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© Scott Matthews, sxc.hu

Scharfe Sache

Bilder mit Gimp nachträglich schärfen

24.02.2010 Sowohl die kamerainterne Verarbeitung als auch widrige Umstände sorgen oft für Fotos, denen es an Schärfe fehlt. Gimp bietet eine Reihe von Verfahren, um diese Schwächen nachträglich auszubügeln.

Oft erscheinen Fotos nicht so knackig, wie es sich der Fotograf wünscht. Speziell bei kostengünstigen Kompakt- und Bridge-Kameras zeichnen dafür oft eine minderwertige Optik und die kamerainterne Bildverarbeitung verantwortlich. Letztere fällt aufgrund der beschränkten Hardwareressourcen einer Digicam oft um einige Größenordnungen schlechter aus als die selbst einfacher Bildbearbeitungsprogramme. Das führt nicht selten dazu, dass selbst einfarbige klare Linien nicht perfekt scharf erscheinen und mitunter so genannte Halos auftreten. Diese Art von Fehlern gleicht Gimp [1] mit einer Reihe von Scharfzeichnern (siehe Kasten "Schärfungsverfahren für Gimp") aus.

Schärfungsverfahren für Gimp

  • USM: Die unscharfe Maskierung (das wichtigste Verfahren).
  • High-Pass: Eine auf Kantenerkennung basierende Methode.
  • Wavelet-Methoden: Spalten die Bilder in mehrere Ebenen unterschiedlicher Detailgröße auf und schärfen diese.
  • HSV/LAB-Schärfen: Nur auf Lumineszenz- und Helligkeitskanäle angewendete Schärfungen, die auf den vorstehenden Methoden basieren.
  • Andere Verfahren: Viele Verfahren wie das Smart Sharpening kombinieren die oben genannten Methoden.

Was ist Schärfe?

Das menschliche Auge interpretiert harte Kontraste, also starke Übergänge in Farben oder Helligkeiten auf kurzem Raum, als scharfe Kanten. Diese Eigenschaft machen sich alle Schärfungswerkzeuge zunutze, um die Schärfe in Bildern nachträglich zu verbessern. Mehreren Pixel breite Kanten sieht das Auge kaum als wirklich scharf an. Je höher aber die Kontraste auf beiden Seiten der Kante ausfallen, um so schärfer erscheint sie.

Es gibt mehrere Gründe für Unschärfe. Einen davon stellt das Bildrauschen dar, das meist von den Kamerasensoren stammt. Oft hilft es, mit speziellen Filtern zunächst das Rauschen zu reduzieren ("Denoise"), was zu einer subjektiv besseren Bildschärfe führt. Bei verwackelten Bildern gilt im Prinzip dasselbe: Egal, ob sich das Objekt oder die Kamera bei der Aufnahme bewegten – in beiden Fällen erscheinen die Objektkanten durch die Bewegung breiter, als sie bei einer unbewegten Aufnahme wären. Es gibt bisher keine Methoden, derartige Fehler vollständig zu eliminieren. Oft führen aber auch die gängigen Schärfefilter zu brauchbaren Resultaten.

Das Auge löst feine Farbnuancen weniger gut auf, da es dafür deutlich weniger Sensoren als für Schwarz und Weiß besitzt. Deswegen ist es oft sinnvoll, nicht das gesamte Bild zu schärfen, sondern nur die Kanäle mit den Helligkeitsinformationen. In vielen Farbmodellen heißen diese "V" (für "Value") oder "L" (für Lumineszenz).

Die Bildschärfe lässt sich nur in der 1:1-Darstellung (ein Bildschirmpixel stellt ein Bildpixel dar) korrekt beurteilen. In Vergrößerungen oder Verkleinerungen führt das Wiedergabesystem aus Anzeigeprogramm, X-Server und Monitor für eine eigene Interpretation der Bilddaten.

