Högdynamiskt avstånd- High-dynamic-range imaging

Tonkartad högdynamisk (HDR) bild av St. Kentigern's Church i Blackpool , Lancashire, England

Inom fotografering och videografi är HDR eller högdynamisk avbildning en uppsättning tekniker som används för att återge ett större ljusstyrka än vad som är möjligt med vanliga fotografiska tekniker. Standardtekniker tillåter differentiering endast inom ett visst ljusstyrka. Utanför detta intervall syns inga funktioner eftersom i de ljusare områdena verkar allt rent vitt och rent svart i de mörkare områdena. Förhållandet mellan högsta och lägsta av tonvärdet i en bild kallas det dynamiska området . HDR är användbart för inspelning av många verkliga scener som innehåller mycket starkt, direkt solljus till extrem skugga eller mycket svaga nebulosor . High-dynamic-range (HDR) bilder skapas ofta genom att fånga och sedan kombinera flera olika, smalare intervall, exponeringar av samma ämne.

De två primära typerna av HDR-bilder är datoråtergivningar och bilder som härrör från sammanslagning av flera lågdynamiska (LDR) eller standard-dynamiska (SDR) fotografier. HDR -bilder kan också erhållas med speciella bildsensorer , till exempel en översamplad binär bildsensor . På grund av begränsningarna i utskrift och displaykontrast måste det utökade ljusstyrkan för inmatade HDR -bilder komprimeras för att synliggöras. Metoden för att återge en HDR -bild till en standardmonitor eller utskriftsenhet kallas tonmappning . Denna metod minskar den övergripande kontrasten för en HDR -bild för att underlätta visning på enheter eller utskrifter med lägre dynamiskt omfång, och kan tillämpas för att producera bilder med bevarad lokal kontrast (eller överdriven för konstnärlig effekt).

"HDR" kan hänvisa till den övergripande processen, till HDR-avbildningsprocessen eller till HDR-avbildning som visas på en lågdynamisk skärm, till exempel en skärm eller en standard .jpg-bild.

Efterliknar det mänskliga synsystemet

Ett mål med HDR är att presentera ett liknande luminansintervall som det som upplevs genom det mänskliga visuella systemet . Det mänskliga ögat, genom icke-linjärt svar, anpassning av iris och andra metoder, anpassar sig ständigt till ett brett spektrum av luminans i miljön. Hjärnan tolkar kontinuerligt denna information så att en betraktare kan se i ett brett spektrum av ljusförhållanden.

Standard fotografiska och bildtekniker tillåter differentiering endast inom ett visst ljusintervall. Utanför detta intervall är inga funktioner synliga eftersom det inte finns någon differentiering i ljusa områden eftersom allt bara ser rent vitt ut, och det finns ingen differentiering i mörkare områden eftersom allt verkar rent svart. Icke-HDR-kameror tar fotografier med ett begränsat exponeringsområde, kallat lågt dynamiskt omfång (LDR), vilket resulterar i förlust av detaljer i höjdpunkter eller skuggor .

Fotografi

Inom fotografering mäts dynamiskt omfång i exponeringsvärde (EV) skillnader, så kallade stopp . En ökning med en EV, eller ett stopp, representerar en fördubbling av mängden ljus. Omvänt representerar en minskning med en EV en halvering av mängden ljus. Därför kräver detaljering i de mörkaste skuggorna höga exponeringar , medan bevarande av detaljer i mycket ljusa situationer kräver mycket låg exponering. De flesta kameror kan inte tillhandahålla detta exponeringsvärde inom en enda exponering på grund av sitt låga dynamiska område. Högdynamiska fotografier uppnås i allmänhet genom att ta flera standardexponeringsbilder, ofta med hjälp av exponeringsfäste och sedan slå samman dem till en enda HDR-bild, vanligtvis inom ett fotomanipuleringsprogram .

