Højdynamisk rækkevidde- High-dynamic-range imaging

Tonekortlagt billede med høj dynamisk rækkevidde (HDR) af St. Kentigern's Church i Blackpool , Lancashire, England

Inden for fotografering og videografi er HDR eller højdynamisk rækkevidde det sæt teknikker, der bruges til at gengive en større lysstyrke end det, der er muligt med standard fotografiske teknikker. Standardteknikker tillader kun differentiering inden for et bestemt lysstyrkeinterval. Uden for dette område er ingen funktioner synlige, for i de lysere områder ser alt rent hvidt og rent sort ud i de mørkere områder. Forholdet mellem maksimum og minimum af tonalværdien i et billede er kendt som det dynamiske område . HDR er nyttig til at optage mange virkelige scener, der indeholder meget lyst, direkte sollys til ekstrem skygge eller meget svage stjernetåger . High-dynamic-range (HDR) billeder skabes ofte ved at fange og derefter kombinere flere forskellige, smallere rækkevidde, eksponeringer af det samme emne.

De to primære typer af HDR-billeder er computergengivelser og billeder, der skyldes sammenlægning af flere lavdynamiske (LDR) eller standard-dynamiske (SDR) fotografier. HDR -billeder kan også erhverves ved hjælp af specielle billedsensorer , f.eks. En oversamplet binær billedsensor . På grund af begrænsningerne ved udskrivning og displaykontrast skal det udvidede lysstyrkeområde for input -HDR -billeder komprimeres for at blive synlig. Metoden til at gengive et HDR -billede til en standardmonitor eller udskrivningsenhed kaldes tonemapping . Denne metode reducerer den overordnede kontrast for et HDR -billede for at lette visning på enheder eller udskrifter med lavere dynamisk område og kan anvendes til at producere billeder med bevaret lokal kontrast (eller overdrevet for kunstnerisk effekt).

"HDR" kan referere til den samlede proces, til HDR-billeddannelsesprocessen eller til HDR-billeddannelse repræsenteret på en lavdynamisk rækkevidde, f.eks. En skærm eller et standard .jpg-billede.

Efterligning af det menneskelige synssystem

Et mål med HDR er at præsentere et luminansområde, der ligner det, der opleves gennem det menneskelige visuelle system . Det menneskelige øje tilpasser sig gennem ikke-lineær respons, tilpasning af iris og andre metoder konstant til en bred vifte af luminans i miljøet. Hjernen fortolker kontinuerligt disse oplysninger, så en betragter kan se i en lang række lysforhold.

Standard fotografiske og billedteknikker tillader kun differentiering inden for et bestemt lysområde. Uden for dette område er ingen funktioner synlige, fordi der ikke er nogen differentiering i lyse områder, da alt bare ser rent hvidt ud, og der er ingen differentiering i mørkere områder, da alt ser rent sort ud. Ikke-HDR-kameraer tager fotografier med et begrænset eksponeringsområde, kaldet lavt dynamisk område (LDR), hvilket resulterer i tab af detaljer i højlys eller skygger .

Fotografering

I fotografering måles dynamisk område i forskelle i eksponeringsværdi (EV), kendt som stop . En stigning på ét EV eller et stop repræsenterer en fordobling af mængden af ​​lys. Omvendt repræsenterer et fald på en EV en halvering af mængden af ​​lys. Derfor kræver afsløring af detaljer i de mørkeste skygger høje eksponeringer , mens bevarelse af detaljer i meget lyse situationer kræver meget lav eksponering. De fleste kameraer kan ikke levere denne række eksponeringsværdier inden for en enkelt eksponering på grund af deres lave dynamiske område. Fotografier med et højt dynamisk område opnås generelt ved at tage flere standardeksponeringsbilleder, ofte ved hjælp af eksponerings bracketing og derefter fusionere dem til et enkelt HDR-billede, normalt inden for et fotomanipulationsprogram .

