Focus stacking: aumentare la profondità di campo con una combinazione di più foto

Un’interessantissima tecnica di post produzione che ci consente di aumentare la profondità di campo della fotografia, molto usate nella macro fotografia.

Preso da Chrysis.net (Gian Luca Agnoli, Manuale di Fotografia Chrysis.net)

Premessa

Quando è necessaria una profondità di campo superiore a quanto consentito dall’obiettivo si ricorre ad una tecnica di combinazione di più immagini, o focus stacking.

Questa tecnica può essere adottata su qualunque scala, dal paesaggio alla fotografia still-life alla fotomicrografia. Ma è proprio nel campo della macrofotografia e della fotomicrografia che la tecnica può rivelare risultati normalmente impensabili: in questi ambiti fotografici, infatti, la profondità di campo si riduce all’aumentare dell’ingrandimento, per cui diventa un fattore assolutamente critico. Allo stesso tempo, però, è necessario documentare tutti i particolari del soggetto, che in molti casi sono di importanza diagnostica per caratterizzare la morfologia di una specie rispetto ad un’altra.

Chiudendo il diaframma oltre F/16 (a volte già anche oltre F/8) la profondità di campo aumenta, ma subentrano fenomeni di diffrazione della luce e l’immagine diviene via via più sfumata e meno nitida al progressivo chiudersi del diaframma.

I software di focus stacking

Sono di recente nati svariati software per la combinazione delle immagini tramite algoritmi di image processing, fra cui:

• Auto-Montage, a pagamento;
• Combine, gratuito;
• Extended Depth of Field, plugin gratuito per ImageJ;
• Helicon Focus, a pagamento;
• PhotoAcute Studio, a pagamento;
• Photoshop CS4 Extended, a pagamento
• ZereneStacker, a pagamento.

Per approfondimenti sugli algoritmi utilizzati (Depth Map, Pyramid, Lowpass, Highpass, etc.), si rimanda ai rispettivi siti web.

In generale, la tecnica prevede i seguenti passaggi:

• 1. Eseguire più scatti del soggetto a distanze differenti e con un diaframma ottimale.
• 2. Importare la sequenza di scatti nel software di stacking.
• 3. Effettuare l’allineamento in automatico del soggetto fra scatto e scatto.
• 4. Effettuare il bilanciamento dei parametri espositivi.
• 5. Effettuare lo stack secondo algoritmi differenti da caso a caso.

Ovviamente, il risultato ottimale è ottenuto quando il sistema fotocamera-obiettivo-soggetto è fisso e stabile (treppiede, stativo) e le condizioni di esposizione e di illuminazione sono le stesse. In pratica, una volta sistemato il set di ripresa e scelti i parametri di esposizione, è bene concentrarsi solamente sulla messa a fuoco, per garantire la (quasi) perfetta sovrapponibilità del soggetto fra uno scatto e l’altro. Quindi, usare stativi solidi, sistemi privi di “giochi” e uno scatto remoto o flessibile.

Il numero di scatti ideale sarà pari al numero di piani perfettamente a fuoco che, sulla base del diaframma impostato, sono compresi nell’intero spessore del soggetto. Il diaframma F/4 è considerato ottimale per macro e fotomicro, dal momento che presenta massima nitidezza e una profondità di campo leggermente superiore rispetto a quella a tutta apertura:

Poi, ovviamente, nella pratica si tenderà ad effettuare il numero di scatti più accettabile per scopo, risultato e produttività, dopo aver speso molto tempo nel tentativo di catturare tutti i piani che tagliano il soggetto.

Il focus stacking un’operazione onerosa in termini di risorse hardware (CPU, RAM) e tempi di attesa. Con alcuni programmi la memoria che è bene riservare al programma deve essere di almeno 1GB (1024MB) e le operazioni si allungano notevolmente se non si dispone di processori almeno dual core.

Focus stacking con CombineZP

Questo software è abbastanza facile da usare, una volta che si accetta la sua interfaccia minimalista. Con i settaggi di default i risultati che si ottengono sono altamente spettacolari, ma, rispetto ad altri software, i valori del contrasto possono risultare eccessivi. Inoltre, gli artefatti dovuti all’impacchettamento fra immagini riprese con prospettiva differente sono visibili e devono essere poi corretti con un software di fotoritocco, ma questo non è un limite del software, ma della tecnica in sé. CombineZP è un software facile da usare e che dà ottimi risultati fin da subito e questo per noi è un punto assolutamente a favore.

Il procedimento base comporta il caricamento del pacchetto di immagini JPEG/TIFF/PNG/etc. col pulsante New, la selezione dell’insieme delle immagini, l’allineamento (Align and Balance) e la scelta del procedimento di stacking:

Una finestra parallela riporta sottoforma di registro testuale (log) le fasi dell’operazione, fino al suo completamento:

*** Executing Do Stack Macro ***
Find Detail(5,1,710)
Remove Islands(5)
Fill Gaps
Create a Lowpass Filter(250,0)
Filter Depth Map
Copy Last Filter Output to Depthmap
Interpolated Output
Create New Frame
(8) New-Out99999
Go to Top Frame(8)
Create a Highpass Filter(1000,750)
Filter Active Frame
Replace New-Out99999
With out
Adjust Contrast(5)
Replace New-Out99999
With out
*** Finished Executing Do Stack Macro ***

Focus stacking con ZereneStacker

ZereneStacker è un software a pagamento, con la licenza ad uso “familiare” del costo di un’ottantina di dollari. A nostro giudizio è un software molto interessante, con un’interfaccia intuitiva e risultati eccellenti al primo colpo, in cui gli artefatti prospettici sono molto contenuti. Per contro, le risorse hardware di cui si deve disporre per il suo funzionamento sono notevoli e il contrasto di default dei risultati è piuttosto basso.

