Multi-Row-Panorama: So entsteht ein 500-Megapixel-Bild

Der Auftrag: Wir wollen in der Kirche St. Vincenz in der niedersächsischen Kleinstadt Schöningen die für ein evangelisches Gotteshaus ungewöhnlich aufwendige Innenausstattung mit höchstmöglicher Auflösung fotografieren.

Mit digitalen Mittelformat-Kameras wie der Hasselblad H5D-200MS könnte man Bilder mit 200 Megapixeln aufnehmen - so eine Kamera kostet allerdings knapp 40.000 Euro. Stattdessen wollen wir mit einer recht erschwinglichen Vollformat-Spiegelreflex noch höhere Auflösungen erreichen. Und zwar mit der aus der Panoramafotografie vertrauten Multi-Row-Technik. Dabei wird ein Bild aus mehreren Reihen einander überlappender Einzelbilder zusammengesetzt.

Diese Aufnahmetechnik dient eigentlich dazu, große Bildwinkel bis zu einem 360-Grad-Rundumblick abzubilden. Dazu verwendet man Weitwinkelobjektive mit großem Bildwinkel. Dieser wird durch die Montage mehrerer Bilder noch erweitert. Man kann aber auch ganz im Gegenteil mit Objektiven langer Brennweite und entsprechend kleinem Bildwinkel fotografieren, um das Gesamtbild aus möglichst vielen Einzelbildern zusammensetzen zu können. Es geht dann nicht so sehr darum, besonders große Winkel zu erfassen, sondern um eine möglichst hohe Auflösung. Mit marktüblichen DSLRs kann man so Auflösungen von Hunderten oder Tausenden von Megapixeln erreichen. Diese Technik wollen wir in der Praxis erproben.

So entsteht eine Gigapixel-Aufnahme mit Vollformat-Technik - der Werkstattbericht Schritt für Schritt.

1. Die Ausrüstung - Kamera, Montierung, Steuereinheit

Während der Panoramafotograf meist von Hand schwenkt, ist die Multi-Row-Fotografie die Domäne motorisierter Montierungen. Wenn Hunderte oder gar Tausende von Aufnahmen zu einem Bild mit höchster Auflösung zu verrechnen sind, überlässt man die Aufnahmesteuerung besser einer Automatik. Wir nutzen für unser Vorhaben eine PanoMachine von MK Panorama Systeme, die sich für alle Aufgaben der Panoramafotografie bis zur Aufnahme eines vollständigen sphärischen Panoramas eignet.

Unsere Anforderungen sind vergleichsweise konservativ, denn die Bilder, die wir aufnehmen wollten, sollen sich noch in der Fläche darstellen lassen. Die MK PanoMachine besteht einmal aus der Montierung selbst, die mit einer Winkelschiene und einem drehbar daran befestigten Einstellschlitten die korrekte Ausrichtung der Kamera erlaubt. Die zweite Komponente ist eine motorisierte Panoramaplatte, mit der Kamera und Montierung um die senkrechte Achse geschwenkt werden. Das Kernstück der PanoMachine ist die programmierbare Steuereinheit, von der die Motoren kontrolliert werden und die Kamera per Kabel ausgelöst wird.

Als Kamera dient uns eine Canon EOS 5D Mark II, deren Kleinbildsensor 21 Megapixel auflöst. Als Objektive haben wir zwei Festbrennweiten mit 50 und 135 mm sowie ein Telezoom mit 70-300 mm mitgebracht. Einerseits streben wir nach einer hohen Gesamtauflösung, was für eine möglichst lange Brennweite gesprochen hätte. Aber da wir mit Gigapixel-Panoramen bisher unerfahren sind, wollen wir es nicht übertreiben. Die Anforderungen an eine ausreichende Schärfentiefe legen ebenfalls eine nicht ganz so lange Brennweite nahe. So wählen wir das Telezoom und 200 mm.

2. Aufbau - den richtigen Drehpunkt finden

Nachdem wir die Kamera mit einer Schnellwechselplatte hochkant an der Montierung befestigt haben, bleibt noch deren Ausrichtung auf den parallaxfreien Drehpunkt. Die horizontale wie die vertikale Drehachse müssen durch den Mittelpunkt der Eintrittspupille gehen. Zunächst verschiebe ich die Winkelschiene, bis die optische Achse des Objektivs über der Achse des Drehtellers liegt.

