Seminar. Echtzeit-Rendering SS HDR - High Dynamic Range. Marcel Häselich

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1 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

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Grundlagen HDR HDRI Wodurch unterscheiden sich HDR Bilder von normalen Bildern? Tonemapping Vor- und Nachteile von HDR Aufnahme und Verarbeitung Aufnahme HDR Kameras Exif Kamerakurve normale Digitalkameras Aufnahmen Bilderserie raw Verarbeitung Programme Liste Qtpfsgui Photomatix easyhdr

3 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 :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. 2

4 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. 2.4 Tonemapping Abb. 02: LDR-HDR Vergleich einer Katze [01:, Katze] 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 3

5 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, 4

6 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 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 bis Euro - je nach Equipment. Weitere namhafte Kameras sind die c-most von LEAF oder die Jenoptik eyelike MF, welche alle in der 5

7 gleiche Preisregion angesiedelt sind. Der Dynamikumfang der S1 Alpha liegt bei 2048:1 und kommt damit an den Dynamikumfang der Analogfotografie heran Exif Das Exif-Dateiformat zeichnet dieselben Informationen auf, die auch mit den PQI- Daten 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] 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 HDR- Bild 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 6

8 eine korrekte Positionierung der Einzelbilder sowie eine exakte Kamerakurve. Die Positionierung korrigieren fast alle Programme automatisch 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 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 7

9 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 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 8

10 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 9

11 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

12 Literatur [01:] Website, LDR-HDR Vergleich. [02:] Foto-Website. [03:] Website von qtpfsgui. [04:] Website von Photomatix. [05:] image file format. Wikipedia- Seite zum Exif-Dateiformat. [06:] Website von easyhdr. 11