Il procedimento base comporta innanzitutto l’allocazione della memoria RAM da dedicare al programma. Dopodiché si carica il pacchetto di immagini JPEG/TIFF con un semplice drag & drop dalla cartella delle immagini al frame di sinistra del software. Quindi si avvia il comando di stack dal menu omonimo. Molto semplice e da tenere presente.

Focus stacking con Photoshop CS4 Extended

La procedura di stacking con Photoshop CS4 Extended è la seguente:

• Menu File > Script > Carica file in serie (Menu File > Scripts > Load Files into Stack), e nella finestra di dialogo scegliere i file da importare, partendo da quella che deve stare in basso nell’immagine finale (per ragioni prospettiche);
• selezionare tutti i livelli nel pannello Livelli;
• menu Modifica > Allineamento automatico livelli (Edit > Auto-align layers), e nella finestra di dialogo selezionare la proiezione Automatica (Projection: Auto);
• menu Modifica > Fusione automatica livelli (Edit > Auto-blend layers), e nella finestra di dialogo selezionare l’opzione di fusione “Crea serie di immagini” (Blend Method: Stack Images);
• con lo strumento di ritaglio (crop) si eliminano i bordi dell’immagine.

Esempio di focus stacking

Nell’esempio che segue, un esemplare di Imenottero Mutillide (Hymenoptera Mutillidae) di circa 6mm di lunghezza e 3mm di spessore è stato ripreso con 5 scatti a differente distanza di messa a fuoco:

Per la prima immagine (1) il fuoco è stato fissato sul cartellino di plastica trasparente su cui era incollato l’insetto (è visibile infatti l’alone chiaro della colla in corrispondenza del centro dell’immagine). In tal modo, sono state riprese a fuoco sicuramente le zampe e le antenne, che poggiavano sul cartellino. La fotocamera è poi stata allontanata micrometricamente dal soggetto per gli scatti successivi, fino al quinto (5), in cui il fuoco è stato fatto direttamente sul dorso del torace.

Gli scatti da 1 a 5, singolarmente presi, sono inaccettabili dal punto di vista della profondità di campo, se il nostro obiettivo è quello della documentazione scientifica (pubblicazione di una nuova specie, database specialistico, etc.). Ad esempio, il quinto scatto ha un buon fuoco sul torace, ma le zampe e le antenne sono solamente intuibili. Idem per il primo scatto, inaccettabile per tutte le parti tranne che per zampe e antenne. Ciò conferma la bassissima profondità di campo a F/4 all’ingrandimento di lavoro (~1.5:1), molto inferiore all’intero spessore dell’esemplare (3mm) e pari a meno di 1 millimetro.

Il risultato dell’operazione di combinazione è il seguente:

in cui tutte le aree più a fuoco dei 5 scatti sono state combinate a formare un’immagine singola in grado di caratterizzare al meglio il soggetto.

Focus stacking artigianale con Photoshop e simili

Per ottenere qualcosa di simile esiste anche una via più artigianale, in cui, però, i tempi di lavoro si allungano e la precisione si abbassa. Il metodo di seguito descritto è applicabile a quasi tutti i software di fotoritocco capaci di gestire i layer (= livelli). I layer vanno visti come “fogli” appoggiati l’uno sull’altro e singolarmente gestibili, come i lucidi da proiezione che si usavano tempo fa.

Nel nostro caso, i cinque scatti dell’esemplare vengono impilati come layer l’uno sopra l’altro, mantenedo in basso l’immagine con il fuoco sulle zampe:

L’immagine nell’area di lavoro, però, non sembra cambiare: mostra solamente l’ultimo layer (nell’esempio di cui sopra è l’immagine 2009_10_02_2891.jpg), quello cioé che sta al di sopra di tutti gli altri. Se si nascondesse quel layer, l’immagine mostrerebbe il penultimo layer, e così via.

Tramite lo strumento  GOMMA (Eraser) è possibile cancellare manualmente le aree non a fuoco di ogni layer, conservando solamente le porzioni a fuoco. Selezionato lo strumento, è bene scegliere un diametro proporzionato alle aree da cancellare e con i margini sfumati, per rendere al meglio la transizione fra un layer e l’altro:

Le operazioni di cancellazione richiedono attenzione, ma è possibile annullare le operazione eventualmente sbagliate. E’ inoltre fondamentale accendere/spegnere dalla visibilità il layer su cui si sta lavorando per controllare passo passo l’effetto della cancellazione.

Una volta terminato il lavoro di cancellazione layer per layer (ad eccezione dell’ultimo che costituisce la base per gli altri), sarà possibile impacchettare il tutto in un’immagine singola e salvarla nel formato che si preferisce.

FONTE: Gian Luca Agnoli, Manuale di Fotografia Chrysis.net, URL: http://www.chrysis.net/photo/.

Dalla stessa fonte vi segnalo “Test sulla combinazione di foto (Focus stacking)“