# Photo refokussieren

Gilles
Caulier

    caulier dot gilles at free.fr

Gerhard
Kulzer

    gerhard at kulzer.net

Das digiKam Modul Refokussieren ist ein Werkzeug, um ein Bild durch Verbesserung der Schärfe zu refokussieren. Es benutzt dazu den urheberrechtlich geschützten Entfaltungs-Filter Algorithmus von Ernst Lippe.

KDE
digiKam

# Einführung

Photos ohne Fokus sowie die meisten digitalisierten Bilder benötigen eine Korrektur der Schärfe. Dies liegt daran das der Digitalisierungsprozess Farben mit nur minimalen Unterschieden zu einem Farbpunkt zusammenfassen muss. Elemente die kleiner sind als die Auflösung werden also zu einer gemeinsamen Farbe zusammen gefasst. Dies wiederrum führt dazu dass scharfe Kanten ein wenig verwischen. Das selbe Phänomen lässt sich beobachten wenn Farbpunkte auf Papier gedruckt werden. SLR Kameras benötigen normalerweise mehr nachträglich Schärfung als normale Kameras für den Privatanwender.

Einige Scanner wenden einen Schärfefilter bereist während des Einlesens des Bildes an. Wenn Sie diesen deaktivieren erhalten Sie sich die Kontrolle über Ihr Bild.

Dieses Werkzeug versucht ein Bild zu "refokussieren" indem es die Defokussierung rückgängig macht. Dies ist ein besserer Ansatz als das einfach nachträgliche Schärfen eines Photos. Die dafür benutzte Technik heisst FIR Wiener Filterung. Die traditionelle Technik zum Schärfen von Bildern ist der Einsatz von Unschärfe Masken. Refokussierung produziert im allgemeinen besser Ergebnisse als die Unschärfe Maske. Sie können das Modul aus der Bildbearbeitung mit Korrigieren Refokussieren starten.

Die Technik des Refokussierens arbeitet anders als die Unschärfe Maske und ebenso anders als der Schärfe Filter. Diese beiden erhöhen den Kontrast an den Kanten eines Bildes. Refokussieren kehrt den Prozess durch den das Bild verwischt wurde, die kreisförmige Öffnung der Kamera, um. Diese Methode gibt Ihnen soviel des Originalfokus zurück wie möglich. Refokussierung benutzt einen sehr mächtigen Entfaltungsalgorithmus der die Daten, die gemischt wurden, wieder trennt. Mathematisch betrachtet ist Unschärfe normalerweise ein Ergebnis einer Faltung. Eine Entfaltung kehrt diesen Prozess wieder um und das ist es was die Refokussierung macht. Darüber hinaus erlaubt die FIR Filter Technik viel von dem Rauschen und der Granularität, die üblicherweise während des Schärfen Prozesses entstehen, zu entfernen.

## Das Modul benutzen

### Dialog "Refokussieren"

Das Originalbild und die Vorschau helfen das Bild zu bearbeiten. Das Vorschaufenster zeigt dazu die Ausgabe des Filters mit den aktuellen Einstellungen.

In den meisten Fällen wissen Sie nicht präzise welche Faltung die Bilddegradierung erzeugt hat. Es gibt zwei Faltungen die häufig benutzt werden um die Bilddegradierung zu modellieren:

- Die Gauß-Faltung: ist mathematisch ähnlich zur Normalverteilung, einer glockenförmigen Kurve. Die theoretische mathematische Begründung für die Gauß-Faltung ist das eine große Anzahl von zufälligen unabhängigen Faltungen sich der Gau'schen Faltung annähern wird.

- Die Kreisförmige Faltung: verteilt jeden Punkt gleichmäßig über einen festen Radius. Dies beschreibt den Effekt einer idealen Linse die nicht korrekt fokussiert ist.

Das Modul Refokussieren unterstützt beide, die Gauß'sche,die kreisförmige Faltung uns eine Mischung von beiden. Die Faltung die vom Modul zurzeit genutzt wird ist in Wahrheit das Ergebnis einer Faltung der beiden, Gauß'schen und kreisförmigen Faltung mit einander. Beide Faltungen sind identisch mit der Identitätsfaltung wenn Ihre Parameter auf 0 gesetzt werden. Wenn der Radius der Gauß'schen Faltung 0 ist, ist das Ergebnis eine kreisförmige Faltung und andersrum, wenn der Radius der kreisförmigen Faltung 0 ist, ist das Ergebnis eine Gauß'sche Faltung.

