Seminar Echtzeit-Rendering SS 2008 HDR - High

Fachbereich 4: Informatik
Seminar
Echtzeit-Rendering
SS 2008
HDR - High Dynamic Range
vorgelegt von
Marcel Häselich
Betreuer:
Dipl.-Inform. Jakob Bärz
(Institut für Computervisualistik, AG Computergrafik)
Koblenz, 07. Mai 2008
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2
2 Grundlagen
2.1 HDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 HDRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Wodurch unterscheiden sich HDR Bilder von normalen Bildern?
2.4 Tonemapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Vor- und Nachteile von HDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3 Aufnahme und Verarbeitung
3.1 Aufnahme . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 HDR Kameras . . . . . .
3.1.2 Exif . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Kamerakurve . . . . . . .
3.1.4 “normale“ Digitalkameras
3.1.5 3 Aufnahmen . . . . . . .
3.1.6 Bilderserie . . . . . . . .
3.1.7 raw . . . . . . . . . . . .
3.2 Verarbeitung . . . . . . . . . . . .
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4 Programme
4.1 Liste . . . .
4.2 Qtpfsgui . .
4.3 Photomatix
4.4 easyHDR .
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1 Einleitung
Diese Ausarbeitung beschäftigt sich mit der Aufnahme und digitalen Bearbeitung
von HDR Bildern. Neben den grundlegenden Strukturen und Prozessen der HDR
Verarbeitung werden zudem Programme vorgestellt, die es dem Anwender gestatten HDR Bilder selbst zu erstellen und zu bearbeiten. Die nötigen Vorraussetzungen an Hard- und Software werden im Folgenden ebenfalls spezifiziert.
2 Grundlagen
2.1 HDR
Unter High Dynamic Range versteht man Bilder, die sich durch einen hohen Dynamikumfang auszeichnen. Der Begriff der Dynamik beschreibt dabei das Verhältnis
zwischen dem kleinsten und grösstem darstellbaren Kontrast. Während normale
Fotos beispielsweise nur einen Bruchteil des Dynamikumfangs der realen Welt
festhalten können, ist es bei HDR Bilder möglich den Kontrast von ca. 500:1 (Digitalkamera) auf ca. 10.000:1 zu steigern.
2.2 HDRI
Hinter dem Begriff High Dynamic Range Imaging verbirgt sich eine Vielzahl von
Applikationen. HDRI im allgemeinen meint nichts anderes, als die Verarbeitung
und Darstellung der HDR Bilder. Es existiert mittlerweile eine Vielzahl von Anwendungen für die HDR Verarbeitung von denen einige ausgewählt und in den
folgenden Abschnitten vorgeführt werden.
2.3 Wodurch unterscheiden sich HDR Bilder von normalen Bildern?
Der erhöhte Dynamikbereich ermöglicht eine bessere Annäherung an die Wahrnehmung des menschlichen Auges. Des weiteren lassen sich HDR Bilder auch
aus mehreren einzelnen Aufnahmen, sogenannten LDR(Low Dynamic Range) Bildern erstellen. Der grösste Vorteil der Zusammenrechung einzelner LDR Bilder
gegenüber einer HDR Kamera liegt ganz klar im Preis, der grösste Nachteil in
der Qualität. Einer der auffallendsten Aspekte der HDR Bilder besteht in der Darstellung besonders dunkler oder besonders heller Bereiche eines Bildes. Dankbare
Motive für HDR Aufnahmen sind Landschaften, kontrastreiche Objekte und Bilder
auf denen Horizont und Himmel teilweise im Bild zu sehen sind. Darüber hinaus
hängt die Qualität des Ergebnisses natülich stark von der verwendeten Kamera,
den vor Ort herrschenden Lichtverhältnissen und dem sonstigen Equipment ab.