Dann schaue ich vorne in das Objektiv und drücke die Abblendtaste, damit ich die Blende besser erkennen kann. Wie weit sie von der Frontlinse entfernt ist, bestimme ich nach Augenschein, und verschiebe dann Kamera und Objektiv nach hinten, bis die Blende über der Drehachse liegt.

Motive im Nahbereich hätten vielleicht eine präzisere Ausrichtung erfordert, aber für unseren Einsatzzweck würde, so denke ich mir, diese hemdsärmelige Methode ausreichen. Diese Einschätzung bestätigt sich im Nachhinein. Mit einem mitgelieferten Kabel verbinde ich nun noch die Steuereinheit mit der N3-Fernsteuerbuchse der Kamera, so dass diese automatisch ausgelöst werden kann.

3. Rechnen und einstellen - wie viele Aufnahmen pro Reihe?

Nun beginnt die Rechnerei. Für die Programmierung der PanoMachine müssen wir herausfinden, wie viele Aufnahmen pro Reihe nötig sind. Wie berechnet man das noch mal? Bei einer hochkant montierten Kleinbild-DSLR misst das Bild 24 mm in der Breite und 36 mm in der Höhe. Mit einer Brennweite von 200 mm erfassen wir einen horizontalen Bildwinkel von rund 6,9 Grad (zu den Details der Berechnung). Bei einer Überlappung von einem Drittel der Bildbreite deckt jede Aufnahme zwei Drittel davon ab, also etwa 4,6 Grad.

Das erste Motiv sollt die barocke Jonas-Weigel-Orgel von 1647 sein, die wir mit einem Teil des Kirchenschiffs abbilden wollen. Unsere Ausrüstung bauen wir zwischen Taufbecken und Altar auf. In der Waagerechten wollen wir einen Winkel von rund 50 Grad erfassen, wozu bei 4,6 Grad pro Bild rund 11 Aufnahmen ausreichen würden. Mit diesen Werten können wir bereits die Steuereinheit der PanoMachine programmieren, denn um die vertikale Steuerung müssen wir uns ja ohnehin selbst kümmern. Die wesentlichen einzustellenden Parameter sind der horizontale Schwenkwinkel und die Zahl der Aufnahmen pro Reihe. Um welchen Winkel dann von Bild zu Bild geschwenkt wird, rechnet die Steuereinheit selbst aus.

Der vertikale Bildwinkel berechnet sich nach demselben Muster; bei einer Brennweite von 200 mm und einer Bildhöhe von 36 mm wird ein Winkel von 10,3 Grad erfasst. Auch vertikal wollten wir die Bilder um rund ein Drittel überlappen lassen, und das hätte bedeutet, die Kamera nach der Aufnahme jeder Reihe um 6,9 Grad zu kippen. Leider ist die Gradeinteilung der Montierung recht grob: Zwischen zwei Strichen liegen jeweils 5 Grad, sodass ein Winkel von 6,9 Grad nicht hinreichend präzise einstellbar ist. Wir runden auf 7,5 Grad auf, was einerseits noch eine ausreichende Überlappung von mehr als einem Viertel gewährleistet, andererseits aber auch genau genug per Hand einzustellen ist. Darüber, wie viele Reihen wir aufnehmen, machen wir uns keine Gedanken: Wir fanden mit der untersten Reihe an und erhöhen den vertikalen Winkel so lange um jeweils 7,5 Grad, bis uns der erfasste Bereich hinreichend hoch erscheinen wird.

4. Blende und Verschlusszeit wählen

Vor Aufnahmebeginn müssen wir noch die Blende und die Verschlusszeit wählen. Von unserem Aufnahmestandpunkt bis zur Orgel-Empore sind es - mit großen Schritten grob ausgemessen - 24 Meter; weitere 10 Meter ist eine Bronzestatue entfernt, die wir ebenfalls noch scharf abbilden wollten. Mein in JavaScript programmierter Online-Schärfentiefenrechner verrät, dass wir dazu je nach unseren Anforderungen an die Schärfe auf Blende 16 bis 22 abblenden mussten. Im Spannungsfeld zwischen Schärfentiefe und Beugungsunschärfe entschieden wir uns für Blende 18, die laut Rechner jeden Punkt zu einem Scheibchen von 24 m beugt. Das entspricht zwar schon fast vier Pixelbreiten der EOS 5D Mark II, aber da diese Beugungsscheibchen keine gleichmäßige Helligkeit haben, sondern eher einem diffusen Fleck ähneln, würde sich die Beugungsunschärfe recht gut mit einer Unscharfmaskierung in den Griff bekommen lassen.