Varje kamera som tillåter manuell exponeringskontroll kan göra bilder för HDR -arbete, även om en som är utrustad med automatisk exponeringsfäste (AEB) är mycket bättre lämpad. Bilder från filmkameror är mindre lämpliga eftersom de ofta först måste digitaliseras, så att de senare kan bearbetas med HDR -metoder.

I de flesta bildanordningar kan exponeringsgraden för ljus som appliceras på det aktiva elementet (film eller CCD ) ändras på ett av två sätt: genom att antingen öka/minska storleken på bländaren eller genom att öka/minska tiden för varje exponering. Exponeringsvariation i en HDR -uppsättning görs endast genom att exponeringstiden ändras och inte bländarstorleken; detta beror på att ändring av bländarstorleken också påverkar skärpedjupet och därför skulle de resulterande flera bilderna vara ganska olika, vilket förhindrar deras slutliga kombination till en enda HDR -bild.

En viktig begränsning för HDR -fotografering är att varje rörelse mellan på varandra följande bilder kommer att hindra eller förhindra framgång i att kombinera dem efteråt. Eftersom man måste skapa flera bilder (ofta tre eller fem och ibland fler) för att få önskat luminansintervall , tar en sådan hel uppsättning bilder extra tid. HDR -fotografer har utvecklat beräkningsmetoder och tekniker för att delvis övervinna dessa problem, men det rekommenderas åtminstone att använda ett robust stativ.

Vissa kameror har en automatisk exponeringsfäste (AEB) med ett mycket större dynamiskt omfång än andra, från 0,6 i den låga änden till 18 EV i de bästa professionella kamerorna från och med 2020. När denna bildmetodens popularitet växer, flera kameror tillverkare erbjuder nu inbyggda HDR-funktioner. Till exempel har Pentax K-7 DSLR ett HDR-läge som tar en HDR-bild och matar ut (endast) en tonmappad JPEG-fil. Den Canon Powershot G12 , Canon Powershot S95 och Canon Powershot S100 erbjuder liknande funktioner i ett mindre format. Nikons tillvägagångssätt kallas 'Active D-Lighting' som tillämpar exponeringskompensation och tonmappning på bilden när den kommer från sensorn, med tonvikt på att skapa en realistisk effekt. Vissa smartphones har HDR -lägen, och de flesta mobila plattformar har appar som ger HDR -bilder.

Kamerakarakteristika som gammakurvor , sensorupplösning, brus, fotometrisk kalibrering och färgkalibrering påverkar resulterande högdynamiska bilder.

Färgfilmsnegativ och diabilder består av flera filmlager som reagerar på ljus på olika sätt. Originalfilm (särskilt negativ mot transparenter eller diabilder) har ett mycket högt dynamiskt område (i storleksordningen 8 för negativ och 4 till 4,5 för diabilder).

Tonkartläggning

Tonmappning minskar det dynamiska omfånget eller kontrastförhållandet för en hel bild samtidigt som lokal kontrast behålls. Även om det är en distinkt åtgärd, tillämpas tonmappning ofta på HDRI -filer med samma programvarupaket.

Flera program finns på PC-, Mac- och Linux -plattformarna för att producera HDR -filer och tonmappade bilder. Anmärkningsvärda titlar inkluderar:

Jämförelse med traditionella digitala bilder

Information som lagras i högdynamiska bilder motsvarar vanligtvis de fysiska värdena för luminans eller strålning som kan observeras i den verkliga världen. Detta skiljer sig från traditionella digitala bilder , som representerar färger som de ska se ut på en bildskärm eller ett papperstryck. Därför kallas HDR-bildformat ofta för scen-hänvisning , till skillnad från traditionella digitala bilder, som är enhetsrefererade eller utmatade . Dessutom kodas vanligtvis traditionella bilder för det mänskliga visuella systemet (maximerar den visuella informationen lagrad i det fasta antalet bitar), som vanligtvis kallas gammakodning eller gammakorrigering . De värden som lagras för HDR-bilder är ofta gammakomprimerade ( power law ) eller logaritmiskt kodade eller flytande linjära värden, eftersom linjära kodningar med fast punkt blir allt mer ineffektiva över högre dynamiska intervall.

