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Nähkurs

Stitching mit Hugin

11.10.2007
Nähen ist einfacher als gedacht! Zumindest das Aneinandernähen (stitchen) mehrerer Bilder oder Fotos zu einem Panorama gelingt mit Hugin in wenigen Schritten. Aber das Programm kann einiges mehr.

Panoramaaufnahmen sehen sehr beindruckend aus. Alle, die sich dieser Aufnahmesituation gestellt haben, wissen, dass sie mit einer Foto-Standardausrüstung schnell die Grenzen des Möglichen erreichen. Nicht jeder mag sich daraufhin ein für Panoramaaufnahmen geeignetes und teures Weitwinkelobjektiv für seine Spiegelreflexkamera kaufen. Zudem benutzt der Durchschnittsknipser Sucherkameras, an denen er kein anderes Objektiv ansetzen kann. Das Problem bei Panoramaaufnahmen ist der begrenzte horizontale Bildwinkel der Standardobjektive. Zum Glück gibt es für solche Fälle freie Software. Das Stitch-Programm Hugin [1] ist in der Lage, mehrere Bilder nahtlos aneinanderzuheften. Stitching (engl. nähen) bezeichnet in der Fotografie das Erstellen einer großen Fotografie aus einzelnen Aufnahmen. Das können z. B. in Folge und mit horizontalem Versatz aufgenommene Fotos einer Gebirgskette sein, die dann ein Panorama ergeben.

Damit ist der Funktionsumfang des Programms aber noch nicht erschöpft. Wir zeigen Ihnen in diesem Artikel auch, wie Sie mit Hugin stürzende Linien von Gebäuden ausgleichen oder große Scanvorlagen zu einem Bild zusammenfügen.

Hugin ist ein Frontend (GUI), also eine grafische Oberfläche, die im Hintergrund andere unabhängige Programme aufruft. Dazu gehören die Panorama-Tools [2] (PanoTools) und Enblend [3]. Erstere sorgen für das Aneinanderreihen der einzelnen Bilder anhand von Kontrollpunkten und mathematischen Berechnungen. Einen weichen und oft unsichtbaren Übergang an der Schnittstelle der Fotos schafft die Software Enblend.

Nadel, Faden und Schere: ein wenig Theorie

Wie funktioniert das Erstellen eines Panoramas theoretisch? Am Anfang steht die Aufnahme des Motivs, das in mehreren Bildern vollständig abgebildet wird. Am einfachsten ist es, von links zu beginnen und nach jedem Foto den Bildausschnitt etwas weiter nach rechts zu verschieben. Dabei ist es wichtig, dass sich die Bilder zu etwa 30 bis 50 Prozent überschneiden: Das hilft später dabei, viele Kontrollpunkte zu markieren und dadurch eine perfekte Überblendung zu erreichen. Wie viele Bilder für ein Panorama in Frage kommen, hängt vom Einzelfall ab. Der klassische Fall beschränkt sich auf drei Bilder, es können aber auch weitaus mehr sein.

Nachdem die Fotos von der Kamera auf den heimischen PC übertragen sind, kommt auch schon die Software zum Einsatz. Hier wählen Sie zuerst die Bilder aus und geben Aufnahme- sowie Objektivparameter an. Einer der wichtigsten Arbeitsschritte folgt auf dem Fuße: das Setzen von Kontrollpunkten. Diese ergeben sich aus hervorstechenden Merkmalen zweier aufeinanderfolgender Fotos und befinden sich in ihren Überlappungszonen. Sind genügend Punkte gefunden (es sollten pro Bildpaar mindestens zehn sein), berechnet Hugin daraus die Lage der einzelnen Fotos zueinander, um diese optimal aneinanderzufügen. Darauf folgt die Projektion. Dieser Vorgang ähnelt der Abbildung eines Dias auf eine Projektionsfläche. Das zusammengesetzte Panorama fungiert dabei als Dia und wird auf eine Leinwand geworfen, die die Form eines Zylinders (Innenseite) oder einer planen, rechtwinkligen Fläche hat.

