Die Kunst der Kontrastbewältigung

Transkript

1 Die Kunst der Kontrastbewältigung Vom Abwedeln zur HDR-Bildtechnik Prof. Dr. Gregor Fischer Fachhochschule Köln Institut für Medien- und Phototechnik DGPh Workshop Werkzeuge für neue Bildwelten 2009

2 Herausforderung Szene Reproduktion

3 Herausforderung Szene Reproduktion

4 Herausforderung HDR: High Dynamic Range Szene Reproduktion

5 Überblick Einleitung Dynamikumfang und Dynamikbegrenzung Kontrastmanagement Photographische Verfahren Digitale Verfahren Fazit

6 Dynamikumfang Definition: Der Dynamikumfang ist das Verhältnis von größtem zu kleinstem Wert einer detektierbaren physikalischen Größe Bildtechnik: Verhältnis von Helligkeiten Physikalische meßbare Größe: Leuchtdichte L [cd/m 2 ] Dynamik- oder Kontrastumfang: DR = L max / L min Angabe des Dynamikumfangs: als Verhältnis, z.b. 1000:1 in Blendenstufen (logarithmisch zur Basis 2), z.b. log 2 ( 1000) = 10 Blenden in optischen Dichten (logarithmisch zur Basis 10), z.b. log 10 ( 1000) = 3 Dichten

7 Dynamikumfang Definition: Der Dynamikumfang ist das Verhältnis von größtem zu kleinstem Wert einer detektierbaren physikalischen Größe Bildtechnik: Verhältnis von Helligkeiten Physikalische meßbare Größe: Leuchtdichte L [cd/m 2 ] Dynamik- oder Kontrastumfang: DR = L max / L min Angabe des Dynamikumfangs: als Verhältnis, z.b. 1000:1 in Blendenstufen (logarithmisch zur Basis 2), z.b. log 2 ( 1000) = 10 Blenden in optischen Dichten (logarithmisch zur Basis 10), z.b. log 10 ( 1000) = 3 Dichten

8 Kontrastumfang einer Szene L-Messungen in der Szene: L max = cd/m 2 L min = 3 cd/m 2

9 Kontrastumfang einer Szene L-Messungen in der Szene: L max = cd/m 2 L min = 3 cd/m 2 Kontrastumfang: L max /L min = : 1 log 2 ( 7.333) = 12,8 Blendenstufen log 10 ( 7.333) = 3,87 Dichten

10 Dynamikumfang Aufnahmesystem Belichtungsumfang Begrenzung durch Unter- und Übersteuerung:

11 Dynamikumfang Aufnahmesystem Belichtungsumfang Begrenzung durch Unter- und Übersteuerung: Belichtungsumfang (Exposure Latitude): EL = log 10 ( H max / H min ) [Dichten]

12 Dynamikumfang Aufnahmesystem Belichtungsumfang Begrenzung durch Unter- und Übersteuerung: Anpassung des Sensors an die Helligkeit der Szene durch Belichtungszeit T und Blende

16 Dynamikumfang Aufnahmesystem Belichtungsumfang Begrenzung durch Unter- und Übersteuerung: Unter- und/oder Übersteuerung bei hochdynamischen Motiven

17 Dynamikbegrenzung bei der Aufnahme Begrenzung durch Unter- und Übersteuerung: Unter- und/oder Übersteuerung bei hochdynamischen Motiven

18 Dynamikbegrenzung bei der Aufnahme Begrenzung durch Unter- und Übersteuerung: Belichtung auf die Schatten

19 Dynamikbegrenzung bei der Aufnahme Beispiel digitale Kamera, JPEG Modus, Belichtung auf die Schatten:

20 Dynamikbegrenzung bei der Aufnahme Begrenzung durch Unter- und Übersteuerung: Belichtung auf die Lichter

21 Dynamikbegrenzung bei der Aufnahme Beispiel digitale Kamera, JPEG Modus, Belichtung auf die Lichter:

22 Dynamikbegrenzung bei der Aufnahme Beispiel digitale Kamera, Raw Modus, Belichtung auf die Lichter, nachträgliche Belichtungskorrektur:

