Korkean dynaamisen alueen kuvantaminen- High-dynamic-range imaging

Sävykartoitettu HDR-kuva St.Kentigernin kirkosta Blackpoolissa , Lancashire, Englanti

In valokuvauksen ja videokuvaukseen , HDR tai HDR on joukko käytettyjä tekniikoita jäljentää laajempi valikoima kirkkaus kuin mikä on mahdollista tavanomaisilla valokuvausta. Vakiotekniikat mahdollistavat erottamisen vain tietyn kirkkausalueen sisällä. Tämän alueen ulkopuolella ominaisuuksia ei näy, koska kirkkaammilla alueilla kaikki näyttää puhtaalta valkoiselta ja puhtaalta mustalta tummemmilla alueilla. Kuvan tonaaliarvon enimmäis- ja minimi -suhdetta kutsutaan dynaamiseksi alueeksi . HDR on hyödyllinen monien tosielämän kohtausten tallentamiseen, jotka sisältävät erittäin kirkasta, suoraa auringonvaloa äärimmäiseen varjoon tai erittäin heikkoja sumuja . Korkean dynaamisen kantaman (HDR) kuvia usein luonut syömällä ja sitten yhdistämällä useita erilaisia, suppeampi, vastuut ja samasta aiheesta.

Kaksi ensisijaista HDR-kuvien tyyppiä ovat tietokoneen renderöinnit ja kuvat, jotka syntyvät useiden matalan dynaamisen alueen (LDR) tai tavallisen dynaamisen alueen (SDR) valokuvien yhdistämisestä. HDR -kuvia voidaan myös hankkia käyttämällä erityisiä kuva -antureita , kuten ylinäytteistettyä binääristä kuvakennoa . Tulostuksen ja näytön kontrastin rajoitusten vuoksi syötettyjen HDR -kuvien kirkkausalue on pakattava näkyviin. Menetelmää HDR -kuvan renderöimiseksi tavalliselle näytölle tai tulostuslaitteelle kutsutaan sävykartoitukseksi . Tämä menetelmä vähentää HDR -kuvan kokonaiskontrastia helpottaakseen näyttöä laitteilla tai tulosteilla, joilla on pienempi dynaaminen alue, ja sitä voidaan käyttää tuottamaan kuvia, joissa on säilynyt paikallinen kontrasti (tai liioiteltu taiteellisen vaikutuksen vuoksi).

"HDR" voi viitata koko prosessiin, HDR-kuvantamisprosessiin tai HDR-kuvantamiseen, joka esitetään matalan dynaamisen alueen näytöllä, kuten näytöllä tai tavallisella .jpg-kuvalla.

Ihmisen näköjärjestelmän jäljitteleminen

Yksi HDR: n tavoite on esittää samanlainen kirkkausalue kuin ihmisen visuaalisen järjestelmän kautta . Ihmisen silmä, kautta ei-lineaarinen vaste, mukauttaminen on iiris , ja muita menetelmiä, sopeutuu jatkuvasti laajan luminanssi läsnä ympäristössä. Aivot tulkitsevat jatkuvasti näitä tietoja niin, että katsoja voi nähdä monenlaisissa valo -olosuhteissa.

Normaalit valokuvaus- ja kuvatekniikat mahdollistavat erottamisen vain tietyn kirkkausalueen sisällä. Tämän alueen ulkopuolella mitään ominaisuuksia ei ole näkyvissä, koska kirkkailla alueilla ei ole eroa, koska kaikki näyttää puhtaalta valkoiselta, eikä tummilla alueilla ole eroa, koska kaikki näyttää puhtaalta mustalta. Muut kuin HDR-kamerat ottavat valokuvia rajallisella valotusalueella, jota kutsutaan pieneksi dynaamiseksi alueeksi (LDR), mikä johtaa yksityiskohtien menettämiseen kohokohdissa tai varjoissa .