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Abb. 01: LDR-HDR Vergleich eines Baumes [01:, Baum]
Abbildung 01 und 02 zeigen jeweils eine direkte Gegenüberstellung eines LDR
Bildes einer Digitalkamera und einer HDR Aufnahme, die aus 3 LDR Bildern
zusammengerechnet wurde. Besonders auffällig sind in Abbildung 01 der Baumstamm und die unerschiedliche Darstellung des Himmels, während in Abbildung
02 das Gesicht der Katze deutlich schärfer und besser belichtet ist.
Abb. 02: LDR-HDR Vergleich einer Katze [01:, Katze]
2.4 Tonemapping
Um den erhöhten Dynamikbereich der HDR Bilder auf Displays, Druckern oder
anderen Ausgabegeräten, die nicht HDR fähig sind, darstellen zu können, muss ein
HDR Bild mit einem Tonemapping-Algorithmus bearbeitet werden. Dabei wird
der Dynamikbereich je nach verwendeter Tonemapping-Methode auf unterschiedliche Weise auf einen wesentlich niedrigeren Dynamikbereich heruntergerechnet
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und angeglichen. Durch anwenden einer “falschen“ Tonemapping Methode lassen
sich spezielle Effekte, beispielweise malerische Aspekte, mit den HDR Aufnahmen
erzielen.
2.5 Vor- und Nachteile von HDR
Der grösste Vorteil der HDR Aufnahmen besteht sicherlich darin, den durch die
Digitalkamera entstandenen Kontrastverlust teilweise oder ganz zu kompensieren,
bzw. erst gar nicht entstehen zu lassen. Mit den richtigen Einstellungen lassen sich
neben perfekt ausgeleuchteten Bildern auch spezielle Effekte durch Veränderung
der Parameter, beispielsweise des Tonemappers, erzielen. Im Internet existieren
Bildersammlungen sogenannter ”HDR Künstler”, die ihren Bilder durch individuelle Techniken eine persönliche Note verleihen, die grösstenteils die Fotos so stark
entfremdet, dass diese einen malerischen bis surrealen Eindruck beim Betrachter hinterlassen. Entsteht eine HDR Aufnahme aus mehreren einzelnen LDR(Low
Dynamic Range) Bildern, kommt es automatisch zu einer Unterdrückung des
Bildrauschens. Zudem besteht die Möglichkeit die HDR Bilder auf speziellen HDR
Displays darzustellen oder auf HDR Druckern auszudrucken. Verfügt man nicht
über eine HDR Kamera, muss das Bild aus mehreren unterschiedlich belichteten
Aufnahmen erstellen. Dabei entstehen wiederum eine Vielzahl von Problemen. Bewegt sich die Kamera während des Aufnahmevorgangs, muss entweder die Bewegung kompliziert zurückgerechnet werden, oder das Ergebnis ist schlichtweg unbrauchbar. Bewegen sich einzelne Objekte innerhalb des Motivs, beispielsweise
Menschen, so entstehehn sogenannte ”Geister”. Geister lassen sich jedoch vergleichsweise einfach herausrechnen indem bei beweglichen Objekten nur eines
der unterschiedlich belichteten Exponate berücksichtigt wird. Für die Aufnahme
ist dennoch, gerade bei ersten Versuchen mit der eigenen Kamera, ein Stativ unentbärlich und ein statisches Motiv sehr zu empfehlen [02:, HDR Fotosammlung].
