Stellarium-Landschaften aus eigenen Aufnahmen erstellen (2/4)

Erstellung des Panoramas mit Hugin

Laden der Aufnahmen und erstes Fitting

Laden Sie die Aufnahmen zu Ihrem Panorama von der Kamera auf Ihren Computer. Legen Sie für die Aufnahmen ein eigenes Unterverzeichnis an. Wenn Sie für Ihre Kamera eine Fotoverwaltungs-/ Archivierungs-Lösung (z.B. digikam) einsetzen, so achten Sie darauf, daß diese auch einen Zugriff auf Ihre Aufnahmen von außerhalb dieser Software gestatten muß (mit digikam möglich). Alle Aufnahmen müssen im Querformat (Landscape-Mode) vorliegen. Führen Sie ansonsten keine Skalierung oder Vorbearbeitung Ihrer Fotos durch, insbesondere nicht hinsichtlich Helligkeit, Kontrast, Gamma-Faktor oder Farbe!

Legen Sie, von den Fotos getrennt, ein weiteres Unterverzeichnis für die Meta-, Zwischen- und Enddateien von Hugin an.

Rufen Sie Hugin auf und nehmen Sie unter [File / Preferences] folgende Einstellungen vor:

• Assistant: „Automatically align images after loading“ und „Detect vertical lines“ ausschalten, hingegen Celeste und „Remove outlying control points“ einschalten
• Control Points Editor: „Enable rotation search“ anklicken und start/stop angle auf -30/+30 setzen (Kompromißwerte, um CPU-Zeit zu begrenzen, dafür muß im Nadir-Umfeld händisch nachgearbeitet werden)
• sonst Standardeinstellungen beibehalten.

Schalten Sie Hugin in den Expert-Modus ([Interface / Expert] setzen) und setzen Sie im unteren Bereich des Hauptfensters bei Optimize die Einstellungen für Geometric und Photometric auf "Custom Parameters", so daß im Arbeitsfeld des Hauptfensters die zusätzlichen Reiter Optimize und Exposure erscheinen. Lens type muß für eine normale Kleinbildkamera auf "Normal (rectilinear)" gesetzt werden.

Laden Sie nun die aufgenommenen Fotos Ihres Panoramas mit dem "Add Images"-Button oder [Edit / Add Image] im Hauptfenster in die Anwendung hinein (eine weitere Möglichkeit ist [Assistant / Load Images] im Fast Panorama Preview). Dabei können Sie alle benötigten Fotos auf einmal selektieren. Sichern Sie bereits jetzt einmal die Projektdatei in den vorbereiteten Ordner für die Meta-Dateien ([File / Save]) und gewöhnen Sie sich ein regelmäßiges Sichern dieser Projektdatei mit Versionierung bei jeder größeren Überarbeitung des Panoramas an, so daß Sie immer eine vernünftige Rückfallposition haben, bei der Sie wieder aufsetzen können, falls sich eine Überarbeitung als Verschlechterung herausstellt.

Rufen Sie, falls nicht ohnehin schon geöffnet, den Fast Panorama Preview auf (GL-Button im Hauptfenster). Dort erscheinen im Arbeitsfeld alle geladenen Fotos übereinander gestapelt an einer Stelle, da ihre Position zueinander noch nicht bestimmt worden ist. Setzen Sie im Projection-Reiter den Panorama-Typ auf "Equirectangular" und das Sichtfeld (Field of View) auf den vollen Bereich 360°x180°. Mit diesen Einstellungen wird Hugin das Panorama als Plattkarte erzeugen, die die gesamte Visiersphäre abdeckt. Dieser Panorama-Typ entspricht exakt dem Landschafts-Typ "Spherical" in Stellarium.