In der Praxis arbeitet die kreisförmige Faltung viel besser als die Gauß'sche Faltung. Die Gauß'sche Faltung hat einen sehr langen Schwanz, was dazu führt das das mathematische Ergebnis auch von den Quellpixeln, die weit vom Originalquellpixel entfernt sind, abhängt. Die FIR Wiener Inverse der Gauß'schen Faltung wird in den meisten Fällen sogar sehr stark von den entfernten Pixeln beeinflusst. Die verursacht unerwünschte Ergebnisse.

Die kreisförmige Faltung produziert im Allgemeinen viel bessere Ergebnisse. Ein Grund dafür ist das die FIR Wiener Inverse für diese Faltung im Allgemeinen nur von den Quellpixeln und Pixeln in der direkten Nachbarschaft abhängt. Ein weiterer Grund dafür ist das die kreisförmige Faltung ein gutes mathematisches Modell für Bilder ist die nur ein wenig unfokussiert sind.

Um den Entfaltungsfilter richtig zu setzen hat das Modul die beiden folgenden Parameter:

- Kreisförmige Schärfe: dies ist der Radius der kreisförmigen Faltung. Es ist der wichtigste Parameter für die Benutzung dieses Moduls. Für die meisten Bilder sollte der Standardwert 1 gute Ergebnisse ergeben. Sie können einen höheren Wert setzen, wenn Ihr Bild sehr unscharf ist sollten dann aber auf Heilgenscheine achten.

- Korrelation: Eine Erhöhung der Korrelation kann dabei helfen Artefakte zu reduzieren. Die Korrelation kann von 0-1 gewählt werden. Brauchbare Werte sind 0,5 und die Werte nahe 1, z.B. 0,95 und 0,99. Ein hoher Wert für die Korrelation reduziert den schärfenden Effekt des Moduls.

- Rauschfilter: Eine Erhöhung des Rauschfilter kann Ihnen helfen Artefakte zu reduzieren. Der Filter kann Werte von 0-1 annehmen. Allerdings sind Werte höher als 0,1 nur selten hilfreich. Wenn der Rauschfilter zu niedrig ist, z.B. 0 wird die Bildqualität sehr schlecht. Ein brauchbarer Wert ist 0,03. Ein hoher Wert wird das Bild noch weiter verschmieren.

- Gauß'sche Schärfe: Dies ist der Radius für die Gauß'sche Schärfe. Benutzen Sie diesen Parameter wenn Ihre Unschärfe Gauß'sch ist. Dies wird am häufigsten durch einen vorher ausgeführten Unschärfe Filter verursacht. In den meisten Fällen sollten Sie diesen Wert auf 0 lassen, um ärgerliche Artefakte zu vermeiden. Wenn Sie einen Wert ungleich Null benutzen, so müssen Sie vielleicht auch die Korrelation und/oderden Rauschfilter erhöhen.

- Matrizengröße: Dieser Wert bestimmt die Größe der Transformationsmatrix. Eine Erhöhung der Matrizengröße kann gute Ergebnisse erzeugen, besonders wenn Sie große Werte für die Kreisförmige Schärfe oder der Gauß'schen Schärfe gewählt haben. Beachten Sie dabei jedoch dass das Modul sehr langsam wird wenn Sie große Werte für diesen Parameter auswählen. In den meisten Fällen sollten Sie einen Wert im Bereich von 3-10 wählen.

- Die Speichern als und Laden Knöpfe werden genau zu diesem Zwecke eingesetzt. Jeder beliebige Refokussieren Parameter den Sie gesetzt haben wird damit für später gespeichert und kann dann geladen werden.

- Voreinstellungen: setzt alle Einstellungen auf Ihre Standardwerte zurück.

Unten sehen Sie ein paar Hinweise die Ihnen bei der Arbeit mit dem Modul "Refokussieren" helfen:

- Versuchen Sie alle Zuschneide, Farb- und Intensivitätskorrekturen auf dem Bild durchzuführen bevor Sie das Modul benutzen.