Vor dem Schärfen

Alle gängigen Schärfungsverfahren arbeiten mit Kontrasterhöhung. Deswegen empfiehlt es sich, vorab zunächst das Rauschen sowie eventuelle Flecken (was alle Unregelmäßigkeiten in Farben und Helligkeiten umfasst) aus den Bildern zu entfernen. Andernfalls verstärken die Scharfzeichner auch diese Artefakte.

Am effektivsten reduzieren Sie solche Bildfehler, indem Sie die Aufnahme drastisch verkleinern. Dabei reduzieren sich die Unregelmäßigkeiten proportional, was gelegentlich schon ausreicht. Allerdings setzt diese Methode Ausgangsbilder in hoher Auflösung voraus. Auch das Überlagern mehrerer Bilder führt eventuell zum Erfolg – Sie benötigen dafür aber Aufnahmen, die ein statisches Objekt von exakt dem gleichen Standpunkt zeigen.

Gimp stellt unter Verbessern | Flecken entfernen einen speziellen Filter bereit, um Flecken und Fehler aller Art ohne Bildgrößenmodifikation zu entfernen (Abbildung 1).

Abbildung 1

Abbildung 1: Um zu verhindern, dass die Schärfungswerkzeuge Bildfehler verstärken, gilt es zunächst, diese mit dem Fleckentferner zu eliminieren.

Beim Starten initialisiert sich der Filter mit zumeist sinnvollen Vorgaben. Die Option Anpassend bewirkt, dass Gimp den Radius für die Berechnungen selbst ermittelt, was normalerweise besser funktioniert, als das manuelle Einstellen. Der Radiusregler besitzt dann keine Funktion. Durch Rekursiv wendet der Bildeditor den Filter mehrfach hintereinander an, was den Effekt verstärkt. Die Schwellwerte für Weiß und Schwarz steuern, ab welchen Helligkeitsstufen Gimp zu helle respektive zu dunkle Pixel als Fehler wahrnimmt und entfernt. Die Vorschau hilft, geeignete Werte zu finden.

Gimp besitzt zum Verringern von Bildfehlern und dem Verbessern der Schärfe noch ein zweites, weniger bekanntes Werkzeug mit: Den nichtlinearen NL-Filter (Abbildung 2). Er kennt drei Modi: Alphabasierter Mittelwert zeichnet weich und entfernt Flecken, Optimale Schätzung betont das Weichzeichnen und Kantenverstärkung entspricht dem Schärfen. Letztere nutzen Sie erst nach dem dem Aufruf der beiden anderen Filter. In allen drei Modi steuern die Parameter Alpha (hat nichts mit dem Alphakanal zu tun) und Radius die Wirkung der Filter.

Abbildung 2

Abbildung 2: Der wenig bekannte NL-Universalfilter leistet sowohl beim Entfernen von Flecken als auch beim nachträglichen Schärfen gute Dienste.

Unscharfes Maskieren (USM)

Da Gimps Standardfilter zum Schärfen (Filter | Verbessern | Schärfen) nur einen einzigen Parameter kennt und damit nur in wenigen Fällen wirklich gute Resultate liefert, stehen im Folgenden die leistungsfähigeren Schärfungsfilter im Mittelpunkt.

Die Methode Unscharfes Maskieren gehört zu den besten ihrer Art (Abbildung 3). Sie stammt noch aus der Zeit der Analogfotografie: Unscharfe Negative wurden durch das Überlagern mit einem noch etwas weniger scharfen (heute würde man sagen: weichgezeichneten) Bild geschärft. Dies hob die in den ursprünglichen Negativen vorhandenen Kanten hervor – da sich dort die Linien in den Negativen überlagern – und erzeugte so den Eindruck höherer Schärfe.

Abbildung 3

Abbildung 3: Das noch aus Analogzeiten stammende unscharfe Maskieren (USM) gilt als wichtigster Schärfungsfilter.