23 Signaleigenschaften CCD/CMOS

24 Signaleigenschaften CCD/CMOS

25 Signaleigenschaften CCD/CMOS Elektronikrauschen überdeckt das Nutzsignal unterhalb H min

26 Signaleigenschaften CCD/CMOS Elektronikrauschen überdeckt das Nutzsignal unterhalb H min und begrenzt den Belichtungsumfang der Sensorik

27 Signaleigenschaften Negativfilm D D max D min lg H min EL lg H max lg H Differenzierte Bildaufzeichnung zwischen Schleier und Maximaldichte

28 Dynamikumfang Wiedergabesystem Kontrastumfang Begrenzung durch Weißwert und Schwarzwert Monitor / Beamer: DR = L weiß / L schwarz

29 Dynamikumfang Wiedergabesystem Kontrastumfang Begrenzung durch Weißwert (L weiß ) und Schwarzwert (L schwarz ) Monitor / Beamer: DR = L weiß / L schwarz Beispiel Dynamikumfang 500:1

33 Dynamikumfang (Quellen: vgl. Reinhard, HDR Imaging; Medium Realität bei direkter Sonneneinstrahlung Menschliches Auge (adaptiert) HDR- Bilder CN Filmmaterial Digitalkamera (Raw) Bildschirm Photoprint (glänzend) Dynamikumfang Bis ca : :1 >8.000: :1 Bis 4.000:1 Bis 1000:1 200:1

34 Dynamikumfang (Quellen: vgl. Reinhard, HDR Imaging; Medium Realität bei direkter Sonneneinstrahlung Menschliches Auge (adaptiert) HDR- Bilder CN Filmmaterial Digitalkamera (Raw) Bildschirm Photoprint (glänzend) Dynamikumfang Bis ca : :1 >8.000: :1 Bis 4.000:1 Bis 1000:1 200:1

35 Kontrastmanagement: Darstellung hochdynamischer Vorlagen Aufnahme Dynamikkompression Wiedergabe

36 Lösungsstrategien Zonensystem (SW) Multigradationspapier (SW) Maskierung (Dia, CN) Abwedeln / Nachbelichten (SW, CN) Unscharfe Maskierung (Analog + Digital) HDR Imaging / Tone Mapping (Digital)

37 Analoge SW-Photographie Mehrstufiges Negativ-Positiv-Verfahren: Aufnahme Dunkelkammer Filmbelichtung Filmentwicklung Papierbelichtung Papierentwicklung Negativfilm zeichnet linear und hochdynamisch auf Negativvorlage ist Zwischenbild und Szene für das Positivpapier, Vorgehensweise: Anpassung des Negativkontrasts an den Belichtungsumfang des Photopapiers (Gradationsanpassung)

38 Analoge SW-Photographie Idee: Verflachung der Negativ-Gradation durch reduzierte Filmentwicklung (Verkürzung der Entwicklungszeit) T=12 min Normal N T=9 min N-1 T=6 min N-2

39 Analoge SW-Photographie Ergebnis Normalentwicklung: Negativ Positiv

40 Analoge SW-Photographie Ergebnis reduzierte Entwicklung N-1: Negativ Positiv

41 Analoge SW-Photographie Ergebnis reduzierte Entwicklung N-2: Negativ Positiv Zonensystem!

42 Analoge SW-Photographie Multigradationspapier: Negativ Grad 0 Grad 2 Grad 4 Steuerung durch die Filterung des Kopierlichts

