Focus-Stacking: сквозная резкость от переднего до заднего плана
Тот, кто фотографирует текстуру дерева, цветок или собранную печатную плату с близкого расстояния, знает момент разочарования: на дисплее всё выглядит хорошо, а при просмотре в масштабе 100 процентов резкой оказывается лишь узкая полоса, а остальное расплывается. Это не ошибка в обращении и не вопрос цены объектива, а физика. Чем ближе камера к объекту, тем тоньше зона, которая может быть изображена резко одновременно. Focus-Stacking — это ответ на эту проблему. За этим материалом стоит Gigapixel GmbH — специализированный крупноформатный стоковый портал: ультравысокое разрешение оригинальных снимков от 100 МП, без ИИ-апскейлинга. В нашем производстве стакинг — это повседневный инструмент, а не особый случай.
Проблема: глубина резкости сжимается до миллиметров
Глубина резкости — это область перед и за плоскостью фокусировки, которую глаз ещё воспринимает как резкую. При съёмке пейзажа эта область простирается от нескольких метров до бесконечности. В макросъёмке это соотношение резко меняется. Курт Вирц в своей документации по Focus-Stacking (2023) описывает, что при масштабе воспроизведения 1:1 — то есть когда объект проецируется на сенсор в натуральную величину — глубина резкости составляет всего несколько миллиметров. При более сильном увеличении она сжимается до микрометров.
Что это означает на практике, показывает снимок столярной мастерской. Строганая дубовая доска лежит по диагонали в кадре, текстура уходит от переднего края вглубь. Перепад высот между самой передней волокниной и задним краем составляет, возможно, три сантиметра. При макросъёмке, которая должна показать поры дерева, это целая вечность: если сфокусироваться на середину, передний и задний планы будут нерезкими. То же самое относится к цветку, тычинки которого находятся в разных плоскостях, или к детали с паяными соединениями на разной высоте.
Напрашивающийся рефлекс — диафрагмировать. Меньше диафрагма, больше глубина резкости. Этот рефлекс ведёт в ловушку с двойным дном.
Почему диафрагмирование не решает проблему
Первое дно: эффективная диафрагма
В макросъёмке установленная диафрагма не соответствует фактически действующей. Оптика здесь подчиняется простому, известному соотношению: эффективная диафрагма = установленная диафрагма × (1 + масштаб воспроизведения). При масштабе 1:1 установленная диафрагма f/16 действует как f/32. Тот, кто в макро-области считает, что диафрагмирует умеренно, на самом деле давно работает в экстремальном диапазоне — со всеми последствиями, которые описывает второе дно.
Второе дно: дифракция
Свет, проходящий через маленькое отверстие, дифрагирует. Точка изображается не как точка, а как кружок. Чем меньше отверстие диафрагмы, тем больше этот кружок — и тем меньше деталей сенсор может разделить. За пределами оптимальной диафрагмы действует отрезвляющее правило: Каждая следующая ступень диафрагмы вдвое уменьшает разрешение. photoscala.de (thoMas, 2012) рассчитал это для полнокадровых камер:
| Диафрагма (полнокадровая) | Разрешение | Отношение к f/5,6 |
|---|---|---|
| f/5,6 | ок. 60 Мп | 100 % |
| f/11 | ок. 15 Мп | ок. 25 % |
| f/22 | ок. 3,7 Мп | ок. 6 % |
От f/5,6 до f/22 остаётся около шести процентов исходного разрешения. 60-мегапиксельный сенсор при f/22 выдаёт количество деталей старой компактной камеры. Вы покупаете глубину резкости и платите детализацией — в крупноформатной печати это именно та валюта, которая не нужна.
Вирц (2023) измерил этот эффект: при обычном диафрагмировании до f/16–f/22 в центре кадра возникает потеря разрешения более 40 процентов. Серия снимков, сделанных при критической диафрагме между f/4 и f/8 и затем сложенных в стек, теряет лишь от 0 до 4 процентов. Это и есть настоящая причина Focus-Stacking: не удобство, а сохранение деталей. Подробнее о физической подоплёке в статье Дифракционный предел в гигапиксельной фотографии.
