Как создать HDR - фотографию |
Считается, что впервые технология получения изображения с высоким динамическим диапазоном была разработана Чарльзом Уикоффом в 1930-140-х годах, а созданные им детализированные изображения ядерных взрывов увидели свет на обложке журнала «Life» в начале 1940-х.
В привычном нам виде HDR - фотография появилась гораздо позже. Вероятно, она впервые нашла практическое применение в киноиндустрии в конце 1980-х годов, а в 1985 году Грегори Уорд создал набор программных инструментов Radiance и формат файлов RGBE, который явился первым и до сих пор наиболее распространённым форматом для хранения изображений с высоким динамическим диапазоном.
Первое сообщение о процессе тонмаппинга обычных цифровых изображений, снятых с брекетингом по экспозиции, который в конечном результате давал высокий динамический диапазон, появилось в 1993 г.
В 1997 году на конференции SIGGRAPH (Special Interest Group on GRAPHics and Interactive Techniques) Пол Дебевек, исследователь из Института Южной Калифорнии, представил метод соединения нескольких изображений, сделанных с разной экспозицией, для формирования единого HDR изображения. С ростом популярности цифровых фотоаппаратов и удобного для использования программного обеспечения термин HDR начал широко применяться для обозначения этого процесса.
Динамический диапазон – это отношение между максимальным и минимальным значением физической величины. Его определение зависит от того, к чему относится динамический диапазон.
- Для кадра: отношение между самой яркой и самой тёмной частями.
- Для камеры: отношение сигнала насыщения к шуму. Точнее, отношение интенсивности освещения, при которой матрица выходит на насыщение, к интенсивности, при которой отклик камеры превышает уровень шума на одну единицу стандартного отклонения.
- Для экрана: отношение между максимальной и минимальной интенсивностью излучения экрана.
В каких единицах измеряется динамический диапазон?
Динамический диапазон – это отношение, поэтому он является безразмерной величиной. В фотографии и обработке изображений динамический диапазон отражает отношение двух значений яркости, выраженных в канделах на квадратный метр. Человеческое зрение может воспринимать достаточно большой диапазон яркостей. Например, яркость звёзд около 0,001 кд/см2, а яркость сцены, освёщённой солнечным светом, около 100 000 кд/см2, что в сто миллионов раз ярче. Яркость самого солнца около 1 000 000 000 кд/см2. Человеческий глаз может за один раз охватывать сцены, динамический диапазон которых 10 000:1.
Динамический диапазон – это отношение, поэтому он является безразмерной величиной. В фотографии и обработке изображений динамический диапазон отражает отношение двух значений яркости, выраженных в канделах на квадратный метр. Человеческое зрение может воспринимать достаточно большой диапазон яркостей. Например, яркость звёзд около 0,001 кд/см2, а яркость сцены, освёщённой солнечным светом, около 100 000 кд/см2, что в сто миллионов раз ярче. Яркость самого солнца около 1 000 000 000 кд/см2. Человеческий глаз может за один раз охватывать сцены, динамический диапазон которых 10 000:1.
Динамический диапазон сцен вокруг нас может быть достаточно большим: обычным является значение 100 000:1. HDR изображение (High Dynamic Range) состоит из пикселей, значения яркости которых охватывают весь тональный диапазон реальной сцены. Оно хранится в специальном формате, который позволяет описывать самый большой диапазон значений: числа с плавающей точкой по 32 бита на цветовой канал.
Другая характерная черта HDR изображения состоит в том, что оно хранит линейные значения. Это означает, что значение яркости пиксела изображения пропорционально количеству света, измеренному камерой. В этом смысле говорят, что HDR изображение опирается на сцену (scene-referred): отображает изначальные значения освещённости кадра.
Можно ли считать динамический диапазон изображения высоким или низким – зависит от нескольких факторов. Чаще всего разделение проводится на основе количества бит на цветовой канал, которое может содержать оцифрованное изображение. Однако само по себе количество бит может ввести в заблуждение: конвертация изображения с низким динамическим диапазоном в изображение с большей битовой глубиной, конечно же, не изменит его динамический диапазон.