43 Analoge SW-Photographie Abwedeln / Nachbelichten: Negativ = Kopierlicht Positiv

44 Analoge SW-Photographie Abwedeln / Nachbelichten: Negativ = Kopierlicht Positiv

45 Farbe? Original Lichter Schatten

46 Papiergradation Original Flacheres Papier Durchzeichnung von Lichtern und Schatten, aber: Verlust an Farbsättigung!

47 Maskierung D Film D Mask + -lg( H Papier ) =

48 Maskierung Original Maskiert Durchzeichnung von Lichtern und Schatten, aber: Verlust an Detailzeichnung!

49 Unscharfe Maskierung D Film D Mask + -lg( H Papier ) =

50 Unscharfe Maskierung Scharfe Maskierung Original Unscharfe Maskierung

51 Unscharfe Maskierung Original Unscharf maskiert Durchzeichnung von Lichtern und Schatten ohne Detailverluste!

52 Vergleich scharfe <-> unscharfe Maskierung Scharf maskiert Unscharf maskiert

53 UM Artefakte (Halo-Effekt)

54 UM Artefakte (Halo-Effekt)

55 UM Halo-Unterdrückung ohne AH Halo- Detektor mit AH

56 Agfa s Area Contrast vorher nachher

57 Lösungsstrategien Zonensystem (SW) Multigradationspapier (SW) Maskierung (Dia, CN) Abwedeln / Nachbelichten (SW, CN) Unscharfe Maskierung (Analog + Digital) HDR Imaging / Tone Mapping (Digital)

58 Visuelle Erscheinungen Quelle: Adelson

67 Visuelles Modell Charakteristische Kurve der Photorezeptoren: R R max = I n n I n + σ Quelle: Reinhard Belichtungsumfang ca :1

68 Visuelles Modell Charakteristische Kurve der Photorezeptoren: Adaptation R R max = I n n I n + σ Belichtungsumfang ca :1 σ Quelle: Reinhard

69 Visuelles Modell Graue Kurve: Anregung des Photorezeptors bei der Adaptationsleuchtdichte (I b ) Quelle: Reinhard I b Durch lokale Adaptation Belichtungsumfang von ca :1 Niederfrequente Helligkeitsunterschiede werden ausgeglichen, hochfrequente Helligkeitssprünge bleiben erhalten

70 Photoreceptor Model Lokale Adaptation durch Unscharfe Maskierung (unterer Zweig) Begrenzungsverhalten durch Augengradation

71 Photoreceptor Model vs. UM Photoreceptor: Unscharfe Maskierung: Einziger struktureller Unterschied: TP vor/hinter Logarithmierung

72 Photoreceptor Model vs. UM PRM UM

76 Tone Mapping Beamerprojektion 400:1 10:1 10:1, Tone Map

77 Fazit Die Photographie hat Techniken zur Verarbeitung nicht darstellbarer Dynamik der Szene entwickelt. Ziel dabei: einfach nur schöne Bilder! Die Bildwissenschaft versucht, visuelle Erscheinungen zu klären und zu modellieren. Stichworte: Color Appearance, Image Appearance Beide sind im Ergebnis auf sehr ähnliche Verarbeitungsstrukturen gekommen, die zu vergleichbaren Bildergebnissen führen. Aktuelle Entwicklungen: Fuji Super CCD, Sony CMOS: Dynamik > 4000:1 Tone Mapping Funktionen teilweise integriert: Nikon: D-Lighting, Sony: D-Range

78 Fazit Die Photographie hat Techniken zur Verarbeitung nicht darstellbarer Dynamik der Szene entwickelt. Ziel dabei: einfach nur schöne Bilder! Die Bildwissenschaft versucht, visuelle Erscheinungen zu klären und zu modellieren. Stichworte: Color Appearance, Image Appearance Beide sind im Ergebnis auf sehr ähnliche Verarbeitungsstrukturen gekommen, die zu vergleichbaren Bildergebnissen führen. Aktuelle Entwicklungen: Fuji Super CCD, Sony CMOS: Dynamik > 4000:1 Tone Mapping Funktionen teilweise integriert: Nikon: D-Lighting, Sony: D-Range

79 Vielen Dank! Bilder: Ramona Haas, Uta Werbe, Mika Menke, Rudi Schmidt

80 Tone Mapping Beamerprojektion 400:1 10:1 10:1, Tone Map