Как работает Focus-Stacking
Вместо одного снимка с принудительной глубиной резкости создаётся серия. Камера остаётся неподвижной, объект остаётся неподвижным, а плоскость фокусировки перемещается по объекту заданными шагами — от самого переднего до самого заднего края. Каждый отдельный снимок делается при критической диафрагме, то есть там, где объектив достигает максимума разрешения, а дифракция ещё не сказывается.
Затем программное обеспечение объединяет серию. Для каждого участка изображения оно оценивает, на каком снимке там наблюдается наибольшая локальная резкость краёв, и собирает итоговое изображение из этих резких зон. Результат — изображение, резкое по всей глубине, хотя диафрагма ни разу не прикрывалась. Методические основы съёмки и просмотра очень больших массивов изображений описали Kopf et al. (2007): система, которая захватывает гигапиксельные изображения и сохраняет их для просмотра в виде пирамиды из фрагментов изображения в нескольких уровнях разрешения.
Два условия не подлежат обсуждению: объект должен быть неподвижен, а шаг должен соответствовать глубине резкости. Если шаги слишком велики, между плоскостями фокусировки возникают нерезкие полосы — ошибка, которую невозможно исправить впоследствии.
Производственная практика Gigapixel GmbH
Следующий раздел описывает нашу собственную производственную практику и основан на корпоративных знаниях Gigapixel GmbH, а не на внешнем источнике.
В нашем производстве стакинг имеет второй, реже обсуждаемый эффект: он возвращает разрешение, которое дифракция отнимает у отдельного снимка. Многократные снимки одного и того же места сканируют объект с немного разным положением пикселей — потому что, как бы неподвижен ни был объект, для сетки сенсора он никогда не стоит абсолютно неподвижно. Каждый снимок попадает с минимальным смещением, и при слиянии в распоряжении оказывается больше настоящей информации об изображении, чем мог бы дать один спуск затвора. Таким образом, стакинг возвращает реальное разрешение до номинального значения сенсора — и, в зависимости от объекта, даже выше.
Порядок величин из нашей практики: 50-мегапиксельный сенсор при рабочей диафрагме f/8 из-за дифракции даёт лишь около 30 мегапикселей реальной детальной информации на один снимок — на ступень ниже оптимума, правило половинного деления из таблицы выше. Стек из примерно восьми снимков одного и того же места точно компенсирует это: в итоге снова получается около 50 мегапикселей реальной информации об изображении, в зависимости от объекта даже немного больше. Тот же основной принцип активно использует камерная индустрия: метод Multi-Shot от Hasselblad объединяет шесть снимков, смещённых на целые и полпикселя, с 50-мегапиксельного среднеформатного сенсора в 200-мегапиксельный файл (Hasselblad, 2014) — там с целенаправленным сдвигом сенсора, у нас — за счёт естественного микросдвига между снимками.
Решающим здесь является отличие от генеративных методов: каждый пиксель остаётся измеренным. Он происходит от света, который действительно попал на сенсор. Это противоположность тому, что делает ИИ-апскейлинг. Kim et al. (2025) описывают, что распространённые модели увеличения разрушаются, когда их заставляют увеличивать изображение намного выше коэффициента, на котором они обучались, и что при экстремальных увеличениях исходного изображения как образца уже недостаточно, и модели галлюцинируют: они создают структуры вместо того, чтобы измерять их. Для стокового портала, клиенты которого доводят изображения до настенных размеров, это суть дела — подробнее в сравнении реальных снимков с ИИ-апскейлингом.
Наше гигапиксельное производство работает серийно и автоматизированно, со стакингом вплоть до высоты объекта в один сантиметр.