Starten Sie nun den primären Prozeß zur erstmaligen Ausrichtung (Fitting) der geladenen Fotos, indem Sie im Assistant-Reiter auf den Align-Button klicken. Dabei werden alle Fotos paarweise auf Übereinstimmungen untersucht, die dann als Kontrollpunkt-Paare markiert werden, und darauf basierend eine geometrische und photometrische Optimierung durchgeführt. Im Rahmen dieser ersten Fitting-Prozedur, die auf einem modernen Dual-Core-System der eingangs beschriebenen Art etwa 1 Stunde, aber auf älteren Einprozessorsystemen durchaus 12 bis 24 Stunden in Anspruch nehmen kann (und tunlichst nicht unterbrochen werden sollte!), werden bei einem 100 bis 150 Aufnahmen umfassenden Panorama-Projekt etwa 12.000 bis über 20.000 Kontrollpunkt-Paare angelegt, die dann im Hauptfenster unter dem „Control Points“-Reiter bildpaarweise inspiziert werden können.

Mit erfolgreichem Abschluß des primären Fittings erscheint im Fast Panorama Preview eine erste Vorschau des Gesamtpanoramas mit lagerichtiger Plazierung der Einzelaufnahmen, denen nun im Hauptfenster unter dem Optimize-Reiter (oder unter dem Photos-Reiter bei Wahl der Anzeige-Option "Display Positions") auch die entsprechenden Werte für die Positionsparameter zugewiesen sind. Die entscheidenden Positionsparameter sind:

• yaw = Azimut des Bildzentrums relativ zum Anker-Bild (-180° bis +180°, + nach rechts)
• pitch = Höhenwinkel des Bildzentrums (-90°(Nadir) bis +90°(Zenit))
• roll = Drehwinkel des Bildes um das Bildzentrum (-180° bis +180°, + im Uhrzeigersinn)

Beim primären Fitting wird ferner ein optimierter Winkelwert für das horizontale Blickfeld (HFOV) der Kamera ermittelt, der geringfügig von dem aus der Linsenbrennweite berechneten Wert abweichen kann.

Bei unebenem Panorama-Horizont nach dem ersten Fitting sollte eine ungefähre Begradigung des Horizonts erfolgen (die exakte Ausrichtung des Horizonts erfolgt in der weiteren Bearbeitung). Unter dem Move/Drag Reiter des Fast Panorama Preview steht neben dem "Straighten"-Button zur automatischen Begradigung des Horizonts auch eine manuelle Möglichkeit durch händisches Setzen der Gesamt-Positionsparameter yaw/pitch/roll zur Verfügung. Hier sollte man sich an der eingeblendeten waagrechten Linie, die den mathematischen Horizont markiert, orientieren und stets nur einen Parameter zur Zeit in 1°-Schritten verändern.

Beseitigung der durch die manuelle Aufnahmetechnik verursachten Verzerrung

Bei der nach dem ersten Fitting erstellten Panorama-Vorschau ist bei genauem Hinsehen zu erkennen, daß das Panorama oftmals deutlich um bis zu 10° über die mathematische Horizontlinie nach oben "hinausquillt" (Zur Abschätzung: Die Gitterweite des eingeblendeten Netzes beträgt 9°). Ursache für diesen Höhenwinkel-Exzeß ist, daß sich die Kameralinse durch das zunehmende Neigen von Kopf und Kamera mit wachsendem Neigungswinkel bei den Nadir-Aufnahmen um bis zu 20 cm näher am Erdboden befindet als bei den Horizont-Aufnahmen. Somit erscheinen Details auf den bei hohen Neigungswinkeln aufgenommen Fotos als zu groß im Vergleich zu den Horizont-Aufnahmen. Ein Zurückrechnen des Blickfelds (HFOV) der Nadir-Aufnahmen auf die größere Augeshöhe der Horizont-Aufnahmen führt zu um mehrere Grad verkleinerten Blickfeldern für die Nadir-Aufnahmen.

Dieser Effekt läßt sich in Hugin berücksichtigen, indem man jeder Gruppe von Aufnahmen, die zu ähnlichen Neigungswinkeln gehören (zu erkennen am pitch-Parameter), eine neue gemeinsame Linse zuweist (Fotos im Photos- oder Optimizer-Reiter des Hauptfensters markieren, durch Maus-Rechtsklick Submenü aufrufen und [Lens / New Lens] auswählen). Typischerweise erhält man auf diese Weise 7 bis 10 verschiedene Linsen, die den „Aufnahmezeilen“ beim „zeilenweisen“ Aufnehmen des Panoramas entsprechen. Diese Linsen können unabhängig voneinander individuelle HFOV-Werte annehmen.

