High Dynamic Range Image

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HDR-Nachtaufnahme von New York City. Das Bild wurde mit DRI auf ein Low-Dynamic-Range-Format zurückgerechnet, um es auf herkömmlichen Bildschirmen darstellbar zu machen.

Ein High Dynamic Range Image (HDRI, Bild mit hohem Dynamikumfang) bzw. Hochkontrastbild ist eine digitale Bilddatei, deren Helligkeitswerte einen Dynamikumfang von mindestens vier Größenordnungen (1:10.000), eine relative Abstufung feiner als 1 % und Abdeckung sämtlicher sichtbaren Farben unterstützt. Techniken, die sich mit derartigen Bildern beschäftigen, werden als High Dynamic Range Imaging bezeichnet. Diese Kombination aus Dynamik und Abstufungsfeinheit bedeutet, dass die Informationsdichte (in Bit Pro Pixel) eines HDR-Bildes erheblich höher ist als die eines gewöhnlichen.

Ein häufiger Fehler, der auch von professionellen Fotografen und Grafikern begangen wird, ist es, DRI-Bilder als HDR-Bilder zu bezeichnen. Zwar werden für beide das selbe Ausgangsmaterial verwendet (Bilder unterschiedlicher Belichtung), jedoch hat ein HDRI den Zweck, alle Helligkeitsdaten zu speichern. Es ist nicht auf herkömmlichen Ausgabemedien ohne Umrechnung darstellbar. DRI dagegen ist eine derartige Umrechnung, in dem partiell Teilen des Bildes unterschiedliche Belichtungen zugewiesen werden, um so Überblendungen und Unterbelichtungen zu eliminieren, und ein LDR-Bild ausgeben zu können, das besagte Vorteile von HDR-Bildern besitzt.

Inhaltsverzeichnis

1 Anwendungen
2 Dateiformate
3 Erstellung von HDRIs
4 Darstellung durch Ausgabemedien
5 Unterstützung
- 5.1 Software
- 5.2 Hardware
6 Beispiele für die Erstellung von DRI-Bildern aus HDR Daten
7 Siehe auch

[Bearbeiten] Anwendungen

DRI-Aufnahme des Canal Grande

Im Bereich der digitalen Fotografie wird die HDR-Technik für Motive mit sehr großem Dynamikumfang angewendet. Diese sind gar nicht so selten: praktisch alle Szenen, in denen Sonnenlicht und Schattenbereiche oder Tageslicht zusammen mit Innenräumen vorkommen, sind für gewöhnliche Aufnahmemethoden zu kontrastreich.

In der Bildsynthese ermöglicht es die HDRI-Technik, relativ einfach eine realistische Beleuchtung zu erreichen (Globale Beleuchtung). Moderne Renderengines, wie die von modernen Grafikkarten oder 3D-Grafikprogrammen, rendern HDRIs, die zur endgültigen Darstellung auf dem Bildschirm einer virtuellen „Belichtung“ unterzogen werden. (Siehe HDRR)

[Bearbeiten] Dateiformate

Es gibt verschiedene gebräuchliche Dateiformate für HDRIs. Beispiele für stabile und die obigen Anforderungen erfüllende Formate sind: TIFF-32-bit-LogLuv und OpenEXR. Der scRGB (früher bekannt als sRGB64)-Farbraum aus IEC Standard 61966-2-2 ist für geringere Genauigkeit bei erhöhtem Speicherbedarf kritisiert worden, ist aber leicht zu implementieren.

[Bearbeiten] Erstellung von HDRIs

[Bearbeiten] Synthese

Mit Hilfe einer Software können HDR-Bilder aus zwei (oder mehr) unterschiedlich belichteten Fotos erstellt werden.

[Bearbeiten] Rendering

HDRI kann man mit nahezu allen 3D-Renderprogrammen vollsynthetisch erstellen. Der große Vorteil dabei ist, dass dabei keine Informationen über das gerenderte Bild verloren gehen und z. B. Belichtungskorrekturen einfach und qualitativ perfekt durchgeführt werden können.