Где сквозная резкость имеет значение
Ремесло и материал. Столярная мастерская, которая хочет показать свою работу, продаёт не мебель, а поверхность: поры, следы строгания, кромочное соединение. Эти детали редко лежат в одной плоскости.
Предметная и техническая съёмка. Инструмент, клапан, узел должны оставаться читаемыми от переднего края до задней оправы. Только так изображение можно впоследствии обрезать, не делая видимыми нерезкие зоны.
Макро. Для цветов, крыльев насекомых или минеральных структур стакинг — просто единственный способ показать объект полностью резким.
Близость к стене и потолку. Тот, кто рассматривает мотив с расстояния в полметра, имеет жёсткую планку: по данным Ашрафа, Чапиро & Мантюка (2025), глаз различает около 94 ppd — пикселей на градус —, индивидуально до 120 ppd. В пересчёте на расстояние просмотра 0,5 м это соответствует 274 ppi. При одном метре это 137 ppi, при двух метрах — 68 ppi. Мотив, который рассматривается с расстояния вытянутой руки, должен нести эту плотность деталей по всей площади — включая глубину. Основы в статье Что такое гигапиксельная фотография?.
Промышленный контроль. В автоматизированном оптическом контроле стакинг давно стал стандартом. Basler AG (2025) описывает решение, при котором FPGA объединяет десять снимков по 5,1 мегапикселя в 67 миллисекунд в полностью резкое изображение — достаточно быстро для работы в линии. При контроле печатных плат и BGA этот метод делает видимыми микропустоты и отклонения копланарности, то есть ошибки, которые остались бы незамеченными на одной плоскости фокусировки.
Часто задаваемые вопросы
Сколько снимков нужно для стека?
Фиксированного числа нет, потому что необходимое количество напрямую зависит от глубины резкости отдельного снимка и глубины объекта. Расчёт в основе прост: нужно разделить глубину объекта на глубину резкости одного снимка и добавить запас, чтобы резкие зоны перекрывались. Для плоского объекта, например слегка наклонной деревянной плиты, может хватить восьми-пятнадцати снимков. В макросъёмке, где глубина резкости по Вирцу (2023) при 1:1 составляет лишь несколько миллиметров, а при более сильном увеличении падает до микрометров, нормальны несколько десятков и более ста снимков. Решающим является не общее количество, а шаг: он должен быть меньше глубины резкости отдельного снимка. Иначе между плоскостями фокусировки возникают нерезкие полосы, которые не может исправить ни один алгоритм слияния, потому что резкая информация в этом месте просто никогда не была записана. В нашем серийном производстве мы работаем примерно с десятью снимками на место — не как максимум, а как рабочая точка, которая даёт защиту от дрейфа фокуса и локальных помех.
Действительно ли стакинг повышает разрешение или только глубину резкости?
И то и другое — по двум причинам, которые следует различать. Глубина резкости растёт непосредственно благодаря методу: из нескольких плоскостей фокусировки получается полностью резкое изображение. Выигрыш в разрешении имеет два источника. Первый подтверждён внешне: поскольку каждый отдельный снимок делается при критической диафрагме между f/4 и f/8, а не при f/16 или f/22, дифракционное наказание отпадает — Вирц (2023) измеряет более 40 процентов потери разрешения при обычном диафрагмировании против 0–4 процентов при стакинге. Второй источник — многократная выборка: даже при критической диафрагме дифракция ограничивает то, что разрешает один снимок — 50-мегапиксельный сенсор при f/8 даёт лишь около 30 мегапикселей реальной детальной информации. Поскольку объект для сетки сенсора никогда не стоит полностью неподвижно, каждый следующий снимок сканирует с минимально другим положением пикселей; стек из примерно восьми снимков возвращает таким образом полные около 50 мегапикселей, в зависимости от объекта больше. Тот же принцип использует Multi-Shot от Hasselblad с целенаправленным субпиксельным сдвигом: 50-мегапиксельный сенсор, 200-мегапиксельный файл (Hasselblad, 2014). Конкретные значения нашего производства являются корпоративным знанием Gigapixel GmbH — при этом каждый пиксель остаётся измеренным.