Ethvert kamera, der tillader manuel eksponeringskontrol, kan få billeder til HDR -arbejde, selvom et kamera, der er udstyret med automatisk eksponerings bracketing (AEB), er langt bedre egnet. Billeder fra filmkameraer er mindre egnede, da de ofte først skal digitaliseres, så de senere kan behandles ved hjælp af software HDR -metoder.

I de fleste billedindretninger kan eksponeringsgraden for lys, der påføres det aktive element (det være sig film eller CCD ), ændres på en af ​​to måder: enten ved at øge/formindske størrelsen af blænde eller ved at øge/formindske tiden for hver eksponering. Eksponeringsvariation i et HDR -sæt udføres kun ved at ændre eksponeringstiden og ikke blændeformatet; dette skyldes, at ændring af blændeformatet også påvirker dybdeskarpheden, og derfor ville de resulterende flere billeder være ganske forskellige, hvilket forhindrer deres sidste kombination i et enkelt HDR -billede.

En vigtig begrænsning for HDR -fotografering er, at enhver bevægelse mellem successive billeder vil hindre eller forhindre succes i at kombinere dem bagefter. Da man også skal oprette flere billeder (ofte tre eller fem og nogle gange flere) for at opnå det ønskede luminansområde , tager et sådant fuldt sæt billeder ekstra tid. HDR -fotografer har udviklet beregningsmetoder og teknikker til delvist at overvinde disse problemer, men det anbefales i det mindste at bruge et robust stativ.

Nogle kameraer har en automatisk eksponerings bracketing (AEB) funktion med et langt større dynamisk område end andre, fra 0,6 i den lave ende til 18 EV i top professionelle kameraer, fra 2020. Efterhånden som denne billeddannelsesmetodes popularitet vokser, flere kameraer producenter tilbyder nu indbyggede HDR-funktioner. For eksempel har Pentax K-7 DSLR en HDR-tilstand, der optager et HDR-billede og udsender (kun) en tonekortet JPEG-fil. Den Canon PowerShot G12 , Canon PowerShot S95 , og Canon PowerShot S100 tilbyder lignende funktioner i et mindre format. Nikons tilgang kaldes 'Active D-Lighting', som anvender eksponeringskompensation og tonekort på billedet, som det kommer fra sensoren, med vægt på at skabe en realistisk effekt. Nogle smartphones har HDR -tilstande, og de fleste mobile platforme har apps, der giver HDR -billedoptagelse.

Kamerakarakteristika som gammakurver , sensoropløsning, støj, fotometrisk kalibrering og farvekalibrering påvirker resulterende billeder med et højt dynamisk område.

Farvefilmnegativer og dias består af flere filmlag, der reagerer forskelligt på lys. Original film (især negativer kontra transparenter eller dias) har et meget højt dynamisk område (i størrelsesordenen 8 for negativer og 4 til 4,5 for dias).

Tonekortlægning

Tonekortlægning reducerer det dynamiske område eller kontrastforhold for et helt billede, samtidig med at lokal kontrast bevares. Selvom det er en særskilt operation, bruges tonemapping ofte til HDRI -filer med den samme softwarepakke.

Flere softwareapplikationer er tilgængelige på pc-, Mac- og Linux -platformene til fremstilling af HDR -filer og tonekortede billeder. Bemærkelsesværdige titler omfatter:

Sammenligning med traditionelle digitale billeder

Information, der er gemt i billeder med højt dynamisk område, svarer typisk til de fysiske værdier for luminans eller udstråling, der kan observeres i den virkelige verden. Dette adskiller sig fra traditionelle digitale billeder , der repræsenterer farver, som de skal se ud på en skærm eller et papirprint. Derfor kaldes HDR-billedformater ofte scene-henvist , i modsætning til traditionelle digitale billeder, som er enheds-henvist eller output-henvist . Desuden er traditionelle billeder normalt kodet for det menneskelige visuelle system (maksimering af den visuelle information, der er gemt i det faste antal bits), som normalt kaldes gammakodning eller gammakorrektion . De værdier, der er gemt til HDR-billeder, er ofte gammakomprimerede ( power law ) eller logaritmisk kodede eller lineære værdier med flydende punkter , da lineære kodninger med fast punkt i stigende grad er ineffektive over højere dynamiske områder.