HDR-bilder ofta inte använder fasta intervall per färgkanal -andra än traditionella bilder att representera många fler färger över ett mycket bredare dynamiskt omfång (flera kanaler). För detta ändamål använder de inte heltalsvärden för att representera enfärgskanalerna (t.ex. 0–255 i ett intervall på 8 bitar per pixel för rött, grönt och blått) utan använder istället en flytande punktrepresentation. Vanliga är 16-bitars ( halv precision ) eller 32-bitars flyttal för att representera HDR-pixlar. När rätt överföringsfunktion används kan dock HDR -pixlar för vissa applikationer representeras med ett färgdjup som har så lite som 10–12 bitar för luminans och 8 bitar för krominans utan att införa några synliga kvantiseringsartefakter.

Videografi

HDR -inspelningstekniken kan också användas för videor genom att ta flera bilder för varje bildruta i videon och slå ihop dem. Qualcomm hänvisar till det genom att använda termen "Computationnal HDR video capture". År 2020 meddelade Qualcomm Snapdragon 888 som kan beräkna HDR -videoinspelning i 4K och i ett HDR -format. Xiaomi Mi 11 Ultra kan också göra beräknings -HDR för videoinspelning.

Historia för HDR -fotografering

Mitten av 1800 -talet

Ett foto från 1856 av Gustave Le Gray

Idén att använda flera exponeringar för att på ett adekvat sätt återge ett alltför extremt luminansområde föregicks redan på 1850-talet av Gustave Le Gray för att göra havsbilder som visar både himlen och havet. Sådan återgivning var omöjlig då med standardmetoder, eftersom ljusstyrkan var för extrem. Le Gray använde en negativ för himlen och en annan med en längre exponering för havet och kombinerade de två till en bild positivt.

Mitten av 1900 -talet

Extern bild
Schweitzer at the Lamp , av W. Eugene Smith

Manuell tonmappning åstadkoms genom att undvika och bränna  - selektivt öka eller minska exponeringen av fotografiets områden för att ge bättre tonalitet. Detta var effektivt eftersom det negativa dynamiska intervallet är betydligt högre än vad som skulle vara tillgängligt på det färdiga positiva papperstrycket när det exponeras via det negativa på ett enhetligt sätt. Ett utmärkt exempel är fotografiet Schweitzer at the Lamp av W. Eugene Smith , från hans fotografera 1954 A Man of Mercy on Albert Schweitzer och hans humanitära arbete i franska ekvatorialafrika. Det tog fem dagar att återge scenens tonintervall, som sträcker sig från en ljus lampa (i förhållande till scenen) till en mörk skugga.

Ansel Adams höjde dodging och bränning till en konstform. Många av hans berömda tryck manipulerades i mörkrummet med dessa två metoder. Adams skrev en omfattande bok om att producera tryck som kallas The Print , som på ett framträdande sätt undviker och bränner i sitt zonsystem .

Med tillkomsten av färgfotografering var tonkartläggning i mörkrummet inte längre möjlig på grund av den specifika tidpunkten som behövdes under utvecklingen av färgfilm. Fotografer sökte filmtillverkare för att designa nya filmlager med förbättrat svar, eller fortsatte att skjuta i svartvitt för att använda tonkartläggningsmetoder.

Exponering/densitet Egenskaper för Wyckoffs Extended Exposure Response Film

Färgfilm som direkt kan spela in högdynamiska bilder utvecklades av Charles Wyckoff och EG&G "under ett kontrakt med Air Force Department ". Denna XR -film hade tre emulsionsskikt , ett övre lager med en ASA -hastighetsgradering på 400, ett mellanskikt med en mellanliggande klass och ett nedre lager med en ASA -klassificering på 0,004. Filmen bearbetades på ett sätt som liknar färgfilmer och varje lager producerade en annan färg. Det dynamiska området för denna film med utökat intervall har uppskattats till 1:10 ⁸ . Den har använts för att fotografera kärnkraftsexplosioner, för astronomisk fotografering, för spektrografisk forskning och för medicinsk bildbehandling. Wyckoffs detaljerade bilder av kärntekniska explosioner dök upp på omslaget till magasinet Life i mitten av 1950-talet.

