High Dynamic Range Imaging

High Dynamic Range Imaging

High Dynamic Range Imaging, HDRI или просто HDR — общее название технологий работы с изображениями и видео, диапазон яркости которых превышает возможности стандартных технологий.

Чаще всего термин HDR употребляется в отношении получения, хранения и обработки растровых изображений. Широко используемые на сегодняшний день цифровые технологии исторически основаны на 8-битовых целочисленных форматах представления и обработки данных, что даёт весьма узкий динамический диапазон, часто называемый SDR (англ. Standard Dynamic Range) или LDR (англ. Low Dynamic Range). Для сравнения, распространённые стандарты JPEG и MPEG позволяют представить динамический диапазон порядка 1 000:1, в то время как реальные сцены часто имеют динамический диапазон яркости в 1 000 000:1 и выше. Применение техники HDR позволяет работать с полным диапазоном яркости сцены, устраняя исторические ограничения.

Технологии HDR имеют множество практических применений, такие как получение изображений и видео натуральных высококонтрастных сцен, хранение и обработку HDR-контента, создание LDR-изображений на основе HDR-изображений, а также достижение различных художественных эффектов, используя HDR-изображения.

На рынке электроники устройства с HDR характеристиками представляют активно развивающийся сегмент: сверх-яркие HDR-дисплеи[1][2][3] и цифровые HDR-камеры.[4][5][6][7]

Содержание

Динамический диапазон в фотографии

HDR-фотография, полученная из трех, снятых с разной выдержкой

В фотографии динамический диапазон часто измеряют в единицах экспозиции EV (англ. Exposure Value), также называемых «шаг» или «стоп», то есть логарифмом по основанию 2, реже — десятичным логарифмом (обозначается буквой D). 1EV равен 0,3D. Также используют и линейное обозначение, например 1 000:1, что равно 3D или около 10EV.

Характеристика «динамический диапазон» также присуща форматам файлов, используемых для записи фотографий. В этом случае она определяется типом данных, выбранным авторами формата, исходя из тех целей, для которых формат предназначается. Например, динамический диапазон формата JPEG определяется 8-битным гамма-корректированным стандартом представления цвета sRGB и точно равен 11,7EV, однако лишь 8-9EV этого диапазона реально применимы. Для формата Radiance HDR динамический диапазон равен 256EV.

Термином «динамический диапазон» иногда называют любое отношение яркостей в фотографии:

  • отношение яркостей самых светлых и тёмных объектов съемки
  • максимальное отношение яркостей белого и чёрного цветов на мониторе/фотобумаге (контраст, англ. contrast ratio)
  • диапазон оптических плотностей плёнки

Ряд авторов использует и другие, более экзотические варианты.

При оценке характеристики динамического диапазона следует с оговорками смотреть на количеством бит, используемых для записи информации в каком-либо формате или матрице фотоаппарата. Так, ЦАП фотоаппарата (10, 12 или 14 битный) обычно считывает значения в линейной шкале. В файлах содержатся гамма-корректированные значения.

Например, динамический диапазон изображения, представленный числами половинной точности длиной 16 бит, гораздо больше, чем представленный 16 битными целыми. Динамический диапазон у формата Radiance HDR (представление RGBE с 32 битами на пиксель) гораздо больше, чем у 16-битного TIFF (целочисленный RGB с 48 битами на пиксель).

Одно из определений динамического диапазона, который широко используется производителями ПЗС матриц, является отношение максимального сигнала, получаемого с сенсора при ярком освещении, к минимальному сигналу, получаемому при отсутствии света. При этом за минимальный сигнал принимается шум чтения светочувствительной матрицы.

Расширение динамического диапазона

Фотографической широты современных камер и пленок недостаточно для того, чтобы передать любой сюжет окружающего мира. Особенно это заметно при съёмке на цветную обращаемую фотоплёнку или компактную цифровую камеру, которые зачастую не могут передать даже яркий дневной пейзаж в средней полосе России, если там есть объекты в тени (а диапазон яркостей ночного сюжета с искусственным освещением и глубокими тенями может доходить до 20EV).

Стандартным способом обхода проблемы динамического диапазона, с успехом применяемым с момента появления фотографии как таковой, является коррекция освещённости сцены, которая достигается правильным выбором момента и ракурса съёмки и искусственной постановкой света, а также использованием специальных режимов работы фотокамеры. Так, например, при высокой яркости сцены заполняющая вспышка может использоваться для подсветки теней, снижая контраст изображения, а съёмка со вспышкой при большой экспозиции позволяет выровнять контраст некоторых сцен, снимаемых в темноте. Однако не все эти методы всегда удобны и применимы, их правильное использование требует более высокой квалификации фотографа.

Решение проблемы недостаточного динамического диапазона без изменения сцены, освещённости и ракурса достигается двумя путями:

  • Увеличение динамического диапазона сенсоров камер. Так, например, видеокамеры для систем наблюдения имеют заметно больший динамический диапазон, чем фотокамеры, однако это достигается путем ухудшения других характеристик камеры; каждый год выходят новые модели профессиональных камер с лучшими характеристиками, при этом их динамический диапазон медленно растет.
  • Комбинирование изображений, снятых с разной экспозицией (технология HDR в фотографии), в результате которого возникает единое изображение, содержащее все детали из всех исходных изображений, как в крайних тенях, так и в максимальных светах.