Kostüm, Kleid oder Anzug? Das Panorama

Wie Sie Hugin auf Ihrem Computer installieren erfahren Sie in der Anleitung auf der Heft-DVD. Hugin starten Sie über das Schnellstartfenster ([Alt]+[F2]). Geben Sie den Befehl hugin ein und bestätigen Sie mit [Eingabe]. Die wichtigsten Arbeitsschrite auf der Oberfläche über Reiter erreichbar. Zu Beginn fügen Sie im Reiter Bilder alle Fotos hinzu, die das Programm zusammensetzen soll. Auf der Heft-DVD finden Sie im Ordner hugin sechs Aufnahmen (muenchen-easy_artikel*.tif), die Sie für erste Tests benutzen können. Dabei stehen Ihnen zwei Möglichkeiten zur Auswahl, die sich am rechten Fensterrand befinden. In der Praxis bewährte sich die manuelle Auswahl der Fotos über den Knopf Einzelne Bilder hinzufügen.

Nachdem Sie sich für die richtigen Bilder entschieden haben (Mehrfachauswahl durch Drücken der Taste [Strg]), klicken Sie auf Öffnen. Im oberen Bereich der Hugin-Oberfläche sehen Sie jetzt alle ausgewählten Bilder (Abbildung 1). Bevor Sie zum nächsten Reiter wechseln, definieren Sie das mittlere Bild als Anker/Basis für das Panorama. Dazu wählen Sie das Foto aus der Liste aus und klicken im Bereich Ankerbilder (im unteren Teil des Fensters) jeweils einmal auf Positionsanker setzen und Belichtungsanker setzen. Hugin verwendet den Anker als Basis des Panoramas und richtet die anderen Fotos in Hinblick auf Position und Helligkeit darauf aus.

Abbildung 1: Übersicht behalten: Die Hugin-Oberfläche teilt sich in fünf Reiter auf.

Im nächsten Reiter teilen Sie Hugin mit, welchen Objektivtyp Sie benutzt haben und welche Eigenschaften es besitzt. In den meisten Fällen benötigen Sie hier nur drei Angaben: Das ist zum einen der Bildwinkel (v) und die bei der Aufnahme verwendete Brennweite sowie zum anderen der Objektivtyp. Besitzen Sie eine Digitalkamera, dann haben Sie es leicht, denn Hugin liest die EXIF-Informationen der Bilder aus und füllt die wichtigsten Felder im Bereich Designparameter automatisch aus. Die Checkbox Vererben sorgt für die Übertragung der Werte auf das oder die nächsten Bilder. Sie sparen also Tipparbeit.

Kennen Sie Ihr Objektiv gut und haben dafür ein Handbuch, dann finden Sie dort die Eigenschaften des Linsensystems. Übertragen Sie die Werte in die Felder Radiale Verzerrung, Verschiebung der Bildmitte, Bildscherung sowie Belichtung und Farbe. Besitzen Sie keine Angaben zu Ihrem Objektiv, dann verändern Sie die vorgegebenen Werte nicht. Hugin berücksichtigt die Abbildungsfehler des Objektivs und ermöglicht eine noch genauere Ausrichtung der Fotos zueinander. Alle Angaben des Objektivs können Sie separat speichern und bei Bedarf über den Knopf Objektiv laden für ein neues Projekt aufrufen. Dadurch verwalten Sie verschiedene Objektive oder Kameratypen. Darüber hinaus ist es möglich, in einem Projekt Fotos zu verwenden, die mit verschiedenen Objektiven gemacht wurden. Jedes Bild bekommt eine Objektivnummer zugewiesen, die Sie in der gleichnamigen Tabellenspalte festlegen.

Kreuz- oder Kettenstich? Die Kontrollpunkte

Der nächste Bearbeitungsschritt, das Setzen der Kontrollpunkte, beansprucht etwas mehr Zeit und Geduld. Rufen Sie den Reiter Kontrollpunkte auf. Bevor Sie mit der Maus Gemeinsamkeiten in aufeinanderfolgenden Fotos markieren, stellen Sie den Zoom auf Einpassen und setzen ein Häkchen vor Automatische Feinjustierung, Automatisches Hinzufügen und Automatisches Schätzen. Diese Optionen finden Sie rechts unten im Fenster. Damit behalten Sie die Fotos immer im Überblick, und Hugin richtet die Kontrollpunkte selbstständig aus und übernimmt diese automatisch in die Liste.

Beginnen Sie nun mit der eigentlichen Prozedur, indem Sie auf der linken Seite des Fensters das Bild 0 und daneben das Bild 1 auswählen. Suchen Sie nach markanten Merkmalen, die in beiden Fotos vorkommen. Das können Turmspitzen, Häuserecken oder Baumspitzen sein. Vermeiden Sie die Auswahl von laufenden Personen oder bewegten Wolken, denn diese führen zu Fehlern beim Zusammensetzen der Fotos. Markieren Sie mit der Maus eine Übereinstimmung erst im linken und danach im rechten Bild. Hugin übernimmt daraufhin die Feinjustierung und fügt den Punkt der Liste im unteren Teil des Fensters hinzu (Abbildung 2). Falsch gesetzte Merkmale löschen Sie durch Auswahl des Punktes und einen Klick auf Löschen.