Valokuvaus

Valokuvauksessa dynaaminen alue mitataan valotusarvojen (EV) eroina, joita kutsutaan pysähdyksiksi . Yhden EV: n tai yhden pysäytyksen lisäys tarkoittaa valon määrän kaksinkertaistumista. Päinvastoin, yhden EV: n lasku tarkoittaa valon määrän puolittumista. Siksi yksityiskohtien paljastaminen pimeimmissä varjoissa vaatii suuria valotuksia , kun taas yksityiskohtien säilyttäminen erittäin kirkkaissa tilanteissa edellyttää erittäin pieniä valotuksia. Useimmat kamerat eivät pysty tarjoamaan tätä valotusarvoa yhden valotuksen sisällä, koska niiden dynaaminen alue on pieni. Korkean dynaamisen alueen valokuvat saavutetaan yleensä ottamalla useita vakiovalotuskuvia, usein käyttämällä valotushaarukointia , ja yhdistämällä ne myöhemmin yhdeksi HDR-kuvaksi, yleensä valokuvankäsittelyohjelmassa .

Kaikki kamerat, jotka mahdollistavat manuaalisen valotuksen hallinnan, voivat tehdä kuvia HDR -työskentelyä varten, vaikka automaattisella valotuksen haarukoinnilla (AEB) varustettu kamera sopii paljon paremmin. Filmikameroiden kuvat ovat vähemmän sopivia, koska ne on usein ensin digitoitava, jotta ne voidaan myöhemmin käsitellä ohjelmisto -HDR -menetelmillä.

Useimmissa kuvantamislaitteissa aktiiviseen elementtiin (olipa se filmi tai CCD ) kohdistuva valolle altistumisastetta voidaan muuttaa kahdella tavalla: joko lisäämällä/pienentämällä aukon kokoa tai lisäämällä/vähentämällä jokainen altistus. Valotuksen vaihtelu HDR -sarjassa tehdään vain muuttamalla valotusaikaa eikä aukon kokoa; tämä johtuu siitä, että aukon koon muuttaminen vaikuttaa myös syväterävyyteen, joten tuloksena olevat useat kuvat olisivat aivan erilaisia, mikä estää niiden lopullisen yhdistämisen yhdeksi HDR -kuvaksi.

Tärkeä rajoitus HDR -valokuvaukselle on, että mikä tahansa liike peräkkäisten kuvien välillä estää tai estää onnistumisen yhdistää niitä myöhemmin. Lisäksi koska on luotava useita kuvia (usein kolme tai viisi ja joskus enemmän) halutun kirkkausalueen saavuttamiseksi , tällainen koko kuvasarja vie lisäaikaa. HDR -valokuvaajat ovat kehittäneet laskentamenetelmiä ja -tekniikoita osittain näiden ongelmien ratkaisemiseksi, mutta ainakin tukevan jalustan käyttöä suositellaan.

Joissakin kameroissa on automaattisen valotuksen haarukointi (AEB), jonka dynaaminen alue on paljon suurempi kuin muissa, 0,6: sta pienimmästä päästä 18 EV: hen huippuluokan ammattikameroissa vuodesta 2020 lähtien. Tämän kuvantamismenetelmän suosion kasvaessa useat kamerat Valmistajat tarjoavat nyt sisäänrakennettuja HDR-ominaisuuksia. Esimerkiksi Pentax K-7 DSLR: ssä on HDR-tila, joka ottaa HDR-kuvan ja lähettää (vain) sävykartoitetun JPEG-tiedoston. Canon PowerShot G12 , PowerShot S95 , ja Canon PowerShot S100 tarjoavat samankaltaisia piirteitä pienemmässä muodossa. Nikonin lähestymistapaa kutsutaan aktiiviseksi D-Lightingiksi, joka soveltaa valotuksen kompensointia ja sävykartoitusta kuvaan sellaisena kuin se tulee anturista painottaen realistisen vaikutelman luomista. Jotkut älypuhelimet tarjoavat HDR -tiloja, ja useimmissa mobiilialustoissa on sovelluksia, jotka tarjoavat HDR -kuvan ottamista.