Da das Zuweisen von Fotos zu neuen Linsen zu einer hier unerwünschten Kopplung photometrischer Parameter führt, muß vor dem Fortgang der Arbeiten diese Kopplung wieder aufgehoben werden. Hierzu wählen Sie den Exposure-Reiter an, klicken auf Reset (Exposure / Color to EXIF values) und führen dort anschließend durch Klicken auf den „Optimize Now!“-Button einen photometrischen Optimierungslauf durch, um den optimalen Helligkeitsabgleich der Fotos wieder herzustellen.

Klicken Sie nun auf den Optimizer-Reiter, um den ersten geometrischen Optimierungslauf nach Erzeugung der neuen Linsen einzuleiten. Achten Sie darauf, daß bei allen Fotos die Positionsparameter yaw, pitch, roll (mit Ausnahme des yaw-Parameters des Anker-Fotos) sowie bei allen Linsen die Parameter HFOV und barrel(b) zur Optimierung ausgewählt sind. Starten Sie den Optimierungslauf durch Klicken auf den „Optimize Now!“-Button, und sichern Sie nach Abschluß des Laufs die Projektdatei (Versionierung!). Die wichtigste Veränderung bei diesem Optimierungslauf tritt bei den HFOV-Parametern ein, die nun passend zur Aufnahmetechnik eingerichtet werden und anschließend eine typische Abstufung vom Horizont zum Nadir aufweisen (z.B. reichen bei einer Kamera mit einem 54°-Blickfeld die HFOV-Werte typischerweise von ca. 54° bei Horizont-Aufnahmen bis zu ca. 45° bei Nadir-Aufnahmen).

Der Höhenwinkel-Exzeß, also der Effekt des „Hinausquellens“ des Panoramas über die mathematische Horizontlinie, wird dadurch bereits deutlich reduziert, jedoch i.a. nicht völlig beseitigt. Um eine weitere deutliche Verbesserung des Panoramas hinsichtlich dieser Punkte zu erzielen, führt man nun einen geometrischen Optimierungslauf allein für die Linse durch, die die Fotos mit den Horizont-Aufnahmen umfaßt (meist ist dies Linse 0). Hierzu schalten Sie im Fast Panorama Preview zunächst alle Bilder aus und dann einzeln nur diejenigen Bilder wieder ein, die zu dieser Linse gehören. Achten Sie darauf, daß im Optimize-Reiter des Hauptfensters die Option „Only use control points between images selected in preview window“ aktiviert ist, und starten Sie dort durch Klick auf den „Optimize Now!“-Button die geometrische Optimierung. Da nur bezüglich einer Gruppe von Bildern des Projekts optimiert wird, benötigt dieser Lauf wesentlich weniger Zeit als eine Volloptimierung. In vielen Fällen kann Hugin, eingeschränkt auf diese Gruppe von Bildern, ein Panorama mit sehr gutem Fitting, nur wenigen Artefakten und in nahezu richtiger Horizontlage erstellen.

Erscheint im Fast Panorama Preview der Horizont sinusförmig verbogen, so ist die Visierrichtung der Panorama-Mitte nicht auf den Horizont ausgerichtet und muß im Move/Drag-Reiter durch händisches Ziehen oder durch Setzen der Positionsparameter (yaw / pitch / roll) angepaßt werden. Dabei bewirken positive (negative) Werte

• bei yaw eine Verschiebung des Panoramas nach links (rechts)
• bei pitch eine Anhebung (Absenkung) des Panoramas im Bereich des zentralen Punkts
• bei roll eine Drehung um den zentralen Punkt im (gegen den) Uhrzeigersinn

Ist der Horizont ungefähr begradigt, so sollte nicht nur turnusgemäß die Projektdatei gesichert werden, sondern erstmals auch der nun erreichte Stand des Panoramas als TIFF-Datei ausgegeben werden, indem Sie im Hauptfenster zum Stitch-Reiter wechseln und den Stitch-Button aufrufen. Das ausgegebene Panorama wird später mittels Berechnung von Azimut und Höhenwinkel mehrerer Landmarken auf Lagerichtigkeit geprüft und nachkorrigiert.