[Bearbeiten] Spezielle Kameras

Es wurden Spezialkameras im Mittelformat entwickelt, um professionelle Fotografen zum Umstieg von Film auf Digital zu bewegen, da Filme einen höheren Dynamikbereich aufweisen. Diese Kameras übertreffen sogar den Dynamikbereich des Films (Film: 5–8 Belichtungsstufen, High End Digital: 11-12) Um das dabei entstehende Rauschen zu unterdrücken, werden diese Kameras aktiv gekühlt. Diese Profikameras kosten allerdings 20.000 € und mehr. Als Beispiele zu nennende HDRI-Kameras wären: LEICA S1 Alpha/Pro, Jenoptik eyelike MF, SpheroCam HDR und LEAF c-most oder vom Institut für Mikroelektronik Stuttgart die digitale HDRC-Cam. Entwickelt wurde diese Art von Digitalkameras dafür, direkt von einem Hostcomputer aus betrieben zu werden. Als Ausgabeformate dienen die Dateiformate .hdr und .tiff.

Eine wirkliche HDRI-Videokamera gibt es dagegen noch nicht – wenn, dann sind diese nicht für die Serienfertigung bestimmt oder befinden sich noch im Entwicklungsstadium. Die ersten Ansätze hierzu sind jedoch durchaus vielversprechend und z. B. beim Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen zu finden.

[Bearbeiten] Darstellung durch Ausgabemedien

Die Aufgabe, HDRI-Bilder darzustellen, hat zwei problematische Aspekte:

Die Darstellungshardware (Grafikkarte, Bildschirm, Drucker) erwartet im Allgemeinen weniger Bit pro Pixel als in der HDRI-Datei vorhanden sind. So müssen z.B. die 96 Bit/Pixel (32 Bit/Pixel für jede Farbe) der HDRI-Datei auf 24 Bit/Pixel eines RGB-Ausgabemediums umgerechnet werden.
Der physikalische Dynamikbereich des Ausgabemediums (Intensität des Bildschirmpixels, Reflektivität des Ausdruck-Pixels) ist in vielen Fällen kleiner als der der Szene, die das HDRI-Bild darstellt. Den genannten 10000:1 der Datei stehen am Bildschirm gerade mal 500:1 gegenüber.

Von diesen Aspekten ist der Zweite der Wesentliche, nämlich der Inhaltliche. Der Erste betrifft lediglich die technische Umsetzung des Konzepts, das man sich für den Zweiten gemacht hat. Man kann drei Arten unterscheiden, damit umzugehen:

Die beiden Dynamikbereiche werden gleichmäßig aufeinander abgebildet, indem einfach die Helligkeitsauflösung entsprechend herabgesetzt wird. Feine Tonunterschiede der Ausgangsdatei gehen dabei verloren. Die Helligkeitsrelation bleibt für alle Pixel erhalten, d.h. ein Pixel, das in der Bilddatei heller ist als ein anderes, ist dies auch in der Darstellung, und gleich helle Bilddatei-Pixel werden auch gleich hell dargestellt. Dieses Verfahren entspricht in der chemischen Fotografie der Verwendung einer extrem weichen Gradation beim Vergrößern.
Ein Teilbereich des Dynamikbereiches der Bilddatei wird gleichmäßig auf den des Ausgabemediums abgebildet. Innerhalb des Teilbereichs bleibt die Helligkeitsrelation erhalten und die Helligkeitsauflösung ist nicht oder nur wenig herabgesetzt; außerhalb davon sind alle Pixel schwarz bzw. weiß. Man muss sich hierbei entscheiden, ob man die dunklen, mittleren oder hellen Bereiche des Bildes aufgelöst haben möchte. Man stellt also einen gewissen Teil der vorhandenen Strukturen nicht dar und hat gegenüber einer gewöhnlichen Aufnahme nur den Vorteil, es sich noch einmal anders überlegen zu können.
Auf unterschiedliche örtliche Bereiche des Bildes werden unterschiedliche Abbildungen der Dynamikbereiche angewandt. Diese sind so ausgelegt, dass die Unterbereiche einen größeren Dynamikbereich zur Verfügung bekommen, als ihrem Anteil an der Gesamtdynamik entspricht. Dazu muss der Mittelwert heller Bereiche dunkler und der dunkler Bereiche heller werden. Die Helligkeitsrelation des Bildes bleibt nicht mehr erhalten. Sie wird für manche Pixelpaare, nämlich die hellen aus dunklen Bereichen und die dunklen aus hellen Bereichen, umgedreht. Gleich helle Bild-Pixel werden nicht mehr unbedingt gleich hell dargestellt. So können unheimlich wirkende Kontraste oder unschöne hellere oder dunklere Säume auftreten. Es ist die Kunst des Algorithmus, bzw. des Fotografen, diese Artefakte zu minimieren. Das Verfahren entspricht in der chemischen Fotografie dem Abwedeln heller Negativbereiche beim Vergrößern.