Drei Parameter steuern die unscharfe Maske, die sich bei fast allen auf diesem oder einem ähnlichen Verfahren basierenden Filtern wiederfinden:

  • Radius: Definiert die vom Algorithmus berücksichtige Anzahl von Pixeln auf beiden Seiten einer Kante. Große Werte beziehen größere Bereiche in die Berechnungen ein und erhöhen so die Wirkung, verbessern oft das Resultat aber nicht wirklich.
  • Menge: Steuert die Stärke des Algorithmus. Große Werte erhöhen die Wirkung, aber auch die Fehler. Insbesondere führen sie zu Überzeichnungen, die das Ergebnis unbrauchbar machen.
  • Schwelle: Legt fest, welche Kontraste Gimp als Kanten erkennt und überhaupt erst bearbeitet. Größere Werte schützen Bereiche mit kleinen Helligkeits- und Farbunterschieden vor dem Bearbeiten, was zu einem ruhigeren Ergebnis führt.

Aus diesen Betrachtungen lässt sich die Grundregel für unscharfes Maskieren ableiten: Ein kleiner Radius und eine ausreichend große Menge bei möglichst hoher Schwelle. Aber Achtung: Überschärfen führt zum Entstehen von Halos (Farbrändern) um die geschärften Konturen, die sich kaum noch mit vernünftigem Aufwand reduzieren lassen.

Andere Methoden zum Schärfen

Neben dem unscharfen Maskieren gibt es heute viele weitere Schärfungsfilter, die in bestimmten Situationen – etwa bei starkem Rauschen oder kräftigen Farben – bessere Ergebnisse erzielen. Viele von davon stellt auch Gimp zur Verfügung.

Zwei nicht zu Gimps Grundausstattung gehörende Filter sind Wavelet Denoise und Wavelet Sharpen. Beide finden Sie (wie auch die anderen hier vorgestellten Filter) in der Gimp-Registry [2]. Den ersten Filter installieren Sie mit dem Kommandozeilenaufruf gimptool-2.0 --install *.c. Er erscheint danach unter Filter | Verbesserungen | Wavelet entrauschen ... (Abbildung 4). Der Denoise-Filter reduziert zufälliges Rauschen in allen Bildkanälen beziehungsweise im Helligkeitskanal getrennt, was oft überraschend gut funktioniert.

Abbildung 4

Abbildung 4: Der Filter Wavelet Denoise reduziert wirkungsvoll zufälliges Rauschen.

Zunächst wählen Sie aus, in welchem Farbmodell die Korrekturen erfolgen. Für Fotos empfiehlt der Entwickler, die Cb- und Cr-Kanäle des YCbCr-Modells um Farbränder zu entfernen. Das Bearbeiten des Y-Kanals entfernt normalerweise das Rauschen am Besten. Der Grenzwert-Regler stellt die Stärke ein, und Weichheit legt fest, wie der Algorithmus einsetzt. Er stellt eine Weiterentwicklung des in Ufraw und Dcraw verwendeten dar.

Wavelet Sharpen finden Sie in der Gimp-Registry unter [3]. Entpacken Sie nach dem Download zunächst das Archiv, kompilieren Sie den darin enthaltenen Quellcode mit make und richten Sie das Binary mit make install beziehungsweise make userinstall ein. Gimp bietet Sharpen danach im gleichen Menü wie Denoise an. Bei Wavelets handelt es sich um Transformationsfunktionen mit besonderen Eigenschaften: Sie erlauben in der Bildbearbeitung eine feine Unterteilung der Bildinformationen und damit auch Korrekturen auf unterschiedlichen (Informations-)Ebenen. Mit dieser Methode bearbeiten Sie auch noch ziemlich unscharfe Bilder so, dass zumindest halbwegs brauchbare Resultate entstehen.