Bereiten Sie nun die weitere Volloptimierung vor, indem Sie im Fast Panorama Preview wieder alle Bilder einschalten und im Optimize-Reiter des Hauptfensters die Optimierung der Positionsparameter aller Bilder der soeben optimierten Linse sowie ihrer Linsenparameter deaktivieren. Dadurch wird die Position dieser Bilder bei den folgenden Optimierungsläufen „eingefroren“ und die Ausrichtung der übrigen Bilder an diesen festliegenden Bildern erzwungen. Klicken Sie auf den Optimize-Button, um den nächsten Optimierungslauf zu starten, mit dem i.a. eine weitere Anpassung insbesondere der HFOV-Parameter verbunden ist. Sichern Sie nun wieder die Projektdatei und geben Sie das Panorama durch Klicken des Stitch-Buttons im Stitch-Reiter als TIFF-Datei aus.

Meist sind weitere Optimierungsläufe nötig (siehe übernächster Abschnitt), da das ausgegebene Panorama im allgemeinen Artefakte enthält, die durch Parallaxen naher Objekte, durch falsche oder eine ungenügende Zahl von Bildpaar-Kontrollpunkten ausgelöst werden. Ziel ist ein lagerichtiges, möglichst höhenwinkeltreues und artefaktfreies Panorama.

Helligkeit, Belichtung und photometrische Optimierung in Hugin

Für das photometrische Fitting der Aufnahmen ermittelt Hugin aus den von ihnen mitgelieferten EXIF-Daten (Blende, Belichtungszeit) ihre jeweiligen Belichtungswerte (Exposure Value, EV) nach dem EV-100-System, die dann als Initialwerte für den photometrischen Optimierungsprozeß dienen, der diese Werte dann bei den sich überlappenden Aufnahmen optimal aufeinander abstimmt.

Die Belichtungswerte der Einzelaufnahmen wirken sich in Hugin bei der Panorama-Vorschau und -Erstellung so aus, daß Aufnahmen mit höheren EV-Werten (=geringere Belichtung) entsprechend aufgehellt, hingegen solche mit niedrigeren EV-Werten (=höhere Belichtung) entsprechend abgedunkelt werden - und zwar relativ zum arithmetischen Mittelwert der EV-Werte aller am Panorama beteiligten Aufnahmen, welcher auch nach jeder photometrischen Optimierung als initialer EV-Wert im Preview-Reiter des Fast Panorama Preview angezeigt wird.

Die Vorschau im Fast Panorama Preview zeigt bereits, daß auf diese Weise die bei vollem Tageslicht aufgenommenen Panoramen im allgemeinen deutlich zu hell werden. Daher empfiehlt es sich bereits jetzt, den EV-Wert im Preview-Reiter des Fast Panorama Preview durch ein bis zwei Klicke auf den Pfeil nach oben zu erhöhen, womit das Vorschau-Panorama automatisch dunkler wird. Mit jedem Klick erhöht sich der EV-Wert um 0,33, was einer Reduzierung der Belichtung um etwa 21% entsprechen würde.

Fortgesetzte Optimierung: Kontrollpunkte editieren und Masken setzen

Das Hauptmittel zur weiteren Optimierung des Panoramas ist das Hinzufügen und Korrigieren von Bildpaar-Kontrollpunkten, wofür wegen der Vielzahl von Bildpaaren und Kontrollpunkten eine gewisse längere Zeit veranschlagt werden muß (geht nicht "mal eben"), ggf. ergänzt um das Maskieren unerwünschter Bildpartien, insbesondere von eigenen Körperteilen (Füße/Beine!) sowie fremden Personen, bewegten Objekten oder Parallaxenfehlern.

