Richi´s Lab

Focus-Stacking

Je größer der Vergrößerungsfaktor einer Optik ist, desto kleiner ist die Schärfentiefe. Bei den hier verwendeten Vergrößerungsfaktoren ist die Schärfentiefe noch ausreichend, um ein parallel zur Objektivlinse ausgerichtetes Die ausreichend scharf abzubilden. Bei noch größeren Vergrößerungsfaktoren kann es passieren, dass bereits einzelne Lagen eines integrierten Schaltkreises unscharf werden. Dann müssen für ein durchgehend scharfes Bild mehrere, unterschiedlich fokussierte Bilder zusammengeführt werden. Spätestens wenn ein Bild eine relevante Tiefe aufweist, kommt man auch bei verhältnismäßig kleinen Vergrößerungsfaktoren nicht mehr um das sogenannte Focus-Stacking herum.

 

Focus-Stacking Beispiel

Focus-Stacking Beispiel Einzelbild

Das obige Bild wurde nur mit einem moderaten Vergrößerungsfaktor aufgenommen. Auf Grund der Tiefe waren für eine durchgehend scharfe Abbildung dennoch 40 Einzelbilder nötig.

 

Focus-Stacking Beispiel

Focus-Stacking Beispiel Einzelbild

Der hier zu sehende Schaltkreis ist leicht schräg gestellt. Eine einzelne Aufnahme bildet auch hier nur einen sehr kleinen Bereich scharf ab.

 

Helicon Focus

Ein Programm, das vollautomatisiert aus verschieden fokussierten Bildern automatisiert ein Gesamtbild erzeugt, ist Helicon Focus (siehe auch Panorama-Erstellung). Für das obige Beispiel waren 43 Einzelbilder notwendig. Helicon Focus kann neben JPG-Bilder auch RAW-Bilder verarbeiten.

Focus-Stacking erzeugt einen nicht unerheblichen Aufwand. Das einzelne Bild belegt inklusive der Rohwerte 1GB Speicherplatz. Aktuell (Q1/2022) entstehen im Durchschnitt 5.000 Bilder pro Monat. Arbeitet man mit einer Spiegelreflexkamera mit mechanischem Verschluss, so ist dessen Verschleiß nicht zu unterschätzen. Je nach Modell sind Spiegelreflexkameras auf wenige 100.000 Auslösungen ausgelegt. Erstellt man viele Bilder mit Focus-Stacking, so erreicht man schnell hohe Auslösungszahlen. Eine Kamera ohne mechanischen Verschluss ist hier von Vorteil. Die Canon EOS 90D bietet zum Beispiel die Möglichkeit im Liveview auf einen elektronischen Verschluss umzuschalten, so dass der mechanische Verschluss dauerhaft offen bleibt.

 

Focus-Stacking Rechenleistung

Der Vorgang des Focus-Stacking ist verhältnismäßig aufwändig. Neben der Rechenleistung ist zusätzlich viel Arbeitsspeicher notwendig.

 

Helicon Focus Benchmark i7-4770K

Ein Computer mit einem auf 4,3GHz übertakteten i7-4770K und 16GB DDR3-RAM benötigt fast eine Minute für das obige Bild. Zusammenstellungen aus mehr Einzelbildern oder mit mehr Megapixeln benötigen schnell bis zu zwei Minuten. Der Helicon Focus Benchmark liefert für dieses System eine Geschwindigkeit von 104 Megapixel pro Sekunde.

 

Helicon Focus Benchmark i9-12900K

Auf einem i9-12900K mit 64GB DDR5-RAM erfolgt der Rendering-Vorgang deutlich schneller. Helicon Focus liefert für dieses System eine Geschwindigkeit von 423 Megapixel pro Sekunde.

 

Helicon Focus Benchmark i9-12900K RTX3070

 Eine besonders starke Leistungssteigerung ergibt sich mit der OpenCL-Hardwarebeschleunigung einer GeForce RTX 3070 Ti. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit steigt auf 1.212 Megapixel pro Sekunde und die Verarbeitungszeit für das obige Bild reduziert sich auf ungefähr 12 Sekunden.

 

Helicon Focus Methoden

Für die Zusammenführung der Bilder stehen drei Methoden zur Auswahl. Bei den Methoden A und B kann man die Werte Radius und Glättung variiert. Bei der Methode C ist lediglich die Glättung einstellbar.

 

Helicon Focus Methoden

Auf der Webseite von Helicon Focus werden sinngemäß die obigen Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden aufgelistet. Es findet sich aber auch der Hinweis, dass es schwierig ist eine ideale Konfiguration zu spezifizieren. Man sollte verschiedene Methoden mit verschiedenen Einstellungen testen, um sich an das beste Ergebnis heranzuarbeiten.