[Bearbeiten] Unterstützung

[Bearbeiten] Software

So gut wie alle großen 3D-Programme (z. B. Cinema 4D, 3ds Max, CaddFoto, GammaRay, Maya, LightWave3D, Vue Infinite, Blender, YafRay, Softimage XSI…) unterstützen den Import und das Rendering mit HDR-Bildern (wobei das Radiance-Format noch einen kleinen Vorsprung gegenüber OpenEXR hat). Insbesondere mit Global Illumination und Radiosity kommen die Vorteile von HDR-Bildern als Grundlage für „Image-based Lighting“ oder Umgebungsmaps für Reflexionen zur Geltung.

Bekanntes Programme zur Erstellung und Bearbeitung von HDR-Bildern sind HDRShop, Photomatix, easyHDR, Picturenaut, FDRTools, Qtpfsgui, SilverFast oder das Traumflieger-DRI-Tool eingesetzt. Die Auswahl ist groß, die Funktionsweise ähnlich.

Das quelloffene CinePaint, ehemals FilmGimp, kann als das in Hollywood überarbeitete Gimp auch mit HDR-Bildern umgehen. Ein Hilfsprogramm zur Erstellung von HDRIs aus Bildern von Digitalkameras ist mit der CinePaint Version 0.20 erschienen.

Mit Photoshop CS2 unterstützt auch das bekannte Bildbearbeitungsprogramm von Adobe den Import/Export sowie das Generieren von HDR-Bildern. Für ältere Photoshop-Versionen stehen zumindest für OpenEXR das offizielle und unter der BSD-Lizenz stehende Photoshop-Plug-in von Industrial Light and Magic oder ein kostenloses Import-Plug-in des Post-Hauses The Orphanage zur Verfügung. Letzteres ist vor allem deshalb interessant, da es auch mit der Compositing-Software Adobe After Effects funktioniert. Mit eLin existiert nun auch ein HDRI-Compositing-Plug-in-Paket für Adobe After Effects, das für die nicht-kommerzielle Verwendung kostenlos heruntergeladen werden kann.

Prinzipiell jedoch bedarf es keiner besonderen HDRI-Software. Jedes Bildbearbeitungsprogramm, das die Arbeit mit Ebenen und Maskierung unterstützt, erstellt in wenigen Schritten HDR-Bilder.

[Bearbeiten] Hardware

Die letzten NVidia-Grafikkarten (6xxx, 7xxx) implementieren HDR mit 16-Bit-Fließkommagenauigkeit. Sowohl der aktuelle G80-Chip als auch der R600 von ATI unterstützen auch 32-Bit-Fließkommagenauigkeit. ATIs Radeon-Serie unterstützt seit der Radeon X1xxx FP16 (im Gegensatz zu Nvidia sogar in Verbindung mit Anti-Aliasing), allerdings ohne FP-Filterung, was jedoch im Pixelshader bis zu einem gewissen Grad emuliert werden kann.