu produzieren, denn damit geht es noch bequemer und bei hohen Vergrößerungen auch besser.
Leitz-Routinemikroskop mit Eigenbau-Motorantrieb auf Basis des Stackshot-Steuergeräts (Fa. Cognisys) zum automatischen Erstellen von Focus-Stacking-Aufnahmen
Ausschnitt aus einem botanischen Färbepräparat (Clematis-Stamm, Querschnitt, 50x Ölimmersion, nachvergrößert); links ein Einzelbild, das die geringe Schärfentiefe zeigt, rechts eine Focus-Stacking-Aufnahme, die aus zahlreichen einzelnen Bildern errechnet wurde, mit Schärfentiefe über das gesamte Bild
Die Kamera
Für das Focus Stacking eignen sich im Prinzip alle Digitalkameras. Auch mit Spiegelreflexkameras ist das möglich, doch ideal sind dafür die moderneren spiegellose Systemkameras, die mit einem elektronischen Verschluss arbeiten. Das erspart uns nicht nur die Erschütterung, sondern auch den mechanischen Verschleiß. Ich selbst arbeite mit einer Canon R3, denn die ermöglicht sogar, mit Blitzgeräten den elektronischen Verschluss zu verwenden; die meisten anderen Spiegellosen können das bisher nur mit Dauerlicht. Aber auch das ist kein Problem, dafür gibt es gute, bezahlbare Lösungen mit hellen LED-Strahlern.
Wichtig ist ein Computermonitor, der direkt an die Kamera angeschlossen wird, damit man das Live-View-Bild noch vor der Aufnahme gut und detailreich sehen kann, weit besser als auf dem kleinen Kameradisplay. Damit lässt sich nämlich die dünne Schärfenebene sehr gut kontrolliert verschieben, motorisch oder manuell. Und auch wenn ein Monitor angeschlossen ist, sollte noch eine Buchse für den Fernauslöser frei sein. Manche Kameras haben z. B. nur eine einzige USB-Buchse, an der man entweder einen externen Monitor oder einen Fernauslöser anschließen kann. Der Fernauslöserschnittstelle ist nicht nur nötig, um Erschütterungen zu vermeiden, sondern auch, um eine motorische Steuerung anzuschließen, denn die bewegt nicht nur die Kamera in winzigen Schritten vorwärts, sondern löst sie danach auch jeweils aus.
Ein Computermonitor, der direkt an der Kamera angeschlossen ist und das Live-View-Bild zeigt, ist für gute Bildergebnisse unverzichtbar
Motorisch oder manuell?
Der Einstieg ins Focus Stacking ist meist ein manueller Lineartisch. Das ist eigentlich nichts anderes als ein Makroschlitten, nur schwerer und präziser. Er muss absolut spielfrei sein, damit rein gar nichts wackelt. Darauf montieren Sie Ihre Kamera, und nach jeder winzigen Bewegung des Drehgriffs zum Vorwärtsschieben der Kamera drücken Sie auf den Fernauslöser – per Funk oder Kabel. So arbeiten Sie die ganze Aufnahmestrecke ab, Schritt für Schritt, den Blick immer auf den Monitor gerichtet, damit Sie die winzige Schärfentiefenzone nicht zu weit vorschieben. In den Einzelbildern sollen sich diese Zonen jeweils um etwa ein Drittel überlappen, so dass die Software sie später besser und nahtlos montieren kann.
Ich selbst arbeite inzwischen allerdings nur noch motorisch, weil große Serien mit 300 und mehr Einzelbildern schnell mühselig werden, vor allem, wenn man sie vielleicht mehrfach wiederholen muss. Ein gutes Steuergerät merkt sich den Anfangs- und Endpunkt der Gesamtstrecke, und nachdem man die gewünschte Bilderzahl eingegeben hat, errechnet es selbsttätig die Schrittgröße. Und für eine Wiederholung der ganzen Serie, z. B. mit mehr Einzelaufnahmen, drückt man dann einfach nur ein paar Knöpfe und alles läuft vollautomatisch. So arbeite ich am liebsten.
Allerdings habe ich meine Anlage so konzipiert, dass zwei Lineartische übereinander sitzen, ein manueller unten und darüber ein motorischer. Den unteren verwende ich für die Feinjustierung, denn damit kann ich die Kamera um Millimeterbruchteile vorwärts und rückwärts bewegen. Zudem steht der gesamte Kameraaufbau auf Schienen, so dass er sich weit vor und zurück schieben lässt, als Grobjustierung.
Aber zum Einstieg müssen Sie durchaus nicht in einen motorischen Lineartisch mit Steuergerät investieren. Anfangs reicht ein einfacher manueller Lineartisch, wie er z. B. für CNC-Fräsen verkauft wird. Mein manueller ist dafür ein Beispiel. Wenn Sie damit eine Weile gearbeitet und Erfahrungen mit einem einfachen Mikroskopobjektiv mit moderater Vergrößerung gesammelt haben, z. B. 4 x oder 10 x, dann spüren Sie sehr schnell, ob die Focus-Stacking-Fotografie Ihr Ding ist oder nicht. Falls ja, macht auch die Anschaffung eines motorisch betriebenen Lineartischs mit Steuergerät Sinn, und damit lassen sich dann weit anspruchsvollere Arbeiten durchführen, mit größeren Abbildungsmaßstäben und mehr Einzelaufnahmen.