Оба пути требуют решения двух проблем:

  • Выбор формата файла, в который можно записать изображение с расширенным диапазоном яркостей (обычные 8-битные sRGB файлы для этого не подходят). На сегодня самыми популярным форматами являются Radiance HDR, OpenEXR, а также Microsoft HD Photo, Photoshop Document, RAW-файлы зеркальных цифровых камер с большим динамическим диапазоном.
  • Отображение фотографии с большим диапазоном яркостей на мониторах и фотобумаге, имеющих существенно меньший максимальный диапазон яркостей (contrast ratio). Данная проблема решается с помощью одного из двух методов:
    • тональная компрессия, при которой большой диапазон яркостей уменьшается в небольшой диапазон бумаги, монитора или 8-битного sRGB-файла путем уменьшения контраста всего изображения, единым образом для всех пикселей изображения;
    • тональное отображение (англ. tone mapping), при котором производится нелинейное изменение яркостей пикселей, на разную величину для разных областей изображения, при этом сохраняется (или даже увеличивается) оригинальный контраст, однако тени могут выглядеть неестественно светлыми, и на фотографии могут появиться ореолы на границах областей с разным изменением яркости.

Пример изображения, созданного по технологии HDR из четырёх исходников, и исходных фотографий к нему приведён ниже.

Тональное отображение также может использоваться и для обработки изображений с небольшим диапазоном яркостей для повышения локального контраста.

Из-за способности тонального отображения выдавать «фантастические» картинки в стиле компьютерных игр, и массового представления таких фотографий с вывеской «HDR» (даже полученных из одного изображения с небольшим диапазоном яркостей) у большинства профессиональных фотографов и опытных любителей выработалось стойкое отвращение к технологии расширения динамического диапазона из-за неверного мнения о том, что она нужна для получения таких картинок. Приведенный пример показывает использование методов HDR для получения нормального реалистического изображения.

Пример

н Colour Explosion.jpg
Правильное использование HDR Чрезмерное применение HDR

Галерея

См. также

Примечания

  1. Dolby’s High-Dynamic-Range Technologies: Breakthrough TV Viewing. Архивировано из первоисточника 3 марта 2012.
  2. Sony XEL-1: First consumer-grade HDR Display?. Архивировано из первоисточника 3 марта 2012.
  3. Mitsubishi LaserVue L65-A90: First Tech Review of LASER HDTV-HD GURU Exclusive. Архивировано из первоисточника 3 марта 2012.
  4. Fujifilm Super CCD EXR.(недоступная ссылка — история)
  5. The Sony A550 with Auto HDR. Архивировано из первоисточника 3 марта 2012.
  6. Ricoh CX-1. Архивировано из первоисточника 3 марта 2012.
  7. Pentax K-7.(недоступная ссылка — история)

Ссылки

  • Определения основных понятий:
    • БСЭ, статья «фотографическая широта»
    • Горохов П. К. «Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины» — М.: Рус. яз., 1993
    • Юрий Сидоренко. HDR: культура, теория и немного практики. ITC.ua (28 октября 2010). Архивировано из первоисточника 3 марта 2012. Проверено 18 декабря 2010.


Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Нужна курсовая?

Полезное


Смотреть что такое "High Dynamic Range Imaging" в других словарях:

  • High Dynamic Range Imaging — Ein High Dynamic Range Image (HDRI, „Bild mit hohem Dynamikumfang“) oder HDR Bild ist ein digitales Bild, das die in der Natur vorkommenden großen Helligkeitsunterschiede detailgetreu speichern kann. Herkömmliche digitale Bilder, die dazu nicht… …   Deutsch Wikipedia

  • High dynamic range imaging — In image processing, computer graphics, and photography, high dynamic range imaging (HDRI) is a set of techniques that allows a greater dynamic range of exposures (the range of values between light and dark areas) than normal digital imaging… …   Wikipedia

  • High dynamic range imaging — Imagerie à grande gamme dynamique Pour les articles homonymes, voir HDR. Photo réalisée à partir d une image à grande gamme dynamique après Tone Mapping L imagerie à g …   Wikipédia en Français

  • High dynamic range — (or HDR for short) is a term generally used for media applications such as digital imaging and digital audio production. It is a feature that is capable of producing a much higher dynamic range than what is widely available at the… …   Wikipedia

  • High Dynamic Range Rendering — (HDRR) bezeichnet in der Computergrafik die Bildsynthese („Rendering“) unter Berücksichtigung der in der Natur vorkommenden großen Helligkeitsschwankungen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen 256 Helligkeitsabstufungen pro Farbkanal werden beim… …   Deutsch Wikipedia

  • High Dynamic Range — Ein High Dynamic Range Image (HDRI, „Bild mit hohem Dynamikumfang“) oder HDR Bild ist ein digitales Bild, das die in der Natur vorkommenden großen Helligkeitsunterschiede detailgetreu speichern kann. Herkömmliche digitale Bilder, die dazu nicht… …   Deutsch Wikipedia

  • High Dynamic Range Image — Ein High Dynamic Range Image (HDRI, HDR Bild, „Bild mit hohem Dynamikumfang“) oder Hochkontrastbild ist ein digitales Bild, das die in der Natur vorkommenden großen Helligkeitsunterschiede detailreich speichern kann. Herkömmliche digitale Bilder …   Deutsch Wikipedia

  • High dynamic range rendering — A comparison of the standard fixed aperture rendering (left) with the HDR rendering (right) in the video game Half Life 2: Lost Coast In 3D computer graphics, high dynamic range rendering (HDRR or HDR rendering), also known as high dynamic range… …   Wikipedia

  • High dynamic range — Ejemplo de fotografía HDR con mapa de tonos. HDR del municipio de …   Wikipedia Español

  • High dynamic range imaging — …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»