Unsere Lichtquellen sind neben einem trüben, von links einfallenden Tageslicht das künstliche Licht zweier Reihen von Hängelampen. Das reicht zwar aus, damit die Gemeinde den Text im Gesangbuch lesen kann, für fotografische Zwecke ist diese Beleuchtung aber nicht ideal. Die Belichtungsmessung der Kamera schlägt eine Verschlusszeit von 30 Sekunden vor. Der würde sich noch eine ebenso lange Dunkelfeldaufnahme zur Eliminierung von Hotpixeln anschließen. Eine ganze Minute pro Bild kommt aber schon aus Zeitgründen nicht in Frage. Wir setzen stattdessen den ISO-Wert auf 400 und ermitteln mit Probeaufnahmen eine optimale Belichtungszeit von sechs Sekunden, mit der wir zwischen den Anforderungen der hellsten und dunkelsten Teile der Szene vermitteln.

An diese Belichtungszeit passen wir auch die Programmierung der PanoMachine an, damit sie nach jeweils acht Sekunden zur nächsten Aufnahmeposition schwenkt. Auch die Wartezeit zwischen dem Erreichen der Aufnahmeposition und dem Auslösen der Kamera ist einstellbar; so können wir mit einer Pause von einer Sekunde sicherstellen, dass etwaige Schwingungen der Kamera abgeklungen sein werden, wenn die Belichtung beginnt.

5. Aufnahme

Nun wird es ernst. Als Startposition der PanoMachine kann man die linke, rechte oder mittlere Position programmieren, und die Mitte ist durchweg die sinnvollste Wahl. Ich richte also die Kamera auf die Mittelachse des Kirchenschiffs aus und drücke auf den Startknopf. Die PanoMachine schwenkt um die Hälfte des Gesamtschwenkwinkels von 50 Grad nach links und beginnt die Aufnahmeserie, die nach elf Bildern oder 88 Sekunden endet. Danach gibt sie mir gut 20 Sekunden Zeit, die Kamera um 7,5 Grad (also anderthalb Einheiten der vertikalen Skala) nach oben zu schwenken und wieder den Startknopf zu drücken. Nach sechs auf diese Weise aufgenommenen Reihen entscheiden wir, dass es genug ist, und ich drücke auf "Stopp".

6. Weitere Motive, andere Winkel

Ob wir alles richtig gemacht haben, können wir an dieser Stelle noch nicht kontrollieren, aber wir haben ein gutes Gefühl und machen gleich mit dem nächsten Motiv weiter. Wir bauen das Stativ unter der Orgel-Empore auf, um nun in der umgekehrten Richtung den Altar aufzunehmen. Die Entfernung ist also dieselbe und ebenso die benötigte Schärfentiefe. Damit bleibt es bei Blende 18 und einer Belichtungszeit von sechs Sekunden, aber wir verengten den horizontalen Schwenkwinkel auf 40 Grad, womit sich die Zahl der Aufnahmen pro Reihe auf neun reduziert.

In noch einer weiteren Hinsicht unterscheidet sich diese zweite Aufnahmesituation von der ersten: Neben dem Innenraum sind auch die helleren Fenster im Bildfeld, so dass ein höherer Kontrast zu bewältigen ist. Solche Fälle erfordern oft eine Belichtungsreihe, da der Dynamikumfang einer einzigen Belichtung nicht ausreicht, aber hier kamen uns die Tageszeit und der Sonnenstand zu Hilfe: Am frühen Nachmittag kommt das Licht aus Südwesten und damit von hinten rechts, während die Richtung Osten gelegenen Fenster hinter dem Altar nicht so hell sind, dass wir Überstrahlungen befürchten müssen.