3 Aufnahme und Verarbeitung
Generell stehen drei verschiedene Formen der HDR-Erzeugung zur Auswahl:
1. Unter Verwendung einer speziellen HDR Kamera
2. Eine Digitalkamera mit veränderbarer Belichtungszeit
3. Erstellung einer kompletten Belichtungsreihe aus einem einzigen raw-Bild
3.1 Aufnahme
Die Qualität des erzeugten HDR Bildes hängt sehr stark von unterschiedlichen
Faktoren ab. Viele davon gelten vor allem für Digitalkameras und die normale,
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nicht HDR-basierte Fotografie. Grundvorraussetzung für ein HDR Bild ist lediglich eine veränderbare Blichtungszeit. Ist diese bei einer Digitalkamera nicht einstellbar, bzw. wird zwangsweise automatisch von der Kamera vorgenommen, so ist
eine HDR Aufnahme nicht möglich. Zudem ist ein Stativ dringend zu empfehlen,
da bereits minimale Verwackelungen während der Aufnahme manche HDR Software in die Knie zwingen und sich meist nicht mehr zurückrechnen lassen. Die
Qualität der Kamera spielt tatsächlich eine eher untergeordnete Rolle, wichtiger
sind vielmehr neben der Statik von Motiv und Kamera die vor Ort herrschenden
Lichtverhältnisse. Ein nützliches, aber nicht notwendiges Feature, ist das AEB.
Beim Automatic Exposure Bracketing nimmt die Kamerasoftware dem Fotografen das Verändern der unterschiedlichen Belichtungszeiten ab. Die Möglichkeit,
raw-Bilder zu erstellen oder eine komplette Serie eines Motivs zu schiessen, sind
ausserdem hilfreich aber ebenfalls nicht notwendig.
3.1.1
HDR Kameras
Abb. 03: LEICA S1 Alpha/Pro
HDR Kameras haben gegenüber normalen Kameras den Vorteil, das für das HDR
Bild nur eine Aufnahme der Szene gemacht werden muss. Leider haben diese Kameras auch einen stolzen Preis, die in Abbildung 03 zu sehende S1 Alpha der Firma
Leica kostet ca. 15.000 bis 20.000 Euro - je nach Equipment. Weitere namhafte Kameras sind die c-most von LEAF oder die Jenoptik eyelike MF, welche alle in der
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gleiche Preisregion angesiedelt sind. Der Dynamikumfang der S1 Alpha liegt bei
2048:1 und kommt damit an den Dynamikumfang der Analogfotografie heran.
3.1.2
Exif
Das Exif-Dateiformat zeichnet dieselben Informationen auf, die auch mit den PQIDaten bei APS gespeichert werden. Nahezu alle modernen Digitalkameras beherrschen den Exif-Standard und speichern bei jeder Aufnahme zahlreiche wichtige
Aufnahmeparameter wie zum Beispiel:
• Datum und Uhrzeit
• Orientierung(Hoch- oder Querformat)
• Brennweite
• Belichtungszeit
• Blendeneinstellung
• Belichtungsprogramm
• ASA-Wert(Lichtempfindlichkeit)
• GPS-Koordinaten
• Vorschaubild(Thumbnail)
Quelle: [05:, Wikipedia].
3.1.3
Kamerakurve
Die Kamerakurve, auch Gammakurve oder Tonwertkurve genannt, umfasst spezifische Eigenschaften des gesamten Abbildungssystems und kann mithilfe von
Kalibrierungstafeln und photometrischen Messgeräten ermittelt werden. Analoges
Filmmaterial reagiert auf einwirkendes Licht in Abhängigkeit der sogenannten charakteristischen Kurve, die nicht-linear ist. Der Einfluss dieser Nichtlinearität kann
aus den Bildern bestimmt werden indem die Abweichung durch die Kamerakurve iterativ so zurückgerechnet wird, dass eine doppelte Belichtungszeit (und somit
doppeltem Strahlungseinfall) in doppelter Pixelhelligkeit resultiert. Das Resultat
ist ein HDR-Bild mit hochgradiger Übereinstimmung mit der Wirklichkeit. Digitalkameras arbeiten jedoch völlig anders. Der Sensors einer Digitalkamera reagiert
weitestgehend linear, die Kamerakurve ist daher auch eine einfache gerade Linie
und die Kalibrierung des Sensors ist nicht notwendig. Bei einem kalibrierten HDRBild entspricht der angezeigte Wert der Helligkeit in cd/m2. Die Belichtungsunterschiede sollte ein HDR-Programm aus den EXIF-Daten der Einzelbilder auslesen
oder direkt aus den Pixeldaten ermitteln können. Photoshop CS2 bietet nur ersteres, Photomatix beherrscht beides. Wichtig für die automatische Erkennung ist
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eine korrekte Positionierung der Einzelbilder sowie eine exakte Kamerakurve. Die
Positionierung korrigieren fast alle Programme automatisch.