Kameran ominaisuudet, kuten gamma-käyrät , kennon resoluutio, kohina, fotometrinen kalibrointi ja värin kalibrointi, vaikuttavat tuloksena oleviin korkean dynaamisen alueen kuviin.

Värikalvojen negatiivit ja diat koostuvat useista kalvokerroksista, jotka reagoivat eri tavalla valoon. Alkuperäisellä kalvolla (erityisesti negatiivilla verrattuna kalvoihin tai dioihin) on erittäin korkea dynaaminen alue (luokkaa 8 negatiiville ja 4-4,5 dioille).

Sävykartoitus

Sävykartoitus pienentää koko kuvan dynaamista aluetta tai kontrastisuhdetta säilyttäen samalla paikallisen kontrastin. Vaikka se on erillinen toimenpide, sama ohjelmistopaketti soveltaa usein äänikartoitusta HDRI -tiedostoihin.

PC-, Mac- ja Linux -alustoille on saatavana useita ohjelmistosovelluksia HDR -tiedostojen ja sävykartoitettujen kuvien tuottamiseen. Merkittäviä nimikkeitä ovat:

Vertailu perinteisiin digitaalisiin kuviin

Korkean dynaamisen alueen kuviin tallennetut tiedot vastaavat tyypillisesti todellisuudessa havaittavia valoisuuden tai säteilyn fyysisiä arvoja . Tämä eroaa perinteisistä digitaalisista kuvista , jotka edustavat värejä sellaisina kuin niiden pitäisi näkyä näytöllä tai paperilla. Siksi HDR-kuvamuotoja kutsutaan usein kohtausviittauksiksi , toisin kuin perinteiset digitaaliset kuvat, jotka ovat laite- tai lähtöviittauksia . Lisäksi perinteiset kuvat on yleensä koodattu ihmisen visuaaliseen järjestelmään (maksimoimalla kiinteään bittimäärään tallennetut visuaaliset tiedot), jota yleensä kutsutaan gammakoodaukseksi tai gammakorjaukseksi . HDR-kuville tallennetut arvot ovat usein gammapakattuja ( teholaki ) tai logaritmisesti koodattuja tai liukulukuisia lineaarisia arvoja, koska kiinteän pisteen lineaariset koodaukset ovat yhä tehottomia korkeammilla dynaamisilla alueilla.

HDR-kuvien eivät usein käytä kinteät per väri kanava -muut kuin perinteiset kuvien-edustamaan paljon enemmän värejä paljon laajemmalla dynaamisella alueella (useita kanavia). Tätä tarkoitusta varten he eivät käytä kokonaislukuarvoja yksittäisten värikanavien esittämiseen (esim. 0–255 8 -bittisellä pikselivälillä punaisille, vihreille ja sinisille), vaan käyttävät liukulukuesitystä. Yleisiä ovat 16-bittiset ( puolet tarkkuudella ) tai 32-bittiset liukulukut, jotka edustavat HDR-pikseliä. Kuitenkin, kun käytetään asianmukaista siirtotoimintoa , joidenkin sovellusten HDR -pikselit voidaan esittää värisyvyydellä, joka on vain 10–12 bittiä luminanssille ja 8 bittiä värikylläisyydelle ilman mitään näkyviä kvantisointituotteita.

Videokuvaus

HDR -sieppaustekniikkaa voidaan käyttää myös videoihin ottamalla useita kuvia jokaiselle videokehykselle ja yhdistämällä ne. Qualcomm viittaa siihen käyttämällä termiä "Computationnal HDR video capture". Vuonna 2020 Qualcomm julkisti Snapdragon 888: n, joka pystyy tallentamaan laskennallista HDR -videokuvausta 4K -muodossa ja HDR -muodossa. Xiaomi Mi 11 Ultra pystyy myös tekemään laskennallisen HDR -videokuvauksen.