HDR-billeder ofte ikke bruger faste intervaller pr farve kanal -andre end traditionelle billeder-at repræsentere mange flere farver over et meget bredere dynamisk område (flere kanaler). Til dette formål bruger de ikke heltalsværdier til at repræsentere de enkelte farvekanaler (f.eks. 0–255 i et interval på 8 bit pr. Pixel for rødt, grønt og blåt), men i stedet anvender de et flydende punkt. Fælles er 16-bit ( halv præcision ) eller 32-bit floating-point tal for at repræsentere HDR-pixels. Når den relevante overførselsfunktion bruges, kan HDR -pixels for nogle applikationer imidlertid repræsenteres med en farvedybde, der har så få som 10-12 bits for luminans og 8 bit for krominans uden at introducere synlige kvantiseringsartefakter.

Videografi

HDR -optagelsesteknikken kan også bruges til videoer ved at tage flere billeder for hvert billede i videoen og flette dem. Qualcomm henviser til det ved at bruge udtrykket "Computationnal HDR video capture". I 2020 annoncerede Qualcomm Snapdragon 888, som er i stand til at lave beregnings -HDR -videooptagelse i 4K og i et HDR -format. Xiaomi Mi 11 Ultra er også i stand til at lave beregnings -HDR til videooptagelse.

Historien om HDR -fotografering

Midt i det 19. århundrede

Et foto fra 1856 af Gustave Le Gray

Ideen om at bruge flere eksponeringer til tilstrækkeligt at gengive et alt for ekstremt lysstyrke blev pionereret allerede i 1850'erne af Gustave Le Gray for at gengive havlandskaber, der viser både himlen og havet. Sådan gengivelse var på det tidspunkt umulig ved hjælp af standardmetoder, da lysstyrken var for ekstrem. Le Gray brugte et negativt til himlen og et andet med en længere eksponering for havet og kombinerede de to til et billede positivt.

Midt i det 20. århundrede

Eksternt billede
Schweitzer at the Lamp , af W. Eugene Smith

Manuel tonekortlægning blev udført ved at undvige og brænde  - selektivt øge eller formindske eksponeringen af ​​fotografiets områder for at give bedre tonalitetsgengivelse. Dette var effektivt, fordi det negative dynamiske område er betydeligt højere end det, der ville være tilgængeligt på det færdige positive papirprint, når det afsløres via det negative på en ensartet måde. Et glimrende eksempel er fotografiet Schweitzer på Lamp af W. Eugene Smith , fra hans 1954 foto essay A Man of Mercy om Albert Schweitzer og hans humanitære arbejde i fransk Ækvatorial Afrika. Billedet tog fem dage at gengive scenens toneområde, der spænder fra en lys lampe (i forhold til scenen) til en mørk skygge.

Ansel Adams forhøjede dodging og brænding til en kunstart. Mange af hans berømte udskrifter blev manipuleret i mørkerummet med disse to metoder. Adams skrev en omfattende bog om fremstilling af udskrifter kaldet The Print , som fremtrædende indeholder undvigelse og brænding i forbindelse med sit zonesystem .

Med fremkomsten af ​​farvefotografering var tonekortlægning i mørkerummet ikke længere mulig på grund af den specifikke timing, der var nødvendig under udviklingen af ​​farvefilm. Fotografer henvendte sig til filmproducenter for at designe nye filmaktier med forbedret respons, eller fortsatte med at skyde i sort / hvid for at bruge tonekortmetoder.

Eksponering/densitetskarakteristika for Wyckoffs udvidede eksponeringsresponsfilm

Farvefilm, der er i stand til direkte at optage billeder med høj dynamisk rækkevidde, blev udviklet af Charles Wyckoff og EG&G "i løbet af en kontrakt med Department of Air Force ". Denne XR -film havde tre emulsionslag , et øvre lag med en ASA -hastighedsvurdering på 400, et mellemlag med en mellemværdi og et lavere lag med en ASA -vurdering på 0,004. Filmen blev behandlet på en måde, der ligner farvefilm , og hvert lag producerede en anden farve. Det dynamiske område af denne film med udvidet område er blevet estimeret til 1:10 ⁸ . Det er blevet brugt til at fotografere atomeksplosioner, til astronomisk fotografering, til spektrografisk forskning og til medicinsk billeddannelse. Wyckoffs detaljerede billeder af atomeksplosioner dukkede op på forsiden af magasinet Life i midten af ​​1950'erne.