Zwei Lineartische, oben Modell StackShot von der Firma Cognisys, zu dem noch ein externes Steuergerät gehört, unten ein stabiler Aluminium-Lineartisch aus dem CNC-Fräsbedarf. Das oben gezeigte System wurde durch Castel micro von Novoflex ersetzt, und der untere wird als manueller Lineartisch verwendet (Bild rechts).
Durch das Übereinandersetzen eines manuellen Lineartischs (unten) und eines motorischen Systems (oben) besteht die Möglichkeit, ohne Umrüstung sowohl manuell als auch motorisch zu arbeiten und man kann unten zudem von Hand eine Feineinstellung der Kameraposition durchführen.
Blitz oder LEDs?
Blitzgeräte oder LED-Leuchte? Beide Lösungen sind möglich und erzeugen gute Bilder, allerdings haben beide auch Vor- und Nachteile. Blitzgeräte bieten meist mehr Schärfe, weil sie durch ihre kurze Abbrennzeit von einer Zehntausendstelsekunde oder weniger leichteste Bewegungen einfrieren. Sie haben allerdings meist den Nachteil, dass sie über Akkus mit Strom versorgt werden, Den Stromverbrauch jedes einzelnen Blitzes können Sie zwar verringern, indem Sie mehrere Geräte einsetzen, so dass jedes einzelne weniger Lichtleistung bringen muss. Das ist auch ratsam, damit sich das Licht besser verteilt, und zudem verkürzen Sie damit die Abbrennzeit der Blitze noch weiter, was Bewegungen noch besser einfriert. Aber trotzdem kämpft man hier bei langen Serien stets mit der Akkuleistung und muss hoffen, dass sie durchhalten und nicht mitten in der Bildserie aufgeben. Darum habe ich mir inzwischen zwei Studioblitze mit Netzanschluss zugelegt, und das Akkuproblem ist Vergangenheit. Die Akkublitzgeräte setze ich nur zusätzlich ein, wenn ich mehr Lichtquellen benötige.
Zwei Studioblitzgeräte mit Netzanschluss – mit herkömmlichen Blitzgeräten geht es zwar auch, aber so ist es erheblich komfortabler, zumal sie am Drehregler stufenlos regelbar sind und sogar ein LED-Einstelllicht besitzen, das sich während der Blitzerzeugung automatisch abschaltet
Studio-LEDs bieten heute völlig ausreichende Lichtmengen für Focus-Stacking-Arbeiten mit Mikroskopobjektiven und sind in der Helligkeit ebenfalls stufenlos regulierbar
LED-Strahler speisen sich in der Regel aus dem Netz, so dass die Akkuladeproblematik entfällt. Doch beim Arbeiten mit LED-Leuchten hatte ich anfangs große Schwierigkeiten, Unschärfen zu vermeiden; alle Bilder waren schwammig, und die erwartete knackige Schärfe fehlte völlig. Allerdings arbeitete ich damals auch noch mit Spiegelreflexkameras, zudem mit zu schwachen LEDs. Inzwischen erreiche ich mit LEDs annähernd die gleiche Schärfe wie beim Blitzen. Das sogenannte leise Auslösen kann bei manchen Kameras helfen, denn dabei wird der erste Verschlussvorhang ersetzt, indem der Sensor stromlos gemacht und beim Auslösen eingeschaltet wird, und das vermeidet die Erschütterung. Der zweite Verschlussvorhang fällt dann mechanisch, doch zum Zeitpunkt der Erschütterung ist die Belichtung ja schon beendet. Auf diese Weise gelangen mir dann auch recht scharfe LED-Serien. Doch inzwischen arbeite ich mit der Canon R3, die mit elektronischem Sensor sowohl Blitzserien als auch LED-Serien souverän meistert.
Der Diffusor
Ein enorm wichtiges Bauteil ist der Diffusor, der den konzentrierten Lichtstrahl von Blitzgeräten oder LED-Strahlern in weiches, diffuses Licht verwandeln und helle Reflexionen auf dem Motiv vermeiden soll. Im Internet liest man vielfach, dass ein beidseitig angeschliffener Tischtennisball auf das Mikroskopobjektiv aufgeschoben werden soll, um das Licht zu diffundieren. Das funktioniert in der Praxis jedoch so gut wie gar nicht, denn der Abstand zwischen Diffusionsfläche und Objekt ist mit rund 15 Millimetern viel zu klein. Hier ist eine lange Strecke nötig, damit sich der Lichtstrahl breit verteilen kann. Ich arbeite hierzu mit dem Schirm einer bestimmten IKEA-Leuchte (Modell „Melodi“, 28 cm Durchmesser), den ich entsprechend umgearbeitet habe, wie auf den Bildern zu sehen. Nach vielen Versuchen mit Tischtennisbällen, Joghurtbechern, Pappbechern und anderen Utensilien ist dies der mit Abstand beste Diffusor, den ich je hatte.