HDR -valokuvauksen historia

1800 -luvun puoliväli

Gustave Le Grayn kuva vuodelta 1856

Ajatus useiden valotusten käyttämisestä riittävän äärimmäisen kirkkausalueen toistamiseksi aloitti jo 1850-luvulla Gustave Le Gray tehdäkseen merimaisemat, joissa näkyy sekä taivas että meri. Tällainen renderöinti oli tuolloin mahdotonta tavanomaisilla menetelmillä, koska kirkkausalue oli liian äärimmäinen. Le Grey käytti yhtä negatiivia taivasta varten ja toista, jolla oli pidempi valotus merelle, ja yhdisti nämä kaksi kuvaan positiivisesti.

1900 -luvun puoliväli

Ulkoinen kuva
Schweitzer lampussa , W. Eugene Smith

Manuaalinen sävykartoitus tehtiin väistämällä ja polttamalla  - lisäämällä tai vähentämällä valikoivasti valokuvan alueiden valotusta, jotta sävytoisto olisi parempi. Tämä oli tehokasta, koska negatiivin dynamiikka -alue on merkittävästi suurempi kuin valmiin positiivisen paperin tulostuksessa, kun se valotetaan negatiivin kautta tasaisesti. Erinomainen esimerkki on valokuva Schweitzer Lampun mukaan W. Eugene Smith , hänen 1954 Kuva essee mies Mercy on Albert Schweitzer ja hänen humanitaarista toimintaa Ranskan päiväntasaajan Afrikka. Kuva kesti viisi päivää, jotta se toisti kohtauksen sävyalueen, joka vaihtelee kirkkaasta lampusta (suhteessa kohtaukseen) tummaan varjoon.

Ansel Adams kohotti väistymisen ja polttamisen taidemuotoon. Monet hänen kuuluisista tulosteistaan ​​manipuloitiin pimeässä huoneessa näillä kahdella menetelmällä. Adams kirjoitti kattavan kirjan tuottamaan tulosteita nimeltään Print , joka näkyvästi ominaisuuksia varjostusta ja yhteydessä hänen alueen systeemin .

Värivalokuvauksen myötä sävykartoitus pimeässä huoneessa ei enää ollut mahdollista, koska värikalvon kehittämisprosessin aikana tarvittiin erityinen ajoitus. Valokuvaajat odottivat elokuvanvalmistajilta suunnittelevansa uusia filmikantoja, joilla oli parempi vaste, tai jatkoivat kuvaamista mustavalkoisesti sävykartoitustapojen avulla.

Wyckoffin laajennetun valotuskalvon valotus/tiheysominaisuudet

Charles Wyckoff ja EG&G ovat kehittäneet värikalvon, joka pystyy suoraan tallentamaan suuren dynaamisen alueen kuvia, "sopimuksen ilmavoimien osaston kanssa ". Tässä XR -kalvossa oli kolme emulsiokerrosta , ylempi kerros, jonka ASA -nopeusluokitus oli 400, keskikerros väliarvolla ja alempi kerros, jonka ASA -luokitus oli 0,004. Kalvo käsiteltiin samalla tavalla kuin värikalvot , ja jokainen kerros tuotti eri värin. Tämän laajennetun kalvon dynaamisen alueen on arvioitu olevan 1:10 ⁸ . Sitä on käytetty ydinräjähdysten kuvaamiseen, tähtitieteelliseen valokuvaukseen, spektrografiseen tutkimukseen ja lääketieteelliseen kuvantamiseen. Wyckoffin yksityiskohtaiset kuvat ydinräjähdyksistä ilmestyivät Life- lehden kannessa 1950-luvun puolivälissä.

1900 -luvun loppu

Georges Cornuéjols ja hänen patenttiensa lisenssinhaltijat (Brdi, Hymatom) esittelivät HDR -videokuvan periaatteen vuonna 1986 asettamalla matriisi -LCD -näytön kameran kuva -anturin eteen ja lisäämällä antureiden dynaamisuutta viidellä askeleella.

