Расширение динамического диапазона (HDR)

В качестве продолжения начатой ранее темы, привожу статью Артёма Медведева в которой он рассказывает о расширение динамического диапазона цифрового снимка:

Одно из главных преимуществ “плёнки” перед “цифрой” - более широкий динамический диапазон (фотографическая широта). Здесь я расскажу о том, как увеличить динамический диапазон цифрового снимка.

Что такое динамический диапазон?

Не вдаваясь в технические детали, объясню на пальцах. :) Представьте себе полутемную комнату и солнечный день за окном. Глазами мы отлично видим и все предметы в комнате, и пейзаж за окном - деревья, небо, дома напротив… Но если сфотографировать комнату и окно в этой комнате, то мы получим два варианта: либо хорошо проработанные детали в комнате и дико пересвеченное окно (белый квадрат), либо черную комнату с силуэтами предметов и красивый город за окном. Другой пример - пейзаж. Выбеленное небо и проработанный ландшафт или проработанное небо и темный, недосвеченный пейзаж (не всегда в сумке оказывается градиентный фильтр или поляризатор). Или лицо человека с выбеленным бликом на скуле с одной стороны и слишком темное с другой. Это - ограничения динамического диапазона светочувствительного материала (например, матрицы). Динамический диапазон - это диапазон между темными тонами, которые, начиная с какого-то тона, на снимке уже превращаются в черное, и светлыми тонами, которые превращаются в белое. Грубо говоря, применительно к цифровой фотографии, это то, что влезает в гистограмму. Динамический диапазон глаза шире, чем подавляющее большинство фотоматериалов.

У сканеров, мониторов (!), принтеров, печатных машин в фотолабе и у фотобумаги тоже есть свой динамический диапазон, и обычно он ниже, чем динамический диапазон фотоматериала в фотоаппарате (даже цифровой матрицы).

Зачем его увеличивать?

- в некоторых (например, вышеописанных) случаях это необходимо
- снимки с широким динамическим диапазоном во многих случаях выглядят гораздо естественнее
- большие возможности и запас качества для последующей художественной обработки кадра


Термины

LDR файл и HDR файл

Low Dynamic Range (маленький, низкий динамический диапазон) - Обыкновенные цифровые фотографии.

High Dynamic Range (большой, высокий динамический диапазон) - Файл изображения с высоким динамическим диапазоном. Динамический диапазон HDR файла существенно выше динамического диапазона монитора, поэтому на мониторе он отображается ужасно, даже хуже, чем LDR файл (как чудовищно контрастный кадр).
Глубина цвета HDR файлов - 32 бита.

Глубина цвета (Bit Depth) - это количество бит (разрядов двоичного числа), используемых для описания тона для каждого из цветовых каналов (channel). Например, в системе RGB три цветовых канала (Red-красный, Green-зеленый, Blue-синий). Вместе все эти три канала образуют квадратную точку - один пиксель. В системе RGB работают все современные сканеры и цифровые фотоаппараты.

8 бит. 8 разрядов в двоичной системе (компьютер работает в двоичной системе счисления). В 8-ми разрядах при двоичной системе можно зашифровать максимум 256 целых чисел (включая ноль). Это еще в школе проходят, на информатике. :) Формат JPEG (jpg) работает только с 8-битными изображениями. поэтому не снимайте в JPEG, если есть возможность. Бывает, где-то упоминаются 24-битные изображения - это значит 8+8+8=24 бита на все каналы.

16 бит. В 16 разрядов уже можно запихнуть 65536 значений на каждый канал (256 в квадрате). Это означает, что при увеличении размера файла в два раза (8 bit -> 16 bit на канал) запас качества увеличивается не в 2, а в 256 раз. Именно поэтому предпочтительно сохранять и обрабатывать фотографии при глубине цвета 16 бит - и запас качества (информации) гораздо больше, и при каждой операции при обработке фотографии значения на каждом из каналов грубо не округляются. Преобразованием 8-битного изображения в 16-битное качество не увеличить, но это позволит имеющееся качество в дальнейшем не терять. Формат TIFF поддерживает 16-битные изображения и является стандартом для фотографий с этой глубиной цвета.

32 бит. Соответственно, 4294967296 значений яркости на каждый из каналов. Сравните с 8-битными изображениями. :) C 32-битными изображениями Photoshop умеет работать только начиная с версии CS2, и то сильно ограниченно. Поэтому стандарт для обработки фотографий на сегодняшний день - 16 бит на канал.