Sent 1900 -tal

Georges Cornuéjols och licensinnehavare av hans patent (Brdi, Hymatom) introducerade principen för HDR -videobild 1986, genom att infoga en matricial LCD -skärm framför kamerans bildsensor, vilket ökar sensordynamiken med fem steg.

Begreppet granskning av tonkartläggning tillämpades på videokameror 1988 av en grupp från Technion i Israel, ledd av Oliver Hilsenrath och Yehoshua Y. Zeevi. Forskare från Technion ansökte om patent på detta koncept 1991 och flera relaterade patent 1992 och 1993.

I februari och april 1990 introducerade Georges Cornuéjols den första realtids HDR-kameran som kombinerade två bilder tagna av en sensor eller samtidigt av två sensorer i kameran. Denna process är känd som bracketing som används för en videoström.

1991 introducerades den första kommersiella videokameran som utförde realtidsfångst av flera bilder med olika exponeringar och producerade en HDR-videobild av Hymatom, licensinnehavare av Georges Cornuéjols.

Även 1991 introducerade Georges Cornuéjols HDR+ -principen genom icke-linjär ansamling av bilder för att öka kamerans känslighet: för miljöer med svagt ljus ackumuleras flera på varandra följande bilder, vilket ökar förhållandet mellan signal och brus.

1993, en annan kommersiell medicinsk kamera som producerar en HDR -videobild, av Technion.

Modern HDR-avbildning använder ett helt annat tillvägagångssätt, baserat på att göra en högdynamisk räckvidd eller ljuskarta med endast globala bildoperationer (över hela bilden), och sedan tonmappa resultatet. Global HDR introducerades första gången 1993 vilket resulterade i en matematisk teori om olika exponerade bilder av samma ämne som publicerades 1995 av Steve Mann och Rosalind Picard .

Den 28 oktober 1998 skapade Ben Sarao en av de första nattliga HDR + G (High Dynamic Range + Graphic image) av STS-95 på startfältet vid NASA : s Kennedy Space Center . Den bestod av fyra filmbilder av rymdfärjan på natten som digitalt komponerades med ytterligare digitala grafiska element. Bilden visades först i NASAs huvudkontor Great Hall, Washington DC, 1999 och publicerades sedan i Hasselblad Forum .

Tillkomsten av konsumenternas digitala kameror gav en ny efterfrågan på HDR -avbildning för att förbättra ljusresponsen hos digitalkamerasensorer, som hade ett mycket mindre dynamiskt omfång än film. Steve Mann utvecklade och patenterade global-HDR-metoden för att producera digitala bilder med utökat dynamiskt omfång på MIT Media Lab . Manns metod involverade en tvåstegsprocedur: För det första, generera en bilduppsättning med flytande punkt med bildoperationer som endast är globala (operationer som påverkar alla pixlar identiskt, utan hänsyn till deras lokala stadsdelar). För det andra, konvertera denna bildmatris med hjälp av lokal grannskapsbehandling (tonåterställning, etc.) till en HDR-bild. Bildmatrisen som genereras av det första steget i Manns process kallas en ljusrymdsbild , ljusrymdbild eller strålningskarta . En annan fördel med global HDR-avbildning är att den ger åtkomst till den mellanliggande ljus- eller strålningskartan, som har använts för datorsyn och andra bildbehandlingsoperationer .

2000 -talet

I februari 2001 demonstrerades Dynamic Ranger -tekniken genom att använda flera foton med olika exponeringsnivåer för att uppnå ett högt dynamiskt intervall som liknar blotta ögat.