Hochpass-Schärfen

Da sich Schärfe im Wesentlichen an den Kanten bemerkbar macht, erweist es sich als schonend und sinnvoll, nur diese zu verändern und den Rest des Bildes unverändert zu belassen. Dieses Verfahren, das sich Hochpass-Schärfen nennt, betrachten viele Grafiker als Nonplusultra. Die Methode erstellt eine neue Ebene, die nur die Kanten als Strichzeichnung enthält, und kombiniert diese anschließend mit dem ursprünglichen Bild (Abbildung 5).

In Gimp finden Sie im Filtermenü unter Kanten finden mehrere Filter, mit denen Sie dieses Verfahren manuell anwenden. Der Laplace-Filter eignet sich oft besonders gut, da er sehr schmale (nur ein Pixel breite) Linien erzeugt, was bei anderen Filtern nicht unbedingt der Fall ist.

Manche Filter erzeugen sehr dunkle, fast schwarze Bilder. In diesem Fall verwenden Sie die Ebene erst nach dem Umkehren der Farbwerte (Farben | Invertieren) weiter.

Abbildung 5

Abbildung 5: Hochpass- oder Kantenschärfen erfolgt in vier Schritten: Ein Kantenfilter extrahiert die Konturen, das Bild wird invertiert, die Hintergrundfarbe entfernt und abschließend dem Originalbild kombiniert.

Auch der Verrechnungsmodus (Modus im Ebenen-Fenster) der oberen sichtbaren Ebene spielt eine entscheidende Rolle. Oft erweisen sich Multiplikation oder Division als gute Wahl, um scharfe Konturen erzeugen, ohne den Rest des Bildes zu sehr zu beeinflussen. Aber auch Harte Kanten und Weiche Kanten sowie Faser extrahieren liefern manchmal brauchbare Ergebnisse. Der Regler Deckkraft der oberen Ebene steuert den Effekt ganz fein. Einen klassischen Hochpassfilter finden Sie wieder in der Gimp-Registry [4], die Standard-Kantenfilter eignen sich aber ebenso.

Am einfachsten erledigen Sie die beschriebenen Arbeitsgänge mit dem Skript High Pass Sharpening [5], da es alle notwendigen Schritte automatisch ausführt. Allerdings ermöglicht es keinerlei manuelle Einstellungen. Es setzt den Überlagern-Modus für die neue Ebene (mit den Kanten) ein, den Sie gegebenenfalls nachträglich ändern. Um Gimp-Skripte mit der Erweiterung .scm zu verwenden, kopieren Sie diese ins Verzeichnis ~/.gimp-2.6/scripts/ und starten Gimp neu.

Eine Variante des Hochpass-Schärfens nutzt Gimps Fotokopie-Filter, den Sie unter Filter | Künstlerisch | Fotokopie... finden. Mit ihm bearbeiten Sie die kopierte Ebene so, dass sie nur noch Kanten und Flächen enthält. Über Transparenz entfernen aus dem Farben-Menü löschen Sie dann die Hintergrundfarbe, danach legen Sie sie die Ebene im Multiplikationsmodus über das ursprüngliche Bild. Auch hier steuert die Deckkraft die Stärke des Effekts. Allerdings beeinflussen die beim Erstellen der Fotokopie gewählten Parameter das Ergebnis auch sehr stark, was weitere Steuermöglichkeiten bietet.

GMIC und die FX-Foundry

Immer wenn es schwierig wird, lohnt ein Blick in den Multifilter GMIC [6]. Er versammelt derzeit über 300 Einzelfilter für die unterschiedlichsten Aufgaben; dazu gehören auch Schärfungsfilter und solche zur Rauschreduktion. Die Toolbox erreichen Sie nach der Installation im Gimp-Menü Filter unter G'MIC...). Das Tool besitzt seine eigene, erweiterte Variante der unscharfen Maske (Enhancement | Unsharp Mask). Einen Eintrag darunter finden Sie einen weiteren bemerkenswerten Filter namens Octave sharpening (Abbildung 6). Er basiert auf USM, erweitert diesen aber um wichtige Details und erzeugt so oft auch dann noch gute Resultate, wenn die Standardfilter versagen.