Naapuruston sävykartoituksen käsite sovellettiin videokameroihin vuonna 1988 Israelin Technionin ryhmän johdolla Oliver Hilsenrathin ja Yehoshua Y. Zeevin kanssa. Technionin tutkijat hakevat patenttia tähän konseptiin vuonna 1991 ja useita siihen liittyviä patentteja vuosina 1992 ja 1993.

Helmikuussa ja huhtikuussa 1990 Georges Cornuéjols esitteli ensimmäisen reaaliaikaisen HDR-kameran, joka yhdisti kaksi kuvaa, jotka on otettu anturilla tai samanaikaisesti kahdella kameran anturilla. Tämä prosessi tunnetaan haarukointina, jota käytetään videovirrassa.

Vuonna 1991 esiteltiin ensimmäinen kaupallinen videokamera, joka otti reaaliaikaista useiden kuvien ottamista eri valotuksilla ja tuotti HDR-videokuvan Georges Cornuéjolsin lisenssinsaaja Hymatomilta.

Myös vuonna 1991 Georges Cornuéjols esitteli HDR+ -kuvaperiaatteen keräämällä kuvia epälineaarisesti kameran herkkyyden lisäämiseksi: hämärässä ympäristössä kerätään useita peräkkäisiä kuvia, mikä lisää signaalin ja kohinan suhdetta.

Vuonna 1993 toinen kaupallinen lääketieteellinen kamera, joka tuottaa HDR -videokuvan, Technion.

Nykyaikainen HDR-kuvantaminen käyttää täysin erilaista lähestymistapaa, joka perustuu korkean dynaamisen alueen luminanssi- tai valokartan luomiseen käyttäen vain globaaleja kuvaoperaatioita (koko kuvaan) ja sitten sävyn kartoittamiseen . Global HDR otettiin ensimmäisen kerran käyttöön vuonna 1993, minkä tuloksena Steve Mann ja Rosalind Picard julkaisivat matemaattisen teorian samasta aiheesta eri tavalla valotetuista kuvista .

28. lokakuuta, 1998 Ben Sarao luonut yksi ensimmäisistä yöllä HDR + G (High Dynamic Range + kuvia) ja STS-95 on laukaisualusta on NASA : n Kennedy Space Centerissä . Se koostui neljästä elokuvakuvasta yön avaruussukkulaa , jotka oli digitaalisesti yhdistetty digitaalisilla graafisilla lisäelementteillä. Kuva esiteltiin ensimmäisen kerran NASAn päämajan suuressa salissa Washington DC: ssä vuonna 1999 ja julkaistiin sitten Hasselblad Forumissa .

Kuluttajille suunnattujen digitaalikameroiden tulo tuotti uuden tarpeen HDR -kuvantamiselle parantaakseen digitaalikamera -antureiden valovastetta, sillä niiden dynaaminen alue oli paljon pienempi kuin elokuvilla. Steve Mann kehitti ja patentoi maailmanlaajuisen HDR-menetelmän digitaalisten kuvien tuottamiseksi, joilla on laajennettu dynaaminen alue MIT Media Labissa . Mannin menetelmä käsitti kaksivaiheisen menettelyn: Luo ensin yksi liukulukukuvaryhmä pelkästään globaaleilla kuvaoperaatioilla (toiminnot, jotka vaikuttavat kaikkiin pikseleihin samalla tavalla ottamatta huomioon niiden paikallisia alueita). Toiseksi, muunna tämä kuvaryhmä paikallista naapuruusprosessointia (sävyjen uudelleenmäärittelyä jne.) Käyttäen HDR-kuvaksi. Mannin prosessin ensimmäisen vaiheen tuottamaa kuvaryhmää kutsutaan valotilakuvaksi , valotilaa kuvaksi tai säteilykarttaksi . Toinen globaalin HDR-kuvantamisen etu on, että se tarjoaa pääsyn välivalon tai säteilyn karttaan, jota on käytetty tietokoneen näkemiseen ja muihin kuvankäsittelytoimintoihin .