Abbildung 2: Gleiche Punkte besitzen dieselbe Farbe und können in der Liste ausgewählt werden.

Haben Sie genug Kontrollpunkte gesetzt, springen Sie zum nächsten Bildpaar. Dazu genügt es, auf den Pfeil im rechten oberen Teil des Fensters zu klicken. So fahren Sie fort, bis Sie das letzte Paar bearbeitet haben. Speichern Sie das Projekt jetzt mit Datei / Speichern unter, denn Sie haben schon den Großteil der Arbeit hinter sich. Wählen Sie einen Namen und den Ort und bestätigen Sie mit Speichern.

Maßschneiderei! Das Ausrichten der Bilder

Im nächsten Schritt kommt der Optimierer zum Einsatz. Wie schon angesprochen, bildet die Software die Eingabebilder auf eine virtuelle Sphäre (Leinwand) ab, um damit den originalen 360x180 Grad Panoramablick – oder einen Ausschnitt davon – zu rekonstruieren. Neben der Ausrichtung der Fotos (Drehung y, Neigung p, Rollen r) müssen ebenso deren Tonnen- und Kissenverzerrungen ausgeglichen werden. Da die Lage der Fotos zueinander und die Werte der Verzerrungen in den überwiegenden Fällen nicht bekannt sind – es sei denn, Sie benutzen eine kalibrierte Ausrüstung zum Anfertigen von Panoramaaufnahmen –, berechnet der Optimierer in Hugin diese für Sie. Eine ausführliche Beschreibung des Optimierungsprozesses und dessen vielfältiger Möglichkeiten würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Für Interessierte sei aber auf die Beschreibungen auf den Internetseiten des Panoclubs verwiesen [4].

Wechseln Sie zum Reiter Optimieren. Hier stehen Ihnen im Drop-down-Menü unter Schnelloptimierer verschiedene Methoden zur Verfügung. Für das Beispielpanorama wählen Sie Position und Ansicht (y,p,r,v) aus. Dadurch optimiert Hugin die Lage der Bilder (außer der des Ankerbildes) auf der Leinwand mit den Werten Drehung (Yaw, y), Neigung (pitch, p) und Rollen (roll, r) sowie deren Ansicht durch den Bildwinkel (v) (Abbildung 3). Der Optimierungsprozess ist eine eigene Wissenschaft für sich. Es ist möglich, ihn in mehreren Schritten durchzuführen. Welche Methode oder Methodenkombination für die jeweilige Bildersammlung das beste Ergebnis ergibt, ist individuell. Manchmal gelingt es einfach durch das Probieren einer Methode, ein geeignetes Ergebnis zu erzielen. Für das Beispielpanorama ergab die alleinige Optimierung der Position und der Ansicht (Position und Ansicht (y,p,r,v)) schon sehr gute Resultate. Mit Jetzt optimieren! lösen Sie den Arbeitsschritt aus. Hugin meldet daraufhin die Ergebnisse der Optimierung in einem separaten Fenster. Als Beleg einer erfolgreichen Optimierung kann die durchschnittliche Kontrollpunktsentfernung herangezogen werden. Je kleiner das Ergebnis, desto besser die Projektion auf die Leinwand und somit das Endergebnis. Werte unter 5 Pixel sollten es sein. Übernehmen Sie die Werte mit einem Klick auf Yes.

Abbildung 3: Die Lage eines Bildes kann ohne Positionswechsel in drei Dimensionen (Yaw, Pitch und Roll) verändert werden. Diese berechnet Hugin.

Als sehr praktisch erweist sich die Vorschaufunktion in Hugin: Sie ermöglicht Ihnen nach jedem Optimierunglauf, das vorläufige Ergebnis zu begutachten. Die Panoramavorschau rufen Sie durch Ansehen / Vorschaufenster oder einfach mit [Strg]+[P] auf. In der Mitte sehen Sie das Vorschaubild. Skalieren Sie es manuell mit den Schiebereglern neben und unter dem Bild oder automatisch durch Klicks auf Zentrieren und Einpassen. Probieren Sie verschiedene Vorschauoptionen aus, vor allem für die Art der Projektion. Ein schönes Ergebnis für das Beispielpanorama ergibt die Projektion auf eine leicht gekrümmte Leinwand (Zylindrisch). Sind Sie mit einem Ergebnis in einem anderen Panoramaprozess nicht zufrieden, wählen Sie eine andere Optimierungsmethode und aktualisieren die Vorschau.