Почему не просто f/22?
Потому что f/22 разрушает детализацию, которую вы хотите получить. За пределами оптимальной диафрагмы каждая следующая ступень вдвое уменьшает разрешение. photoscala.de (thoMas, 2012) оценивает это для полнокадровых камер: при f/5,6 можно получить около 60 мегапикселей, при f/11 — ещё около 15 мегапикселей, а при f/22 — только около 3,7 мегапикселя. От исходного количества деталей остаётся около шести процентов. Вы меняете глубину резкости на разрешение — и по очень плохому курсу. В макросъёмке проблема усугубляется, потому что эффективная диафрагма отличается от установленной: действует правило: эффективная диафрагма = установленная диафрагма × (1 + масштаб воспроизведения), так что f/16 при масштабе 1:1 уже действует как f/32. Тот, кто считает, что диафрагмирует умеренно, уже давно в экстремальном диапазоне. Для изображения, которое позже будет напечатано в размере стены или рассматриваться в zoom-просмотрщике до структуры, эта потеря неприемлема. Стакинг при критической диафрагме полностью обходит этот конфликт целей.
Работает ли стакинг с движущимися объектами?
Нет. Focus-Stacking обязательно требует, чтобы объект и камера оставались неизменными между отдельными снимками. Алгоритм слияния сравнивает одни и те же области изображения по всей серии и выбирает для каждой области самый резкий снимок. Если объект движется, снимки показывают в одной и той же позиции изображения разные части объекта — алгоритм тогда собирает фрагменты, которые не принадлежат друг другу. Это видно как призрачные контуры, двойные контуры или рваные переходы. Достаточно даже лёгкого движения: порыв ветра на цветке, вибрация пола, качающаяся платформа. Поэтому все классические применения стакинга статичны — предметы ручной работы, продукты, препараты, минеральные структуры, печатные платы. Для движущихся сцен этот метод не подходит, и разумного обходного пути нет. В промышленном контроле эту проблему решают за счёт скорости, а не неподвижности: Basler AG (2025) описывает слияние десяти снимков по 5,1 мегапикселя за 67 миллисекунд, так что деталь во время серии практически неподвижна. Для классической предметной фотографии этот обходной путь не действует — там остаётся условие: устойчивый штатив, свободная от вибраций поверхность и защищённая от ветра конструкция. Тот, кто работает на открытом воздухе с растениями, ждёт спокойной минуты или защищает объект.
Вывод
Глубину резкости в макросъёмке нельзя получить диафрагмированием, не потеряв именно то, что важно: детализацию. Focus-Stacking решает конфликт целей, позволяя каждому снимку создаваться при критической диафрагме и затем объединяя резкие зоны. Для нас это основа каждой макросъёмки — и причина, почему наши мотивы выдерживают даже просмотр с расстояния полуметра. Gigapixel GmbH — специализированный крупноформатный стоковый портал: ультравысокое разрешение оригинальных снимков от 100 МП, без ИИ-апскейлинга.
Источники
- Ashraf, M., Chapiro, A. & Mantiuk, R. K. (2025): Resolution limit of the eye — how many pixels can we see? Nature Communications.
- Kim et al. (2025): Chain-of-Zoom.
- photoscala.de / thoMas (2012): Wie viele Megapixel verkraftet eine Kamera?
- Wirz, K. (2023): Focus Stacking. focus-stacking.ch.
- Hasselblad (2014): H5D-200c MS — Multi-Shot с субпиксельным сдвигом сенсора, 50-MP-сенсор в 200-MP-файл. Документация производителя.
- Basler AG (2025): Integrated Focus Stacking Solution for AOI Systems.
- Kopf, J. et al. (2007): Capturing and Viewing Gigapixel Images. ACM ToG.