- 8-битные изображения (т.е. 24 бита на пиксель для цветного изображения) – изображения с низким динамическим диапазоном
- 16-битные изображения (т.е. 48 бит на пиксель), получаемые при обработке RAW, всё ещё считаются LDR-изображениями, хотя диапазон значений, который в них может быть закодирован, намного больше диапазона 8-битных (65536 против 256). Конвертация RAW включает применение тональной кривой, которая сжимает динамический диапазон данных так, чтобы полученное изображение хорошо отображалось на LDR-мониторах. Необходимость адаптировать фотографию к динамическому диапазону дисплея определяет, насколько нужно сжать динамический диапазон, а не битовую глубину. Используя 16 бит вместо 8, вы улучшаете точность, но не улучшаете динамический диапазон.
- 32-битные изображения (т.е. 96 бит на пиксель) считаются имеющими высокий динамический диапазон. В отличие от 8 и 16-битных, которые могут принимать ограниченный диапазон значений, 32-битные описываются числами с плавающей точкой, и это означает, что они могут принимать неограниченные значения. Важно отметить, что хранение изображения в 32-битном HDR формате – необходимое, но не достаточное условие. Если изображение получено из одного снимка обычного фотоаппарата, его динамический диапазон остаётся низким, независимо от формата, в котором оно хранится.
Существует много различных форматов для хранения HDR изображений, таких как Radiance RGBE (.hdr) и OpenEXR (.exr).
Тональное отображение – это процесс преобразования тональных значений изображения из более широкого диапазона в более узкий. Например, HDR изображение с динамическим диапазоном 100 000:1 будет преобразовано в изображение с тональными значениями в диапазоне от 1 до 255.
Вы можете удивиться, зачем уменьшать тональный диапазон, когда HDR изображение имеет так много преимуществ по сравнению с изображением с низким динамическим диапазоном. Ведь HDR фотография содержит намного больший уровень деталей и ближе к диапазону человеческого зрения. Причина проста: стандартные мониторы могут воспроизводить лишь узкий динамический диапазон (около 100 или 200:1), а для бумаги он ещё уже.
Таким образом, цель тонального отображения – воспроизвести изображение, которое имеет больший динамический диапазон, чем устройства отображения.
Таким образом, цель тонального отображения – воспроизвести изображение, которое имеет больший динамический диапазон, чем устройства отображения.
Многие сцены, которые мы снимаем, имеют высокий контраст, или, точнее, высокий динамический диапазон: часть сцены в тени, а часть ярко освещена. Фотографам приходится иметь дело с двумя типами проблем:
- Ограничение камеры.
Первая проблема состоит в том, чтобы зафиксировать динамический диапазон сцены. Обычно это решается съёмкой нескольких фотографий одной и той же сцены с разной экспозицией, а затем слиянием их в HDR фотографию. - Ограничение устройства вывода
Вторая проблема состоит в том, чтобы воспроизвести зафиксированный динамический диапазон. То есть обеспечить, чтобы детали HDR изображения в светах и тенях правильно выглядели на отпечатках и мониторах, несмотря на их ограниченный динамический диапазон. Тональное отображение решает именно проблему воспроизведения снятой фотографии.
В какой-то степени, тональное отображение преследует те же цели, что и объединение экспозиций, которое традиционно использовалось в работе с изображениями для обработки HDR сцен.
Типы тонального отображения
Алгоритмы тонального отображения сокращают динамический диапазон, стараясь сохранить вид исходного изображения.
Операторы тонального отображения делятся на 2 большие категории: глобальные и локальные.
Глобальные операторы
Каждый пиксель преобразуется на основании его интенсивности и глобальных характеристиках изображения, независимо от положения пикселя. Примером глобального типа тонального отображения является тональная кривая (tonal curve). Глобальное тональное отображение хорошо подходит для обработки данных с 12-битных сенсоров, но оно не очень подходит для создания хороших изображений, в случае если динамический диапазон объекта съёмки достаточно высок. Так происходит, потому что что все точки изображения преобразуются одинаково, без учёта того, находятся ли они в тёмной или светлой области. Это часто приводит к тому, что обработанные изображения выглядят «плоскими» и теряют локальные детали.
Локальные операторы
Они принимают во внимание положение пикселя на изображении, чтобы определить для него соответствующие параметры преобразования. Таким образом, пиксели равной интенсивности после отображения будут иметь разные значения, в зависимости от того, в светлой или тёмной части они находятся
Локальное тональное отображение требует исследования значений окружающих точек для каждого отображаемого пикселя, что делает его медленнее, но даёт более приятные результаты (наши глаза реагируют на локальный контраст). Если всё сделано правильно, на выходе получается изображение, в котором сохранены как локальный контраст, так и детали в светах и тенях.