År 2005 introducerade Adobe Systems flera nya funktioner i Photoshop CS2, inklusive Merge to HDR , 32 -bitars floating point -bildstöd och HDR -tonmappning.

Den 30 juni 2016 lade Microsoft till stöd för digital sammansättning av HDR -bilder till Windows 10 med Universal Windows -plattformen .

Exempel

HDR -bearbetning

Detta är ett exempel på fyra standarddynamiska bilder som kombineras för att producera tre resulterande tonmappade bilder:

Exponerade bilder

• 

  –4 hållplatser

• 

  –2 hållplatser

• 

  +2 hållplatser

• 

  +4 hållplatser

Resultat efter bearbetning

• 

  Enkel kontrastreducering

• 

  Lokal tonmappning

• 

  Naturlig tonkartläggning

Detta är ett exempel på en scen med ett mycket brett dynamiskt omfång:

Exponerade bilder

• 

  –6 hållplatser

• 

  –5 hållplatser

• 

  –4 hållplatser

• 

  –3 hållplatser

• 

  –2 hållplatser

• 

  –1 hållplats

• 

  00 stopp

• 

  +1 stopp

• 

  +2 hållplatser

• 

  +3 hållplatser

• 

  +4 hållplatser

• 

  +5 hållplatser

Resultat efter bearbetning

• 

  Naturlig tonkartläggning

Anomalier vid flera exponeringar

Denna bild som togs av en smartphone gynnades av HDR genom att exponera både det skuggade gräset och den ljusa himlen, men den snabba golfsvinget ledde till en "spök" -klubb.

Ett motiv i snabb rörelse (eller en ostadig kamera) kommer att resultera i en "spök" -effekt eller en strobe-effekt med förskjuten oskärpa, till följd av att de sammanslagna bilderna inte är identiska, men var och en fångar det rörliga motivet vid ett annat ögonblick, med ändrad position. Plötsliga förändringar i ljusförhållandena (strålat LED -ljus) kan också störa de önskade resultaten genom att producera ett eller flera HDR -lager som har den ljusstyrka som förväntas av ett automatiserat HDR -system, även om man fortfarande kan producera en rimlig HDR -bild manuellt i programvara genom att ordna om bildlagren för att gå ihop i ordning efter deras faktiska ljusstyrka.

HDR -sensorer

Moderna CMOS -bildsensorer kan ofta fånga ett högt dynamiskt område från en enda exponering. Det breda dynamiska området för den tagna bilden komprimeras olinjärt till en elektronisk representation med ett mindre dynamiskt område. Men med rätt behandling kan informationen från en enda exponering användas för att skapa en HDR -bild.

Sådan HDR -avbildning används i applikationer med extremt dynamiskt omfång som svetsning eller bilarbete. I säkerhetskameror är termen som används istället för HDR "brett dynamiskt omfång". På grund av vissa sensorers olinearitet kan bildartefakter vara vanliga. Vissa andra kameror som är avsedda att användas i säkerhetsapplikationer kan automatiskt ge två eller flera bilder för varje bildruta, med exponeringsändringar. Till exempel kommer en sensor för 30 bps video att ge ut 60 fps med udda ramar vid en kort exponeringstid och de jämna ramarna vid en längre exponeringstid. Några av sensorerna på moderna telefoner och kameror kan till och med kombinera de två bilderna på chip så att ett bredare dynamiskt område utan in-pixelkomprimering är direkt tillgängligt för användaren för visning eller bearbetning.

Se även

• Jämförelse av grafikfilformat
• HDRi (dataformat)
• Rendering med hög dynamik
• Video med hög dynamik
• JPEG XT
• Logluv TIFF
• OpenEXR
• RGBE -bildformat
• scRGB -färgutrymme
• Ultra-HD-tv
• Brett dynamiskt omfång

Referenser

externa länkar

• Medier relaterade till högdynamisk avbildning på Wikimedia Commons