Zwar verfügt Hugin mit CPfind über hervorragende Fähigkeiten der automatischen Kontrollpunkt-Erkennung, doch kann ein derartiger Automatismus nicht alles leisten und erzeugt auch den einen oder anderen ungeeigneten Kontrollpunkt oder findet bei einem Bildpaar keine Kontrollpunkte, obwohl sich die Bilder eindeutig überlappen. Deshalb ist eine Inspektion der Bildpaar-Kontrollpunkte unter dem „Control Points“-Reiter des Hauptfensters unumgänglich.

Unbedingt entfernt werden müssen Kontrollpunkte

• im Himmel und auf Wolkenformationen (Celeste erkennt den größten Teil, jedoch nicht alle dieser Kontrollpunkte)
• auf Wasseroberflächen
• auf Objekten, die ihre Position zwischen den Aufnahmen verändert haben
• auf Objekten mit großen Parallaxenfehlern

Manuell hinzugefügt werden sollten Kontrollpunkte

• bei Bildpaaren mit schlecht verteilten Kontrollpunkten
• in Bereichen, in denen das ausgegebene Panorama Artefakte aufweist
• bei Bildpaaren mit nur wenigen oder gar keinen Kontrollpunkten trotz beträchtlicher Überlappung

Bei bestimmten Landschaften mit speziellen Merkmalen begünstigt das Setzen horizontaler oder vertikaler Kontrollpunkte den Fitting- und Optimierungs-Prozeß in Hugin erheblich. Diese Arten von Kontrollpunkt-Paaren dienen nicht dazu, denselben Punkt in verschiedenen Fotos zu markieren, sondern zeigen an, daß die von ihnen in Beziehung gesetzten Punkte exakt horizontal oder vertikal zueinander stehen. Diese Arten von Kontrollpunkten sollten nie automatisch, sondern stets manuell gesetzt werden, und zwar in folgenden Situationen:

• Vertikale Kontrollpunkte kann man setzen, wenn auf den Aufnahmen eindeutig vertikal orientierte Gebäudekanten von mindestens 250 Pixel Länge zu sehen sind. Auch hohe Masten (Fernsehtürme, Masten von Windkraftanlagen) entsprechender Länge, bei denen man die horizontale Mitte sicher ausmessen kann, eignen sich zum Setzen vertikaler Kontrollpunkte. Völlig ungeeignet hingegen sind Bäume, selbst wenn sie noch so vertikal aussehen, ebenso Gebäude nach Hundertwasser-Art.
• Horizontale Kontrollpunkte sollten reichlich gesetzt werden, wenn Meeresflächen oder Flächen sehr großer Binnengewässer (z.B. Große Seen in Nordamerika) Teile des Horizonts bilden. Die meteorologische Sichtweite muß aber so groß sein, daß die Begrenzungslinie Himmel/Wasser ohne jeden Zweifel erkennbar ist. Horizontale Kontrollpunkte bieten in diesen Fällen einen gewissen Ausgleich dafür, daß wegen der Wasseroberflächen größere Bereiche sich nicht zum Setzen gewöhnlicher Kontrollpunkte eignen.

Die Problematik, daß Bildpaare trotz großer Überlappung gar keine Kontrollpunkte aufweisen, tritt vor allem im Nadir-Umfeld auf und ist auf die dort typische beträchtliche Drehung der Bilder gegeneinander zurückzuführen. Hier muß manuell eingegriffen werden, denn eine zu geringe Vernetzung einzelner Bilder mit benachbarten Bildern hat falsche HFOV-Werte bei den Optimierungsläufen zur Folge.

Als große Hilfe zur Verbesserung der Vernetzung der Bilder untereinander erweist sich die graphische Darstellung der Bildervernetzung im Layout-Reiter des Fast Panorama Previews. Dünne graue Linien verbinden Bildpaare, die trotz Überlappung nicht durch gemeinsame Kontrollpunkte vernetzt sind, und mit einem einfachen Klick auf diese dünne graue Linie wird das betreffende Bildpaar in den „Control Points“-Reiter des Hauptfensters hereingeholt, um es bearbeiten zu können. Für eine effektive Nutzung dieses Werkzeugs im Nadir-Umfeld empfiehlt es sich, im Move/Drag-Reiter des Fast Panorama Preview den Positionsparameter pitch vorübergehend auf 90° zu setzen, um den Nadir ins Zentrum des Panoramas zu holen. Im Layout-Reiter sind dann die dem Nadir benachbarten Bilder idealerweise als konzentrische Ringe rund um den Nadir zu sehen und ihre vorhandene oder fehlende Vernetzung gut zu erkennen.