Ein guter Lichtdiffusor ist entscheidend für die Bildqualität. Man kann ihn leicht aus einem entsprechenden Lampenschirm herstellen. Hier wurde er mit einer Vorrichtung zur Höhenverstellung versehen.
Die Focus-Stacking-Software
Wenn Sie Ihre Bildserie im Kasten haben, kommt das, was in der Welt von Film und Fotografie als Postproduktion bezeichnet wird: die Arbeit nach dem eigentlichen Produzieren des Materials. Sie schieben alle Bilder auf die Festplatte Ihres Computers, möglichst im RAW-Format, also noch nicht zum JPG oder TIF konvertiert. Ich lasse meine Kamera schon während der Aufnahme alle Bilder direkt auf den Computer laden, denn dann sehe ich bereits jedes fertige Einzelbild auf dem Monitor.
Tethering: Die Einzelbilder landen noch während der Aufnahme im Bildarchivprogramm. Alternative wäre das Einlesen der gesamten Bildserie von der Speicherkarte. Von hier aus werden die ausgewählten Fotos dann für die Bearbeitung in der Focus-Stacking-Software exportiert
Der erste Schritt der Postproduktion ist bei mir immer das Sichten der Serie, um zu sehen, auf welchem der ersten Bilder scharfe Konturen auftauchen. Alle völlig unscharfen Bilder werden einfach gelöscht. Anschließend suche ich das letzte Bild heraus, auf dem soeben noch ein scharfes Detail zu erkennen ist. Diese zwei Bilder werden dann mit allen dazwischen liegenden Dateien exportiert. Für Routinearbeiten wähle ich das Format JPG und eine leichte Kompression auf etwa 80 Prozent – das sieht man später auch beim Vergrößern praktisch nicht. Nur wenn ich ein Foto erzeugen will, das ganz besonders hohe Qualität hat, z. B. für einen Fotowettbewerb oder für den Buchdruck, wähle ich das Dateiformat TIF, das mir eine Farbseparation Rot, Grün, Blau erhält, aber erheblich mehr Speicherplatz benötigt. Eine Bildbearbeitung findet noch hier allerdings nicht statt, denn das mache ich erst hinterher am fertigen Bild.
Die Bilder werden dann per Drag and Drop in die Focus-Stacking-Software geschoben. Man kann dort in der Regel einige Bearbeitungsparameter einstellen, um das Ergebnis je nach Motivcharakteristik zu optimieren, doch es empfiehlt sich, mit einer Basiseinstellung zu arbeiten, die für die meisten Motive gleichermaßen geeignet ist, das erleichtert die Sache anfangs sehr. Sind die Dateien in der Software, wird der Vorgang einfach per Klick gestartet. Die Berechnungsdauer hängt neben Dateigröße und Bildanzahl von der Rechnerleistung ab. Bei mir sind es in der Regel nur wenige Sekunden bis maximal eine halbe Minute, das aber auch nur bei größeren Bildserien im TIF-Format. Ich arbeite prinzipiell mit Apple-Rechnern, meist mit einem MacBook Pro (M1), gelegentlich aber auch mit dem kleinen Mac Mini (M1), der bei den Berechnungen aber nur wenig langsamer ist. Mit Windows-Rechnern funktioniert es allerdings ebenso gut.
Die Focus-Stacking-Software berechnet aus den Einzelaufnahmen (hier links) das Ergebnisbild mit durchgehender Schärfenzone (hier rechts)
Das Ergebnisbild der Stacking-Software schiebe ich dann in mein Bildarchivprogramm. Ich verwende hier Capture One Pro, doch auch Lightroom oder eines der vielen anderen Programme ist dafür geeignet. Hier kontrolliere ich die Qualität, vergrößere die Datei dazu auch auf mindestens 100 %, im Regelfall auch noch deutlich weiter, etwa bis 400 %. Dabei sehe ich dann, ob die Zahl der Einzelschritte ausreichend war, oder ob die Serie mit mehr und kleineren Schritten wiederholt werden muss. Steuergerät und Objekt sind dann noch in Wartestellung, und ich könnte bei Bedarf auf Knopfdruck die nächste Serie starten, etwa mit 300 statt 200 Einzelfotos. Ich weiß, dass es komplexe Wege zur Formelberechnung der Schrittgröße gibt, doch habe die Arbeit gern einfach und übersichtlich.
Der Ausschnitt des Abdomens dieser 9 Millimeter langen Goldwespe der Familie Chrysididae zeigt faszinierende Farben und Strukturelemente
All die nötigen Arbeitsschritte und Grundlagenwissen sollen im Blog dieser Webseite in Einzelbeiträgen vermittelt werden. Die ersten davon sind schon online, und in den kommenden Monaten sollen zahlreiche weitere folgen.
Beginnen Sie am besten mit diesem hier:
Viel Spaß beim Lesen und bei Ihrer Focus-Stacking-Entdeckungsreise durch die Welt des Kleinen!