Die Nähmaschine: Hugin fügt zusammen

Zeigt die Vorschau ein zufriedenstellendes Resultat, ist es Zeit, dass Hugin das Panorama berechnet. Kehren Sie zur Hugin-Oberfläche zurück und wechseln Sie auf den Reiter Zusammenfügen. Hier gilt es, drei Dinge zu beachten: Zum einen überprüfen Sie die Projektionsmethode ganz oben im Bereich Panorama. Normalerweise sollte hier schon die Projektion eingestellt sein, die Sie im Vorschaufenster gewählt haben; wenn nicht, ändern Sie das. Zweitens lohnt immer jeweils ein Klick auf die Knöpfe Blickwinkel berechnen unter Blickwinkel und Größe berechnen im Abschnitt Panoramabildgröße: Dadurch vermeiden Sie große schwarze Ränder im Panoramabild. Schließlich überprüfen Sie, welches Grafikformat das Ergebnisbild erhalten soll. Dazu finden Sie unter der Überschrift Schnelles Zusammenfügen voreingestellte Optionen. Wählen Sie aus dieser Liste den Eintrag mit benutzerdefinierten Einstellungen unten, dann haben Sie weiter unten im Abschnitt Ausgabedateioptionen die Möglichkeit, zusätzliche Angaben (z. B. den Kompressionsgrad) einzutragen. Vorerst benutzen Sie aber aus der Liste der Voreinstellungen den Punkt in ein hochwertiges TIFF-Bild und starten den "Nähprozess" mit einem Klick auf Jetzt zusammenfügen. Geben Sie hier noch den Ort und den Namen an, unter dem Sie das Panoramabild speichern möchten. Bestehen die Quellbilder aus TIFF-Dateien, ist es notwendig, einen Zielordner anzugeben, in dem keine anderen Grafiken im TIFF-Format liegen – also auch nicht die Quellbilder.

Korrektur stürzender Linien

Die Panoramaerstellung ist der klassische Anwendungsfall für Hugin. Mit der Software ist aber noch einiges mehr möglich, zum Beispiel das Ausgleichen von schiefen Häuserkanten. Besonders bei der Architekturfotografie achtet man auf gerade Linien, einen waagerechten Horizont und verzerrungsfreie Darstellung von Gebäuden. Profifotografen verwenden dazu Spezialkameras, -objektive und -zubehör. Der Hobbyfotograf hat solche Geräte nicht, ist aber mit den gleichen Problemen konfrontiert. Mit Hugin können Sie auch diese Aufgabe anspruchsvoll angehen.

Am Beispiel eines Bürogebäudes zeigen wir Ihnen, wie waagerechte und senkrechte Linien korrigiert werden. Dazu legen Sie ein neues Projekt in Hugin an und öffnen das Bild buerogebaeude-easy_artikel.jpg von der Heft-DVD. Verfahren Sie in den Reitern Bilder und Kamera und Objektiv wie oben beschrieben. Jetzt teilen Sie Hugin mit, welche Linien es im Ergebnisbild horizontal bzw. vertikal darstellen soll. Wechseln Sie dazu zum Reiter Kontrollpunkte. Auf beiden Seiten der Bildvorschau sehen Sie ein und dasselbe Bild. Markieren Sie jetzt im linken Foto die linke obere Ecke des hohen Gebäudes und die rechte obere Ecke im rechten Foto (Abbildung 4). Ist das Häkchen vor Automatisch Hinzufügen gesetzt, dann erstellt Hugin das erste Kontrollpunktepaar und fügt es der Liste hinzu. Klicken Sie auf diesen ersten Eintrag und kontrollieren Sie den Modus des Paars, den Sie am unteren Fensterrand finden. Wahrscheinlich hat Hugin schon erkannt, dass die Verbindung des Punktepaars im Ergebnis waagerecht dargestellt werden soll, es sich also um eine horizontale Linie handelt. Ist dem so, erstellen Sie weitere horizontale Linien (Punktepaare). Genauso gehen Sie vor, um vertikale Punktepaare zu markieren (Modus: vert. Linie). Kontrollieren Sie jeweils die Position des zweiten Punktes und korrigieren Sie gegebenenfalls.