3.1.4
“normale“ Digitalkameras
Um mit einer handelsüblichen Digitalkamera ein HDR Bild zu erzeugen, muss die
Kamera an einem Stativ befestigt werden. Danach wird eine optimale Belichtung
eingestellt. Anhand des Wertes der Belichtungszeit wird dann jeweils ein überund ein Unterbelichtetes Bild erzeugt. Verfügt die Kamera nicht über eine manuell
änderbare Belichtungszeiteinstellung sondern ist in der Lage Aufnahmen im raw
Format zu erstellen, so kann man aus dem raw-Bild per Software ein HDR erstellen.
3.1.5
3 Aufnahmen
Egal ob das über-, unter- und normalbelichtete LDR Bild manuell, per AEB oder
aus einem raw errechnet wurde, muss es als nächstes in eine HDR Software geladen
werden. Danach müssen gegebenenfalls noch die EXIF Daten eingetragen werden.
Dann erst kann aus den einzelnen Aufnahmen, wie in Abbildung 04 zu sehen, ein
HDR-Bild entstehen.
Abb. 04: 3 Belichtungen
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3.1.6
Bilderserie
Moderne digitale Spiegelreflex- oder Bridge-Kameras ermöglichen das Erstellen
von Bilderserien mit unterschiedlicher Belichtung und diverser anderer Einstellungsmöglichekeiten. Besonders beim Erstellen der HDR-Bilder erweisen sich diese Funktionen als nützlich. Selbst bei fest montiertem Stativ kann es durch manuellen Eingriff an der Kamera, beispielsweise um die Belichtungszeit zu ändern, zu
Verwackelungen kommen. Muss der Auslöser jedoch nur ein einziges mal für 20
Fotos gedrückt werden, im besten Fall noch durch einen Fernauslöser, so existiert
keine Verwackelung innerhalb der Bilderserie.
3.1.7
raw
Einige Kameras, zumeist die der oberen Preisklasse, bieten dem Fotografen die
Möglichkeit seine Bilder im raw-Format abzuspeichern. Das Rohdatenformat raw
bezeichnet ein jeweils modellabhängiges Dateiformat bei Digitalkameras, bei dem
die Kamera die Daten nach der Digitalisierung weitgehend ohne Bearbeitung auf
das Speichermedium schreibt. Spezielle Bildverarbeitungssoftware, beispielsweise
Photoshop, bieten dem Anwender dann die Option, aus dem einzelnen raw-Bild,
mit seinen unkomprimierten Daten, eine komplette Belichtungsserie zu erstellen.
Das Verfahren bietet den Vorteil, dass keine Kalibrierung an den Bildern der Belichtungsreihe notwendig ist und es keine nicht-statischen Objekte innerhalb des
Motivs gibt wodurch Geister oder ähnliche ungewünschte Effekte gar nicht erst
entstehen.
3.2 Verarbeitung
Abb. 05: Verarbeitungs-Pipeline
Abbildung 05 verdeutlicht die Entstehung eines HDR Bildes und die vorausgegangene Verarbeitung. Die in der Grafik dargestellten Blöcke ”HDRI Kreation”
und ”Tone Mapping” übernehmen die meisten Softwareprodukte sehr gut und sind
bei den meisten Applikationen automatisiert oder hinreichend erklärt. Der Block
”Ausrichtung” erweist sich jedoch als Problem. Wurde nicht mit einem Stativ oder
sonstigen starken Halter gearbeitet, versagen die meisten HDR Werkzeuge leider
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kläglich. Einige fordern den Anwender sogar dazu auf, die Ausrichtung mit einem
integrierten oder externen Programm selbst vorzunehmen.
