利用开源软件 Hugin 实现照片的景深合成

Posted 2020-08-23 liyuanbhu

利用开源软件 Hugin 实现照片的景深合成

本文主要参考了下面的文章：http://macrocam.blogspot.jp/2013/09/using-hugin-for-focus-stacking.html

根据我自己的理解做了少量的增删。首先感谢原作者。

Hugin 是一个很出名的全景照片拼接软件。但其实除了全景拼接功能外， hugin 还提供了一系列的命令行工具，可以用来操纵和融合多张图像，实现高动态图像（HDR）、景深合成（Focus Stacking）等各种高级功能。本文就来介绍一下如何用 hugin 做景深合成。

下面先来介绍一下什么是景深合成。我们知道拍照时视场中的景物只有在一定的远近范围内才是清楚的，这个清楚的范围的大小用景深来描述，景深越大就能使更多的不同远近的景物同时清晰。景深这个参数是镜头本身的特性，并且与镜头的光圈值是有直接关系的。简单的说就是光圈越大，景深越浅。虽然我们可以通过减小光圈来增大景深，但光圈太小进入镜头的光线就会很少，曝光时间就要增加，并且光圈不能无限的减小下去。

为了获得大景深的图像，就产生了景深合成这个技术。简单地说就是拍摄对焦在不同距离的一系列图片，然后将这些图片合成为一张远近都清楚的图片。这种景深合成技术在显微图像应用领域非常的有用，因为随着显微镜的放大倍数的提高，景深会变得非常的浅。对于常用的 50x 物镜拍出的照片，景深只有 1—2 um。这时只要样本有一点高度的起伏就没法全都拍摄清楚。

景深合成英文是 Focus stacking，也有人称之为 macro stacking、focal plane merging、 z-stacking 和 focus blending 。

景深合成主要用到如下两个命令行工具：

• align_image_stack.exe
  这个工具用来将多幅图像对准。如果我们的图像已经是对准了的，这步也可以省略。比如我们拍照时用了三脚架，或者拍摄显微图像时图像没有左右移动。
• enfuse.exe
  用来将多张图像融合在一起。这个工具具有非常多的命令行选项，可以实现相当多的图像融合方法，自然也包括景深合成所需的图像融合方法。enfuse 其实是一个单独的开源软件，被 hugin 包含进来了。

"align_image_stack.exe" -a "align_" -m -v t1.jpg t2.jpg

• “-a” 参数告诉 align_image_stack 我们要为输出的图像指定一个前缀。不指定的话生成的图片会覆盖原始图片。
• “-v” 是输出更多信息，这对于我们理解 align 过程发生了什么事情有些用，当然如果并不关心这些，可以不加这个选项。
• “-m” 对除第一幅图像以外的其他图像进行适当的缩放，如果不加这个选项就只考虑平移和旋转。

除此之外，还有些选项也很有用。
* “-x” 对齐时考虑这些图像间 x 方向的平移，如果我们已知图像间只有这种平移，那么加这个选项会极大的提高处理速度。
* “-y” 对齐时考虑这些图像间 y 方向的平移。
* “-i” 对齐时考虑这些图像间 x、y 方向的平移。
* “-d” 对齐时考虑图像的径向畸变，径向畸变最常见的类型是桶形畸变 (Barrel distortion)和枕形畸变(Pincushion distortion)。
* “-e” 图片是鱼眼镜头拍摄的时用这个选项。

下面我们来看看 t1.jpg 和 t2.jpg。

t1.jpg 是对焦对在了后面的音箱上。前面两个药瓶都是模糊的。

t2.jpg 是对焦对在了最前面的药瓶上。这两幅图之间没有缩放或平移。所以输出的结果与原始图片没什么区别。

图像对其之后就是对这些图像进行融合了。

"enfuse.exe" -o "result.jpeg" --compression=100 --contrast-weight=1.00 --exposure-weight=0.00 --saturation-weight=0.00 --contrast-window-size=5 --hard-mask --gray-projector=luminance align_0000.tif align_0001.tif

这里面大多数的命令行参数都在我的上篇博客里有介绍，这里值介绍那些没介绍过的。

• “–contrast-window-size=5” 用来设置窗口大小，只能是奇数值，通常取为 5 或 7 。
• “–hard-mask” 这个选项通常只用于景深合成上，表明合成时不做平均处理，与之相对的是 “–soft-mask”。
• “–gray-projector” 如何计算图片各个像素的亮度信息，默认情况是去 RGB 三个值的平均值。”luminance” 表示用 CIE 转换公式: Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B

下面来看看融合之后的结果。

可以看出融合之后的图片中后面的音箱和前面的药瓶都是清晰的。中间那个药瓶还是模糊的，这说明我们原始的图片太少了，如果多一张中间清楚的图片合成的效果会更好。

至此，景深合成的基本方法就介绍完了，enfuse 软件功能很强大，还有许多其他的选项，这里没法一一介绍，感兴趣的同学可以读 enfuse 的帮助文档。

景深合成的一些小技巧：

• 光照，减小一点曝光量，让照片暗一点更容易获得满意的合成图片。
• 光源，尽量用漫反射光源照明。
• 镜头，尽量选用畸变小的镜头，这样软件更容易对其图片。
• 要有耐心，我们例子中只用了两张照片合成，但这只是个例子，真实情况下需要的图片笔者多的多。通常，我们需要几十张图片才能合成一幅满意的景深合成照片。