RAW - сырой, необработанный (англ.). Файл, который содержит информацию, полученную прямо с цифровой матрицы, без какой-либо обработки фотоаппаратом, плюс всю информацио о параметрах съемки - EXIF данные (диафрагма, выдержка и много еще чего). Файл RAW требует последующей обработки, “проявки” на компьютере с помощью специальных программ, RAW-конвертеров. Это нужно для того, чтобы иметь возможность выжать из фотоаппарата максимальное качество. Большинство современных цифровых зеркалок умеют снимать только в двух форматах - JPEG (8 bit) и RAW (чаще всего 12 бит, которые потом на компьютере преобразуются в 16 бит). В итоге RAW преобразуется в TIFF.

Светочувствительность (ISO) - это такая организация, занимающаяся стандартизацией. Эквивалент светочувствительности пленки для цифровой матрицы. Чем больше значение ISO, тем сильнее “шумит” матрица (проявляется паразитный сигнал - аппаратура не идеальна, да и законы физики мешают). Это я к тому, что кадры, снятые с высоким значением ISO, гораздо хуже поддаются HDR обработке.

Экспозиция (Exposure) - Относительное световое число. Например, увеличение экспозиции на одну ступень означает увеличение освещенности в два раза, на две ступени - в четыре раза. Применительно к фотографии динамический диапазон измеряется в ступенях экспозиции.

Брекетинг экспозиции (Exposure Bracketing) - Также это называют экспозиционной вилкой. Суть в том, что при съемке в режиме брекетинга экспозиции одновременно делается три кадра - “нормальный”, недосвеченный и пересвеченный. Например, при эксповилке в одну ступень камера делает “нормальный”, недосвеченный в два раза и пересвеченный в два раза кадры. Такой набор из трех кадров чаще всего используется при создании HDR файлов.

Тональная компрессия - Запихивание всех тонов HDR файла в динамический диапазон монитора с сохранением деталей в темных и светлых тонах.


Методы увеличения динамического диапазона

Exposure Blending - Метод использует кадры, снятые с брекетингом экспозиции - (LDR файлы). Из недосвеченного кадра берется информация о светлых тонах, из пересвеченного - о темных. HDR файл не создается.

 

 

Также пересвеченный и недосвеченный кадры получают путем разной обработки одного и того же RAW файла, но по качеству результата это больше похоже на Tone mapping.

Tone Mapping - Другой метод увеличения динамического диапазона, менее эффективный по сравнению с предыдущим. 16-битные файлы (например, полученные путем “проявки” RAW-файла) содержат достаточно много информации о полутонах. Эта информация используется для увеличения динамического диапазона с одновременной тональной компрессией. Применяется в случае, если кадр есть только один (при съемке не использовался брекетинг экспозиции).

 

 

 

К фотографии с девушкой в венецианской маске (самая верхняя фотография) тоже был применен метод Tone Mapping. До его применения плечо слева было очень темным, а плечо справа - пересвечено. (Остальные фотографии в этом посте не мои.)

Генерация HDR файла с последующей тональной компрессией - Самый гибкий метод. Получение HDR файла из двух или более LDR файлов. После получения HDR файла (при этом HDR файл можно сохранить отдельно) для дальнейшей работы требуется тональная компрессия, для этого также используется Tone Mapping, где возможны тонкие ручные настройки. Большие фотки кликабельны.

 

 

© Jacques Joffre


…и как?

Итак. :)


Photoshop CS2

С появлением на моем компе видеокарты со 128 мегабайтами видеопамяти на борту я получил возможность перейти на Photoshop CS2, поэтому теперь многие приемы обработки я буду описывать применительно к возможностям CS2, в котором появилось много новых и полезных инструментов для фотографов, а так же еще больше фильтров, работающих с 16-битными изображениями. Например, Photoshop CS2, в отличие от CS, имеет встроенные инструменты для получения HDR файлов.

Не открывая никаких файлов, идите сюда: File -> Automate -> Merge to HDR…
Здесь скормите фотошопу имеющиеся LDR файлы.

Если съемка велась с брекетингом экспозиции и с рук, то лучше поставить галочку “Attempt to Automatically Align Source Images“. Так как руки - это не штатив, и во время съемки немного двигаются, то даже быстро снятые подряд кадры будут немного различаться. В этом случае фотошоп это учтет.