- Andernfalls sollten Sie das Modul benutzen, bevor Sie das Bild anderweitig ändern. Der Grund hierfür ist, dass viel Operationen Änderungen die nicht sofort sichtbar sind durchführen, die aber später unangenehme Artefakte hinterlassen.

- Wenn Sie Bilder einlesen und komprimieren, z.B. als JPEG, sollten Sie das Modul auf das unkomprimierte Bild anwenden.

## Vergleich mit anderen Techniken

Die beiden folgenden Techniken werden ebenfalls oft genutzt, um Bilder zu verbessern:

- Schärfefilter

- Unscharf maskieren

Schärfefilter wenden eine kleine Faltungsmatrix an die den Unterschied zwischen dem Quellpixel und den direkten Nachbarn erhöht. FIR Wiener Filterung ist eine allgemeinere Technik da sie eine größere Nachbarschaft und bessere Parameterisierung erlaubt. Schärfefilter funktionieren daher nur, wenn das Bild nur leicht Unscharf ist. Darüber hinaus sieht das Ergebnis häufig "verrauscht" aus wenn hohe Werte bei den Parametern des Schärfefilters benutzt wurden. Mit dem FIR Wiener Filter kann dieses Rauschen weitgehend, durch höhere Werte für Korrelation und Rauschfilter, reduziert werden.

Unscharf Maskieren ist eine weitere sehr beliebte Bildverbesserungstechnik. Aus mathematischer Sicht ist Ihre Rechtfertigung etwas obskur, aber sehr viele Leute sind von Ihr überzeugt. Zuerst wird eine unscharfe Kopie des Originalbildes erzeugt. Die Differenz zwischen der Kopie und dem Original wird danach vom Original abgezogen, daher kommt auch der Name "Unscharf Maskieren". Genau betrachtet ist Unscharf Maskieren eher eine Kontrastverbesserung der wichtigsten Bildteile als ein Schärfen. Es entfernt nicht die Interferenz der Blende wie es Refokussieren macht.

Generell produziert Unscharf Maskieren bessere Ergebnisse als Schärfen. Dies könnte dadurch verursacht sein, das Unscharf Maskieren einen größere Nachbarschaft benutzt als Schärfen.

Theoretisch gesehen muss Unscharf Maskieren immer Artefakte erzeugen. Selbst unter optimalen Bedingungen kann es niemals den Effekt der Unschärfe entfernen. Für den Wiener Filter kann man zeigen, dass es der optimale Lineare Filter ist. Praktisch ist das Ergebnis des FIR Wiener Filters immer mindestens genauso gut wie die Unschärfe Maske. Der FIR Wiener Filter ist häufig besser bei der Bearbeitung von kleinen Details.

Unten können Sie einen Vergleich zwischen den unterschiedlichen Filtern, auf einem kleinen unfokussierten Bild angewandt, sehen:

Vorschau | Typ
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| Das original unscharfe Farbbild das korrigiert werden muss. Dieses Bild wurde mit einer analogen Kamera gemacht. Das unfokussierte Ergebnis ist auf ungenügend Licht für die Auto-Fokus Linse zurückzuführen.
| Das mit dem Schärfe-Filter korrigierte Bild. Die Schärfe wurde auf 80 gesetzt.
| Das mit Unscharf Maskieren korrigiert Bild. Radius=50, Menge=5 und Schwellwert=0.
| Das mit Refokussieren korrigierte Bild. Kreisförmige Schärfe=1,3, Korrelation=0,5, Rauschfilter=0,5, Gauß'sche Schärfe=0 und Matrizengröße=5.

Weitere Informationen mit welchen Methoden Sie Schärfe bei digitalen Bildern korrigieren können und einen technischen Vergleich können Sie hier nachlesen.

## Das Modul in Aktion

Dies ist ein Beispiel für das Modul "Refokussieren". Das Originalbild ist unter (1) und das korrigierte Bild unter (2) zu sehen. Die Einstellungen für das Modul "Refokussieren" zur Korrektur des Unfokussierten Bildes wurden auf den Standard gelassen.

### Photo refokussieren in Aktion