Am Nachmittag fotografieren wir in Hötensleben in der Sankt-Bartholomäus-Kirche. Trotz der beengten Verhältnisse versuchen wir, den gesamten Chorraum abzubilden. Dazu setzen wir ein 135-mm- Objektiv ein, das pro Aufnahme 6,7 Grad in der Breite und 10 Grad in der Höhe abbildet. Mit acht Reihen von je 17 Aufnahmen sollte dieses unser größtes Multi-Row-Bild werden. Dafür geht es nun schneller, vor allem wegen der besseren Lichtverhältnisse, sodass wir nur noch 1,3 Sekunden belichten müssen.

7. Stitching - die Einzelaufnahmen vernähen

Von unserem Einsatz in Schöningen und Hötensleben bringen wir einige Gigabyte an Raw-Daten mit, die noch zu sichten, zu sortieren und zu Gesamtbildern unserer Motive zu verrechnen sind. Photoshop bietet die Funktion "Automatisieren > Photomerge" an, um Einzelbilder eines Panoramas miteinander zu verschmelzen, und zunächst versuchten wir es damit. Photomerge kann zwar einzelne Reihen oder Spalten von Bildern passend zuordnen und zu einer Gesamtansicht überblenden, benötigt aber viel Rechenzeit und legt den Computer währenddessen weitgehend lahm. Der Versuch, alle Bilder eines Motivs von Photomerge überblenden zu lassen, führt zu einer stark verzerrten Ansicht, die aufwendige perspektivische Korrekturen erfordert hätte.

Als Alternative bietet sich PTGui an, eine Panorama- Software, mit der ich schon früher Erfahrungen gesammelt hatte. PTGui arbeitet im Gegensatz zu Photomerge nicht vollautomatisch, aber die manuellen Eingriffsmöglichkeiten führen letztlich dazu, dass man schneller zum Ziel kommt. Die Software kann selbsttätig versuchen, das Puzzle der Einzelbilder zusammensetzen, was aber nicht bei allen unseren Panoramen im ersten Versuch gelingt. In solchen Fällen kann man in nicht zugeordneten Paaren überlappender Bilder Details markieren, die in beiden Bildern auftauchen.

Da wir die Einzelbilder in einem bestimmten Muster aufgenommen haben, ist solche Handarbeit unnötig: Mit der Align-to-Grid-Funktion brauche ich nur zu spezifizieren, in welcher Reihenfolge wir die Bilder aufgenommen haben, damit die Software einen Anhaltspunkt hat, wo nach Übereinstimmungen zu suchen war. Nach wenigen Minuten sind die Bilder selbst unseres komplexesten Panoramas überlappend angeordnet, und es blieb nur noch, die Perspektive zu optimieren.

PTGui stellt eine Vielzahl von Projektionen zur Wahl, um unterschiedliche Aufnahmewinkel in einem planen Bild zu vereinigen, und die von Weltkarten vertraute Mercator-Projektion lieferte meist die natürlichsten Ergebnisse. Nur für die Aufnahmen in Hötensleben, die größere Winkel erfassten, erweist sich die Vedutismo-Projektion als besser geeignet, um gerade Linien ohne Krümmung abzubilden. Stürzende Linien lassen sich in PTGui auf ganz einfache Weise vermeiden, indem man die Horizontlinie auf die Höhe der Kamera zieht. Für die eigentliche Bildberechnung in voller Auflösung benötigte ein iMac mit Intel Core 2 Duo und 16 GB RAM dann zwischen 10 und 20 Minuten. Die Photoshop- Dateien im .psb-Format, die PTGui erzeugte, beanspruchen zwischen 2 und 4 GB. Für die Optimierung der Tonwerte und ein moderates Nachschärfen zum besseren Herausarbeiten der Details war dann wieder Photoshop die Software der Wahl.

Die Gigapixel-Grenze haben wir mit diesem Projekt zwar nicht erreicht, aber unsere Bilder sind mit 250 bis 500 Megapixeln so hoch aufgelöst, dass 24 Magazinseiten der "Docma" nötig wären, um nur eines der beiden kleineren Panoramen mit 300 ppi zu drucken. Den Detailreichtum der Bilder können wir daher nur in Ausschnitten zeigen. Echte Gigapixelbilder lassen sich ohnehin nur mit einem Betrachtungsprogramm wie Zoomify im Web sinnvoll präsentieren, wofür Photoshop die Exportoption Zoomify anbietet.

Hier sehen Sie das zoombare Zoomify-Bild der Sankt-Vincenz-Orgel .