Focus Stacking: Mejora de la profundidad de campo

La pérdida de detalle en una imagen por fenómenos relacionados con la profundidad de campo, es un hecho cotidiano con el que cualquier fotógrafo tiene que convivir. Sin embargo, existen diversas estrategias computacionales que nos pueden ayudar a desafiar estas propiedades físicas de nuestras lentes, para conseguir imágenes perfectamente nítidas a lo largo de todos los posibles planos de enfoque.

Durante el trabajo con macros, esta técnica se vuelve en cierta manera imprescindible y habitual, ya que nos puede ayudar a extender nuestra profundidad de campo, de forma que consigamos imágenes con un nivel de detalle continuo a lo largo de todos los planos de enfoque.

La teoría del Focus Stacking

La técnica del Focus Stacking es también conocida como Focus Blending, Z-Stacking e incluso  Extended Depth of Field y se fundamenta en la fusión de imágenes tomadas con diferentes planos de enfoque, y por tanto diferente nivel de detalle por regiones.

El concepto de fusión de imágenes, presenta tanto retos como resultados diferentes. Ya que no es suficiente con sumar los pixeles, o el promedio de los mismos, ya que de esta forma contribuiríamos a nuestra nueva imagen hiperfocal con las áreas desenfocadas y esto no es interesante. Los algoritmos de focus-stacking buscan la mejor forma de localizar las áreas de imagen con más detalle, o zonas de altas frecuencias.

De estas estrategias, una de las más utilizadas es la búsqueda de detalles de la imagen a través de filtros de paso alto, conocidos como métodos de la pirámide de diferencia de paso bajo o pirámide Laplaciana (imagen de la izquierda). Del resultado de aplicar recursivamente estos filtros de paso bajo, con el fin de reservar las altas frecuencias eliminando las bajas (zonas con poco detalle), se deducen las piramides gausianas o mapas de peso. De estos procesos se deducen los criterios de ponderación, que permiten escoger los pixeles más óptimos por cada imagen. La imagen que encabeza este artículo muestra un apilamiento de diversas imágenes y como contribuyen cada una de ellas a la imagen fusionada final.

Aunque el fundamento del focus-stacking sea complejo de asimilar, la práctica es francamente sencilla, ya que existen numerosas herramientas en el mercado, muchas de ellas de uso libre, que nos van a permitir apilar y fusionar nuestras secuencias de imágenes, de forma tremendamente simple.

En la imagen de la izquierda se pueden apreciar en tonos claros las zonas de máxima nitidez de la imagen, las cuales contribuiran en mayor medida a la imagen fusionada resultante.

La práctica del Focus Stacking

Primeramente debemos hacernos con una serie de imágenes tomadas con diferentes distancias de enfoque, asegurándonos que las transiciones sean lo menos abruptas posibles entre distancia y distancia.

Cuando trabajamos con macros, en particular tubos de extensión, es muy fácil apreciar el fenómeno de la profundidad de campo.

Una vez tomada esta secuencia debemos procesarla con una herramienta de apilamiento y fusion.

El concepto del apilamiento y fusión, engloba un proceso de alineamiento de las imágenes, ya que no sólo las pequeñas vibraciones de la cámara dificultarian la fusión, sino que la variación de distancias de enfoque, produce pequeñas oscilaciones en la FOV.

Una de las herramientas libres más populares, sobre la cual se fundamentan un buen número de herramientas es ENFUSE de Andrew Mihal. Enfuse además de mejorar el enfoque, realiza procesos de mejora de la exposición, de forma muy similar al concepto de HDR.

La dificultad en el uso de ENFUSE es el trabajo por línea de comandos, y que es necesario un alineamiento previo con la herramienta align_image_stack contenida en el proyecto HUGIN, igualmente por línea de comando. Los pasos para un alineamiento de una pila de imágenes y su fusión con estas dos herramientas es muy simple:

align_image_stack -m -a SALIDA *.TIF

Donde “SALIDA” es el prefijo que añadirá a la pila de imágenes alineadas.  Usando el habitual comodín “*” podemos cargar todas las imágenes Tif de un directorio.

enfuse --exposure-weight=0 --saturation-weight=0 --contrast-weight=1 --hard-mask  --output=enfuse.tif SALIDA*.TIF

Donde “enfuse.tif” es el nombre de la imagen resultante, y con “SALIDA*.TIF” se cargarán todas las imágenes TIF que comiencen con el prefijo SALIDA, descrito en el paso anterior.

Con estas sencillas instrucciones tenemos nuestra pila alineada y fusionada.

Si el trabajo con nuestra terminal nos resulta ajeno, podemos descargarnos las numerosas herramientas gráficas de fusión basadas en ENFUSE como ImageFuser o la herramienta propietaria PhotoAcute, la cual ya he descrito en artículos anteriores.

Otra alternativa para la fusión de imágenes, ya que se trata de un proceso muy habitual en entornos científicos, es usar el programa ImageJ y sus diversos plugins:

Para focus-stacking con ImageJ tenemos Stack-Focuser y Extended Depth of Field con numerosas opciones de configuración.

Sin embargo no hay que olvidarse del apilamiento y alineación. ImageJ puede cargar secuencias de imágenes como stacks pero necesitaremos de StackReg con la libreria TurboReg del mismo autor para alinear nuestras pilas de imágenes.

El resultado

De los procesos de fusión de Focus-Stacking podemos obtener imágenes ciertamente agradecidas, de forma muy sencilla y casi intrínseca a cualquier trabajo de macrofotografía.

En la imagen de la izquierda, se puede observar una situación típica al registrar un relieve, en este caso una cerámica arqueológica, bajo un importante nivel de aumento, donde se hace imprescindible recurir al Focus Stacking para lograr la nitidez optima a lo largo de todo el relieve. Aunque en el ejemplo se muestran dos imágenes de partida, realmente se han usado 5.

En ciertas ocasiones, la presencia de brillos o áreas sobrexpuestas entre nuestra zona de boke, o zonas “desenfocadas” puede generar halos durante la fusión, por lo cual debemos prestar atención al comportamiento de ciertas texturas.