Abbildung 6

Abbildung 6: Der multifunktionale Filterbaukasten GMIC enthält unter anderem diverse Werkzeuge zum Nachschärfen von Bildern.

Das Prinzip ist einfach: Der Filter stapelt mehrere, mit unterschiedlichen Radien weichgezeichnete Ebenen übereinander und erzeugt so eine besonders fein abgestimmte USM, wobei die Deckkraft mit zunehmenden Radius abnimmt. Eine technische Beschreibung des Verfahrens zeigt der Podcast 127 von MeetTheGimp [7].

Octave sharpening besitzt zwei zusätzliche Parameter: Scales stellt die intern verwendete Anzahl der Ebenen ein. Welcher Wert das beste Ergebnis liefert, hängt stark vom Bild ab. Bei einem sehr unscharfen Foto bewähren sich kleine Werte wie etwa 2. Unter Channel(s) wählen Sie die Kanäle aus, die der Filter bearbeitet. Es gelten auch hier die oben beschriebenen Regeln; oft zeigt das Schärfen im Helligkeitskanal (Luminance) die besten Ergebnisse.

Auch die Skripten der FX-Foundry [8] enthalten eine Reihe spezieller Schärfungsfilter: BSSS Sharpen kombiniert eine Ebene im Bildschirmmodus mit einer oder mehreren im Subtraktionsmodus, was oft recht gute Ergebnisse bringt. Darüber hinaus stehen ein Hochpassfilter (Eg High-Pass Filter Sharpen) und ein Kantenschärfungsverfahren (Edge Mask Sharpen) sowie mehrere Varianten von USM-Filtern (Smart Redux Sharpen, Luminocity Sharpen und Eg Separate Light&Shadow Sharpen) zum Download bereit. Letzterer erzeugt zwei Ebenen für die hellen und dunklen Bereiche (Lichter und Schatten) und schärft sie getrennt. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, beispielsweise bei Bedarf nur das Ergebnis für die Lichter aufs Bild anzuwenden.

(Un-)Schärfe einsetzen

Alle beschriebenen Filter und Verfahren weisen spezielle Vorzüge und Nachteile auf haben daher ihre Berechtigung. So hilft es oft, mehrere unterschiedlich bearbeitete Ebenen zu kombinieren, um bestimmte Details hervorzuheben oder zu unterdrücken.

Bevor Sie nun aber jede Unschärfe mit Gewalt aus den Bildern verbannen, noch eine Überlegung: Zur Betonung bestimmter Bildteile eignen sich sowohl Schärfe und auch Unschärfe als Stilmittel. Es ergibt daher nicht unbedingt Sinn, ein Bild in allen Details zu schärfen, sondern vielleicht nur die herausragenden Elemente.

Da einige Filter unabhängig von der Auswahl die gesamte aktuelle Ebene bearbeiten, müssen Sie unter Umständen die gewünschten Bereiche auf eine separate Ebene kopieren. Weitere Informationen zum Schärfen von Bildern finden Sie in zwei Anleitungen unter [9] und [10].

Infos

[1] Gimp: http://www.gimp.org

[2] Gimp-Registry: http://registry.gimp.org

[3] Wavelet Sharpen: http://registry.gimp.org/node/9836

[4] Gimp-Hochpassfilter: http://registry.gimp.org/node/7385

[5] High Pass Sharpening: http://registry.gimp.org/node/21165

[6] GMIC: http://gmic.sourceforge.net

[7] MeetTheGimp-Podcast: http://meetthegimp.org/episode-127-octave-sharpening/

[8] FX-Foundry: http://gimpfx-foundry.sourceforge.net

[9] Tutorial "Sharpening Photographic Images": http://varis.com/StepByStep/sharpen/Sharpen.html

[10] Tutorial "Smart sharpening": http://www.gimp.org/tutorials/Smart_Sharpening/

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