Abb. 06: Belichtungsreihe
Möchte man eine komplette Belichtungsreihe verarbeiten, ist eine Kamera, die automatisch die Exif Informationen zu den einzelnen Bilder speichert, sehr nützlich.
Abbildung 06 zeigt an einem Beispiel, wie die einzelnen LDR Aufnahmen einer
Szene als Bilderserie zu einem einzigen HDR Bild werden und somit den Dynamikumfang erhöhen.
4 Programme
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten und Programmen zur Be- und Verarbeitung von HDR Bildern. Der folgende Abschnitt soll eine Übersicht der einzelnen
Tools geben und stellt drei Programme näher vor.
4.1 Liste
Übersicht gängiger Programme:
• Qtpfsgui
• HDRSHOP
• Photomatix
• FDRTool
• easyHDR
• Traumflieger
• Dynamic Photo HDR
• Photoshop
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4.2 Qtpfsgui
Das Programm Qtpfsgui zeichnet sich vor allem durch seine GPL Lizenz als opensource Tool aus. Obwohl es sich um ein kostenloses Werkzeug handelt, erhält der
Anwender trotzdem eine vollwertige HDR und Tonemapping Software. Qtpfsgui
erzielt gute Ergebnisse und bietet viele Einstellungsmöglichkeiten die zum Ausprobieren und ausgiebigen Testen unterschiedlicher Verfahren und Algorithmen
einladen. Weniger einladend ist hingegen die Beta Version des Anti-Ghosting, da
diese schlichtweg nicht funktioniert. Die Verarbeitung von raw-Dateien, die vom
zeitlichen Aufwand her leider inakzeptabel ist und beim Test nach 30 min abgebrochen wurde(Pentium M 1,73 Ghz, 1024 mb ram) [03:, qtpfsgui].
4.3 Photomatix
Die Software Photomatix kann als kostenfreie Shareware oder Pro Version für 98
Euro erworben werden. Durch die benutzerfreundliche Grafische Oberfläche ist
Photomatix besonders für Einsteiger und Neulinge auf dem Gebiet der HDR Fotografie besonders gut geeignet. Die Shareware Version unterscheidet sich von der
Pro Version durch ein digitales Wasserzeichen, das dem HDR Bild während des
Tonemapping-Vorgangs hinzugefügt wird. Weitere Einschränkung der Shareware gibt es keine, sodass auch die kostenlose Version durch sehr gute Ergebnisse
überzeugt. Besonders auffallend ist zudem die gute raw-Verarbeitung die in kurzer
Zeit mit grossen Datenmengen problemlos fertig wird [04:, Photomatix].
4.4 easyHDR
Es existieren zwei Versionen von easyHDR, eine eingeschränkte Freeware Version
und eine kostenpflichtige Pro Vollversion für 30 Euro. Von den getesteten Programmen lieferte easyHDR die schlechtesten Ergebnisse im direkten Vergleich mit dem
selben HDR Bild. Zudem ist, zumindest in der getesteten Freeware Version kein
Anti-Ghosting implementiert und das Programm arbeitet relativ langsam, liefert
nach manuellem Umstellen der Settings jedoch ebenfalls brauchbare Ergebnisse
[06:, easyHDR].
10
Literatur
[01:] http://www.flickr.com/groups/hdrbeforeandafter/pool/. Website, LDR-HDR
Vergleich.
[02:] http://www.flickr.com/groups/hdr/pool/. Foto-Website.
[03:] http://qtpfsgui.sourceforge.net/. Website von qtpfsgui.
[04:] http://www.franzis.de/photomatix/index.html. Website von Photomatix.
[05:] http://de.wikipedia.org/wiki/exchangeable image file format.
Seite zum Exif-Dateiformat.
[06:] http://www.easyhdr.com/. Website von easyHDR.
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Wikipedia-