Abbildung 4: In dieser Abbildung sehen Sie je ein Kontrollpunktepaar für eine horizontale (blau) und eine vertikale Linie (rot).

Die weiteren Arbeitsschritte (Optimieren und Zusammenfügen) laufen wie im Panoramabeispiel ab. Optimieren Sie Position und Ansicht, aber wählen Sie die Projektion auf eine plane, rechtwinklige Leinwand (Rectilinear) aus. Nicht immer passt sich das Ergebnis perfekt in den von Hugin berechneten Ausschnitt ein, sondern es entstehen schwarze Ränder. Diese entfernen Sie am besten mit Gimp, indem Sie das Zuschneiden-Werkzeug ([Umschalt]+[C]) benutzen. Den Lohn ihrer Mühen zeigt Abbildung 5.

Abbildung 5: Direkter Vergleich: Das gleiche Foto vor und nach der Bearbeitung mit Hugin.

Gescannte Vorlagen aneinanderfügen

Manch eine Vorlage ist einfach zu groß für einen üblichen A4-Scanner. Scannt man das Bild in zwei Abschnitten, ist es mühsam, die Einzelteile mit einem Grafikprogramm passgenau zu drehen, zu verschieben und aneinanderzufügen. Mit Hugin geht das einfacher und mit beeindruckenden Ergebnissen.

Fügen Sie einem neuen Projekt die Einzelbilder einer Scanvorlage (z. B. in zwei Schritten gescannte große Buchseite) hinzu und wechseln Sie zum Reiter Kamera und Objektiv. Normalerweise erwartet Hugin Fotos einer Kamera, das ist hier aber nicht der Fall. Ein Scanner stellt eine Art perfekte Kamera dar, ohne Linsenverzerrung (a, b, c) und ohne Drehung (yaw, y) oder Neigung (pitch, p) der Kamera zwischen den Aufnahmen. Die einzige Unbekannte ist der Blickwinkel (v). Für diesen Wert stellen Sie für jedes Bild einfach 10 Grad ein.

Wechseln Sie zum nächsten Reiter und markieren Sie einige Kontrollpunkte. Achten Sie darauf, dass auf der linken Seite der Vorschau Bild 0 und auf der rechten Seite Bild 1 eingestellt ist. Haben Sie einige Kontrollpunkte markiert, teilen Sie Hugin noch mit, welche Werte es optimieren muss. Dazu wechseln Sie zum Reiter Optimieren. Das erste Bild dient als Anker, Hugin hat es schon als solchen markiert. An diesem Bild sollen alle anderen Bilder ausgerichtet, d. h. gedreht (r), skaliert (v) und bewegt (d, e) werden. Eine solche Methode gibt es nicht im Drop-down-Menü Optimieren, wählen Sie daher den Punkt benutzerdefinierte Parameter unten aus. Daraufhin gibt Hugin die Eingabefelder in den Abschnitten Bildausrichtung und Objektivparameter frei. Unter Bildausrichtung sehen Sie jeweils zwei Zeilen, die für Bild 1 (Wert 0) und Bild2 (Wert 1) gelten. Steht ein Kreuz in den eckigen Klammern, optimiert Hugin diesen Wert. Setzen Sie nur ein Kreuz in die Felder r, v, d und e, außer für das Ankerbild (Bild 0). Starten Sie den Optimierungsprozess und übernehmen Sie die Ergebnisse in Ihr Projekt. Bevor Sie den "Nähprozess" mit einer rectilinearen Projektion starten, überprüfen Sie die Einstellungen mit dem Vorschaufenster ([Strg]+[P]). Ein hochwertiges TIFF-Bild garantiert einen unsichtbaren Übergang zwischen den Bildern.

Glossar

EXIF

EXIF (Exchangeable Image File Format) ist ein Standardformat zum Speichern von zusätzlichen Informationen in Bilddateien. Digitalkameras legen dadurch zum Beispiel Zeit, Datum, Verschlusszeit und Blende in Fotos ab.

Tonnen- und Kissenverzerrungen

Dabei handelt es sich um Abbildungsfehler, die durch optische Systeme (Objektiv) verursacht werden.

Infos

[1] Projektseite Hugin: http://hugin.sourceforge.net

[2] Projektseite Panorama-Tools: http://panotools.sourceforge.net

[3] Projektseite Enblend: http://enblend.sourceforge.net

[4] http://www.panoclub.de/hugin_tut/index.html

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