Slutningen af ​​det 20. århundrede

Georges Cornuéjols og licenshavere af hans patenter (Brdi, Hymatom) introducerede princippet om HDR -videobillede i 1986 ved at indsætte en matricial LCD -skærm foran kameraets billedsensor, hvilket øger sensordynamikken med fem stop.

Begrebet nabokorttonekort blev anvendt på videokameraer i 1988 af en gruppe fra Technion i Israel, ledet af Oliver Hilsenrath og Yehoshua Y. Zeevi. Technion -forskere ansøgte om patent på dette koncept i 1991 og flere beslægtede patenter i 1992 og 1993.

I februar og april 1990 introducerede Georges Cornuéjols det første real-time HDR-kamera, der kombinerede to billeder taget af en sensor eller samtidigt af to sensorer i kameraet. Denne proces er kendt som bracketing, der bruges til en videostream.

I 1991 blev det første kommercielle videokamera introduceret, der udførte realtidsoptagelse af flere billeder med forskellige eksponeringer og producerede et HDR-videobillede af Hymatom, licenshaver af Georges Cornuéjols.

Også i 1991 introducerede Georges Cornuéjols HDR+ -billedprincippet ved ikke-lineær akkumulering af billeder for at øge kameraets følsomhed: i miljøer med svagt lys akkumuleres flere på hinanden følgende billeder, hvilket øger signal / støjforholdet.

I 1993, et andet kommercielt medicinsk kamera, der producerede et HDR -videobillede af Technion.

Moderne HDR-billeddannelse anvender en helt anden tilgang, baseret på at lave en højdynamisk rækkevidde luminans eller lyskort ved kun at bruge globale billedoperationer (på tværs af hele billedet) og derefter tonekortlægge resultatet. Global HDR blev først introduceret i 1993, hvilket resulterede i en matematisk teori om forskelligt udsatte billeder af det samme emne, der blev udgivet i 1995 af Steve Mann og Rosalind Picard .

Den 28. oktober 1998, Ben Sarao skabte en af de første natten HDR + G (High Dynamic Range + Grafisk billede) af STS-95 på affyringsrampen på NASA 's Kennedy Space Center . Den bestod af fire filmbilleder af rumfærgen om natten, der var digitalt sammensat med yderligere digitale grafiske elementer. Billedet blev først udstillet i NASA Headquarters Great Hall, Washington DC, i 1999 og derefter offentliggjort i Hasselblad Forum .

Fremkomsten af ​​forbrugerens digitale kameraer gav en ny efterspørgsel efter HDR -billeddannelse for at forbedre lysresponsen fra digitale kamerasensorer, som havde et meget mindre dynamisk område end film. Steve Mann udviklede og patenterede den globale HDR-metode til fremstilling af digitale billeder med udvidet dynamisk område på MIT Media Lab . Manns metode indebar en totrinsprocedure: Først skal du generere et billedarray med flydende punkter ved hjælp af billedoperationer, der kun er globalt (operationer, der påvirker alle pixels identisk, uden hensyn til deres lokale kvarterer). For det andet, konverter dette billedarray ved hjælp af lokal kvarterbehandling (tone-remapping osv.) Til et HDR-billede. Billedopstillingen , der genereres af det første trin i Manns proces, kaldes et lysrumsbillede , lysrumsbillede eller udstrålingskort . En anden fordel ved global HDR-billeddannelse er, at den giver adgang til det mellemliggende lys- eller udstrålingskort, der er blevet brugt til computersyn og andre billedbehandlingsoperationer .