Man kann die hier vorkommenden Bilder, die ein Focus-Stacking benötigen, in drei Kategorien einteilen. Verkippt man ein Die leicht, so werden meist noch etwas mehr Details erkennbar. Derartige Bilder stellen üblicherweise eine einfache Oberfläche ohne abrupte Höhenänderungen dar. Hierfür ist die Methode B am besten geeignet. Bei Übersichtsbilder mit vielen Bonddrähten und komplexen Aufbauten generiert die Methode B meist schlechtere Bilder. Im Hinblick auf die Vor- und Nachteile der Methoden ist das nicht verwunderlich. Hier liefert abhängig von den Strukturen die Methode A oder C das beste Ergebnis. Hat man beide Elemente, große Dies und komplexe Strukturen, dann muss man austesten welche Methode die wenigsten Artefakte generiert.

Die Regler für Radius und Glättung stellt man initial am besten auf 8 und 4. Von da aus kann man die Werte optimieren. Wählt man einen kleinen Wert für den Radius, so werden auch kleine, alleinstehende Details sauber abgebildet. Gleichzeitig steigt die Gefahr, dass Artefakte auftreten. Wählt man einen großen Radius, so wird das Gesamtbild meist sauberer dargestellt, dafür verschwinden kleine, alleinstehende Konturen. Den Glättungswert darf man nicht zu hoch wählen, da sonst Konturen verschliffen werden. Ein zu niedriger Glättungswert hinterlässt aber Artefakte in eigentlich homogene Flächen.

 

Helicon Focus Methode A/8/4

Helicon Focus Methode A/50/1

Bei einem integrierten Schaltkreis erzeugt die Methode A sowohl mit den Parametern 8/4 (oben) als auch mit den Parametern 50/1 (unten) eine leichte Unschärfe. Mit 8/4 machen sich zusätzlich Staubpartikel auf dem Sensor bemerkbar. Helicon Focus würde das Abspeichern von Staubdaten ermöglichen, die dann bei der Verarbeitung ausgeblendet werden.

 

Helicon Focus Methode B/8/4

Helicon Focus Methode B/50/1

Die Methode B liefert bei gewöhnlichen Dies die besten Ergebnisse. Die Standardeinstellung 8/4 (oben) erzeugt teilweise in strukturlosen Flächen und an Kanten noch einige Störungen. Mit den Parameter 1/50 (unten) entstehen üblicherweise die besten Bilder. Details werden scharf dargestellt und in den freien Flächen finden sich keine Artefakte mehr.

 

Helicon Focus Methode C/4

Helicon Focus Methode C/10

Mit der Methode C verliert man meist etwas Schärfe. Ein Glättungswert von 4 (oben) verstärkt außerdem die Störungen in den Bildern. Erhöht man den Glättungswert auf 10, so wird das Bild sehr unscharf.

 

Focus-Stacking Fehler B/50/1

Die Methode B mit den Parametern 50/1 liefert bei integrierten Schaltungen sehr guten Ergebnisse. Dünne Strukturen, die sich in einer anderen Schärfenebene befinden, verschwinden allerdings. Das ist hier bei den Bonddrähten deutlich zu erkennen.

 

Focus-Stacking Fehlerkorrektur

Helicon Focus bietet die Möglichkeit in einem Nachbearbeitungsfenster Fehler zu korrigieren. Man wählt das Bild mit der richtigen Fokusebene aus und kann dann daraus die fehlenden Strukturen übertragen. Dieses Vorgehen ist allerdings nur praktikabel, wenn nicht zu viele Fehler und Artefakte korrigiert werden müssen.

 

Focus-Stacking Fehler A/2/1

Die Einstellung A/2/1 liefert ein etwas unschärferes Ergebnis, sie übernimmt im vorliegenden Beispiel aber alle Bonddrähte.

Der obige Bildausschnitt zeigt zwei weitere, typische Artefakte. Die obere Kante des Dies wurde nicht komplett übernommen. Dieser Fehler lässt sich aber relativ einfach korrigieren. Ein weiteres Problem ist der Umgang mit Spiegelungen. Helicon Focus übernimmt die schärfsten Spiegelungen. In der Fokusebene des Dies befinden sich allerdings real weniger scharfe Spiegelungen. Abgesehen von der falschen Darstellung führt die Diskrepanz zu Artefakten wie in der oberen linken Ecke, wo die Spiegelung nicht in die Oberfläche des Dies eingepasst werden kann.

 

Focus-Stacking Fehler Spiegelung

Bei den seitlichen Schnittkanten der Dies wird der schwierige Umgang mit Spiegelungen noch deutlicher. Hier sind oft in einzelnen Bereichen deutlich die Strukturen der Schnittkanten zu erkennen, während große Flächen die Strukturen des Gehäuses widerspiegeln. Derartige Fehler müssen manuell nachgearbeitet werden.

 

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