Они принимают во внимание положение пикселя на изображении, чтобы определить для него соответствующие параметры преобразования. Таким образом, пиксели равной интенсивности после отображения будут иметь разные значения, в зависимости от того, в светлой или тёмной части они находятся
Локальное тональное отображение требует исследования значений окружающих точек для каждого отображаемого пикселя, что делает его медленнее, но даёт более приятные результаты (наши глаза реагируют на локальный контраст). Если всё сделано правильно, на выходе получается изображение, в котором сохранены как локальный контраст, так и детали в светах и тенях.
HDR изображения обычно создаются из нескольких кадров, снятых с разной экспозицией. Вот несколько рекомендаций по съёмке кадров для HDR фотографии:
- Установите камеру на шиативе.
- Переведите её в ручной режим установки экспозиции. Выберите нужное значение диафрагмы для вашего кадра (например, f/8 или меньше, если вам нужна больная глубина резкости) и установите минимальное значение ISO.
- Измерьте освещённость в самой яркой части кадра (точечным замером или в режиме Av, чтобы учесть только её) и отметьте время экспозиции. Сделайте то же самое с самой глубокой тенью в кадре.
- Определите число и величину нужных экспозиций. Для этого возьмите за основу выдержку, измеренную для светлой части. Умножьте это число на 4, чтобы получить следующее значение экспозиции, отличающееся на 2 EV. Умножайте на 4 для получения следующих значений, пока не превысите экспозицию, измеренную для тени. Для большинства кадров вне помещения, не включающих солнце, 3 экспозиций с шагом 2 EV часто достаточно, чтобы покрыть весь динамический диапазон.
- Если ваша камера поддерживает режим автоматического брекетинга экспозиции, а также достаточную разницу экспозиций и число кадров, чтобы покрыть динамический диапазон, описанный в пункте 4, вы можете использовать этот режим.
Можно ли сделать несколько экспозиций из одного RAW файла?
Нет. Ваш RAW файл содержит данные, зафиксированные сенсором только для одной экспозиции. Полный динамический диапазон, который вы можете восстановить из одной фотографии, конвертированной с разными значениями экспозиции, не может быть больше динамического диапазона, зафиксированного камерой. А он достаточно ограничен.
Когда вы делаете только один снимок, ваш RAW файл уже является вашим HDR изображением.
Конвертирование RAW файла в изображения с разным уровнем экспозиции – всё равно что разрезание динамического диапазона RAW на несколько частей. Соединяя эти части в HDR изображение, вы в лучшем случае воссоздадите динамический диапазон исходного RAW.
Когда вы делаете только один снимок, ваш RAW файл уже является вашим HDR изображением.
Конвертирование RAW файла в изображения с разным уровнем экспозиции – всё равно что разрезание динамического диапазона RAW на несколько частей. Соединяя эти части в HDR изображение, вы в лучшем случае воссоздадите динамический диапазон исходного RAW.
С другой стороны, если вы используете хороший конвертер RAW для того чтобы получить несколько экспозиций из одного файла, вы можете заметить, что HDR фотография, полученная из них, отображает больший динамический диапазон, чем псевдо-HDR, полученный из RAW файла напрямую. Это происходит потому что ваш конвертор RAW включает хорошую функцию уменьшения шумов, что очень сильно влияет на динамический диапазон. Ваш конвертер RAW также может иметь возможность получать детали в светах, когда один или два цветовых канала уже достигли насыщения.
Таким образом, хороший конвертер RAW включает функции, предназначенные для оптимизации динамического диапазона, полученного из «сырых» данных сенсора, но он не может изменить того факта, что динамический диапазон RAW файла ограничен одной экспозицией. Если динамический диапазон снимаемой сцены высок, вам понадобится сделать более одной экспозиции для создания HDR фото.
Таким образом, хороший конвертер RAW включает функции, предназначенные для оптимизации динамического диапазона, полученного из «сырых» данных сенсора, но он не может изменить того факта, что динамический диапазон RAW файла ограничен одной экспозицией. Если динамический диапазон снимаемой сцены высок, вам понадобится сделать более одной экспозиции для создания HDR фото.
Ссылки по теме:
http://en.wikipedia.org/wiki/High_dynamic_range_imaging
http://en.wikipedia.org/wiki/High_dynamic_range_imaging