Bilder von Bildpaaren werden beim Laden in den „Control Points“-Reiter passend zu ihrer im Layout angezeigten Lage gedreht (in 90°-Stufen), was das Erkennen zueinander passender Details in den Bildpaaren und das entsprechende händische Setzen von Kontrollpunkten erheblich erleichtert. Setzen Sie bei Beendigung oder Unterbrechung dieser Arbeitsphase den pitch-Parameter im Move/Drag-Reiter auf -90°, um die Normallage des Panoramas wieder herzustellen. Sichern Sie dann wiederum die Projektdatei.

Beseitigung hartnäckiger Artefakte

In manchen Fällen lassen sich durch die fortgesetzte Optimierung der Kontrollpunkte nicht alle Artefakte im Panorama beseitigen. Hiervon sind in der Regel Objekte mit größeren Parallaxenfehlern sowie deren Umgebung betroffen. Zur Behandlung dieser Artefakte bieten sich folgende Möglichkeiten an:

• Durch Setzen von Include-Masken kann die Übernahme bestimmter Foto-Ausschnitte ins Panorama erzwungen werden. Dies läßt sich nutzen, um in Artefakt-Bereichen die „richtige“ Darstellung eines parallaxebehafteten Objekts ins Panorama aufnehmen zu lassen. Die geeignetste Darstellung eines parallaxebehafteten Objekts ist bei Benutzung der beschriebenen Aufnahmemethode immer auf demjenigen Foto zu finden, auf dem dieses Objekt der Bildmitte am nächsten ist, da man sich ein Panorama aus kleinsten Bildelementen zusammengesetzt denken kann, die durch Projektion in infinitesimalen Raumwinkelbereichen entlang von Strahlen vom gedachten Beobachtungspunkt aus auf eine unendlich weit gedachte Sphäre entstehen. Die Lagebeziehung von hintereinander gestaffelten Objekten entlang solcher Strahlen ist bei natürlicher Beobachtung nur in gerader Draufsicht, beim Fotografieren also in der Bildmitte, gegeben.
• Problematische Einzelfotos, die in Kombination mit den übrigen Fotos für Artefakte im Panorama sorgen, können im Fast Panorama Preview ausgeschaltet werden. Sie werden dadurch nicht mehr in die Erzeugung des Panoramas einbezogen.
• Artefakte können auch „wandern“, wenn aus demselben Ausgangsmaterial Panoramen auf verschiedene Arten hergestellt werden, d.h. ein Artefakt verschwindet in einem Teilbereich der Landschaft, wofür in einem anderen Teilbereich ein neuer Artefakt auftritt. In diesen Fällen besteht oft die Möglichkeit, mit GIMP aus solchen Panoramen intelligent ein Gesamtpanorama zu schneidern, aus dem die wandernden Artefakte ganz herausfallen. Voraussetzung ist, daß der Hauptteil der Landschaft auf diesen Panoramen exakt die gleiche Lage beibehält, um nahtlose Übergänge zu ermöglichen.
• Bei ausgedehnten Objekten mit großen Parallaxenfehlern (z.B. Sitzbank in 2 m Entfernung) versagen diese Methoden. Hier hilft nur, ein Panorama ohne dieses Objekt zu erstellen, indem man es aus allen beteiligten Aufnahmen herausmaskiert und alle Kontrollpunkte in den maskierten Bereichen löscht, und getrennt davon die Erstellung eines weiteren Panoramas mit ausschließlich auf dem betreffenden Objekt plazierten Kontrollpunkten zu versuchen. Anschließend lädt man dieses zweite Panorama als Equirectangular-Aufnahme in das erste Panorama und maskiert auf dieser die unerwünschten Bereiche aus. Alternativ kann man versuchen, beide Teilpanoramen in Hugin völlig getrennt zu lassen und sie anschließend mit GIMP zusammenzuführen.