21. århundrede

I februar 2001 blev Dynamic Ranger -teknikken demonstreret ved hjælp af flere fotos med forskellige eksponeringsniveauer for at opnå et højt dynamisk område, der ligner det blotte øje.

I 2005 introducerede Adobe Systems flere nye funktioner i Photoshop CS2, herunder fletning til HDR , understøttelse af 32 bit flydende billeder og HDR -tonekortlægning.

Den 30. juni 2016 tilføjede Microsoft support til digital sammensætning af HDR -billeder til Windows 10 ved hjælp af Universal Windows -platformen .

Eksempler

HDR -behandling

Dette er et eksempel på fire standarddynamiske billeder, der kombineres til at producere tre resulterende tonekortede billeder:

Eksponerede billeder

• 

  –4 stop

• 

  –2 stop

• 

  +2 stop

• 

  +4 stop

Resultater efter behandling

• 

  Enkel kontrastreduktion

• 

  Lokal tonekortlægning

• 

  Naturlig tonekortlægning

Dette er et eksempel på en scene med et meget bredt dynamisk område:

Eksponerede billeder

• 

  –6 stop

• 

  –5 stop

• 

  –4 stop

• 

  –3 stop

• 

  –2 stop

• 

  –1 stop

• 

  00 stop

• 

  +1 stop

• 

  +2 stop

• 

  +3 stop

• 

  +4 stop

• 

  +5 stop

Resultater efter behandling

• 

  Naturlig tonekortlægning

Anomalier med flere eksponeringer

Dette billede taget af en smartphone havde godt af HDR ved at udsætte både det skyggefulde græs og den lyse himmel, men det hurtigt bevægelige golfsving førte til en "spøgelses" klub.

Et motiv i hurtig bevægelse (eller et ustabilt kamera) vil resultere i en "spøgelse" -effekt eller en forskudt sløret strobe-effekt, som et resultat af at de fusionerede billeder ikke er identiske, men hver fanger det bevægelige motiv på et andet tidspunkt, med sin position ændret. Pludselige ændringer i lysforholdene (strobed LED -lys) kan også forstyrre de ønskede resultater ved at producere et eller flere HDR -lag, der har den lysstyrke, der forventes af et automatiseret HDR -system, selvom man måske stadig kan producere et rimeligt HDR -billede manuelt i software ved at omarrangere billedlagene for at flette i rækkefølge efter deres faktiske lysstyrke.

HDR -sensorer

Moderne CMOS -billedsensorer kan ofte fange et højt dynamisk område fra en enkelt eksponering. Det brede dynamiske område af det optagne billede komprimeres ikke-lineært til en elektronisk repræsentation med et mindre dynamisk område. Men med korrekt behandling kan oplysningerne fra en enkelt eksponering bruges til at oprette et HDR -billede.

Sådan HDR -billeddannelse bruges i applikationer med ekstremt dynamisk område som svejsning eller bilarbejde. I sikkerhedskameraer er udtrykket, der bruges i stedet for HDR, "stort dynamisk område". På grund af nogle sensorers ulinearitet kan billedartefakter være almindelige. Nogle andre kameraer, der er designet til brug i sikkerhedsprogrammer, kan automatisk levere to eller flere billeder for hver ramme med skiftende eksponering. For eksempel vil en sensor til 30 fps video afgive 60 fps med de ulige rammer ved en kort eksponeringstid og de lige rammer ved en længere eksponeringstid. Nogle af sensorerne på moderne telefoner og kameraer kan endda kombinere de to billeder på chip, så et bredere dynamisk område uden in-pixelkomprimering er direkte tilgængeligt for brugeren til visning eller behandling.

Se også

• Sammenligning af grafikfilformater
• HDRi (dataformat)
• Gengivelse med højt dynamisk område
• Video med højt dynamisk område
• JPEG XT
• Logluv TIFF
• OpenEXR
• RGBE -billedformat
• scRGB farverum
• Ultra-high-definition fjernsyn
• Bredt dynamisk område

Referencer

eksterne links

• Medier relateret til billeddannelse med højt dynamisk område på Wikimedia Commons