Нажмите OK…

Фотошоп немного попыхтит и выдаст промежуточный результат.

Как и ожидалось, динамический диапазон полученного HDR изображения превышает динамический диапазон монитора, поэтому кадр выглядит сильно пересвеченным. Для того, чтобы посмотреть все тона HDR изображения, можно подвигать ползунок точки белого. Этот ползунок применяется только для предпросмотра изображения, на конечный результат он не влияет.

Для того, чтобы в конечном HDR файле сохранилась вся информация о полутонах, значение Bit Depth необходимо оставить “32 Bit/Channel”.

Нажмите OK…

Фотошоп еще раз попыхтит и выдаст конечный результат - HDR изображение, до сих пор не влезающее в динамический диапазон монитора.

Все вышеописанные действия иллюстрирует вот это видео:

 

Теперь изображению необходима тональная компрессия.

Image -> Mode -> 16 Bits/Channel…

Фотошоп выдаст окно “HDR Conversion”, где можно выбрать несколько методов тональной компрессии, автоматических и не очень. Поколдовав с ползунками и тональной кривой, нажмите ОК. В этом окне можно также сохранить или загрузить ранее сохраненные настройки тональной компрессии.

Фотошоп в последний раз немножко попыхтит и выдаст 16-битное изображение, которое теперь можно обрабатывать обычными методами.

Тональную компрессию иллюстрирует следующее видео:

Photomatix Pro

 

Вместо Photoshop CS2 для получения HDR файла используем программу Photomatix Pro.

Скачать: Photomatix Pro 2.3 [3 mb]

Программа реализует все методы повышения динамического диапазона цифрового снимка - Exposure Blending, Tone Mapping и создание HDR файла с последующей тональной компрессией.

Автоматический режим: Exposure Blending с тональной компрессией

Откройте в программе все LDR файлы и в меню Combine выберите наиболее подходящий для вашей задачи вариант. Если вы не знаете что выбрать, то выбирайте H&S Details - Auto. Опция “Align images before combining” служит для тех же целей, что и в Photoshop’e.

 

 

Результат работы программы откроется в отдельном окне. В данном случае тональная компрессия не нужна, программа уже сама все сделала.

 

 

Полуавтоматический режим: создание HDR файла

В этом режиме Photomatix автоматически создает 32-битный HDR файл из нескольких LDR файлов, без тональной компрессии.

HDRI -> Generate HDR

Скормите программе LDR файлы и не трогайте настройки тональной кривой (если вы не обрабатываете сканы с пленки). Не забывайте про галочку “Align input images”. Жмите OK.

 

 

осле пыхтения вы увидите HDR изображение, не влезающее в динамический диапазон монитора. В отличие от Photoshop’a с его ползунком точки белого, здесь есть окно предпросмотра реальных тонов HDR изображения. На мой взгляд, это удобнее.

 

 

Теперь нужно применить тональную компрессию. В Photomatix это делается с помощью инструмента Tone Mapping.

Тональная компрессия и Tone Mapping

Инструмент позволяет привести HDR изображение в приличный вид.

HDRI -> Tone Mapping

 

 

Здесь настройки более понятны и удобны, чем в Photoshop CS2, но нет тональной кривой.

Если вы откроете 16-битный LDR файл и таким же образом примените к нему инструмент Tone Mapping, то в этом случае Photomatix попытается вытянуть детали в светах и тенях на основе избыточной информации 16-битного файла.

Жмите ОК и сохраняйте файл. Теперь он готов к обработке в фотошопе.


Еще один способ

Вернее, несколько способов.

Способы заключаются в ручной обработке LDR файлов в фотошопе или других подобных ему программах. Мне не нравится тратить время и нервы там, где операции можно с упехом автоматизировать, поэтому здесь я этот ужас не буду описывать.

Это все, что у меня есть вам по этой теме сказать. :)

Понятно, что если у вас на руках несколько сотен снимков с вечеринки, то обрабатывать таким способом эту кучу файлов было бы большой и ненужной тратой времени (хотя можно использовать пакетную обработку, batch). Но если вы сняли кадр, который не стыдно было бы повесить на стену, представить на фотоконкурс или разместить в фотобанке, то сложность его обработки отходит на второй план. Приоритетом становится качество.


* Статья опубликована с согласия автора - Артёма Медведева.


Полезные ссылки:
http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/8515
http://community.livejournal.com/ru_hdr/1253.html