21. vuosisata

Helmikuussa 2001 esiteltiin Dynamic Ranger -tekniikka, jossa käytettiin useita valokuvia eri valotustasoilla suuren dynaamisen alueen saavuttamiseksi, joka on samanlainen kuin paljaalla silmällä.

Vuonna 2005 Adobe Systems esitteli useita uusia ominaisuuksia Photoshop CS2: ssa, mukaan lukien Yhdistä HDR: ään , 32 -bittinen liukulukukuvien tuki ja HDR -sävykartoitus.

30. kesäkuuta 2016 Microsoftin lisätty tuki digitaalisen yhdistelytoiminnot HDR kuvia Windows 10 käyttämällä Universal Windows-ympäristössä .

Esimerkkejä

HDR -käsittely

Tämä on esimerkki neljästä vakiodynamiikka -kuvasta, jotka yhdistetään kolmen sävykartoitetun kuvan tuottamiseksi:

Valotetut kuvat

• 

  - 4 pysäkkiä

• 

  - 2 pysäkkiä

• 

  +2 pysäkkiä

• 

  +4 pysähdystä

Tulokset käsittelyn jälkeen

• 

  Yksinkertainen kontrastin vähentäminen

• 

  Paikallinen sävykartoitus

• 

  Luonnollinen sävykartoitus

Tämä on esimerkki kohtauksesta, jolla on erittäin laaja dynaaminen alue:

Valotetut kuvat

• 

  - 6 pysäkkiä

• 

  - 5 pysäkkiä

• 

  - 4 pysäkkiä

• 

  - 3 pysäkkiä

• 

  - 2 pysäkkiä

• 

  - 1 pysäkki

• 

  00 pysäkkiä

• 

  +1 pysäkkiä

• 

  +2 pysäkkiä

• 

  +3 pysähdystä

• 

  +4 pysähdystä

• 

  +5 pysäkkiä

Tulokset käsittelyn jälkeen

• 

  Luonnollinen sävykartoitus

Useiden valotusten poikkeavuudet

Tämä älypuhelimen ottama kuva hyötyi HDR: stä paljastamalla sekä varjostetun ruohon että kirkkaan taivaan, mutta nopeasti liikkuva golfkeinu johti "haamukampaan".

Nopeasti liikkuva kohde (tai epävakaa kamera) johtaa "haamukuvaukseen" tai porrastettuun sumennukseen, jolloin yhdistetyt kuvat eivät ole identtisiä, mutta jokainen ottaa liikkuvan kohteen eri aikaan, asemansa muuttuessa. Äkilliset valaistusolosuhteiden muutokset (LED -valo) voivat myös häiritä haluttuja tuloksia tuottamalla yhden tai useamman HDR -kerroksen, joiden kirkkaus on automaattisen HDR -järjestelmän odotettua, vaikkakin pystytään silti tuottamaan kohtuullinen HDR -kuva manuaalisesti ohjelmistossa järjestämällä kuvakerrokset toisiinsa niiden todellisen kirkkauden mukaan.

HDR -anturit

Nykyaikaiset CMOS -kuvakennot voivat usein kaapata suuren dynaamisen alueen yhdestä valotuksesta. Otetun kuvan laaja dynaaminen alue pakataan epälineaarisesti pienemmäksi dynaamisen alueen elektroniseksi esitykseksi. Asianmukaisella käsittelyllä yksittäisen valotuksen tietoja voidaan kuitenkin käyttää HDR -kuvan luomiseen.

Tällaista HDR -kuvantamista käytetään äärimmäisissä dynaamisissa sovelluksissa, kuten hitsauksessa tai autoteollisuudessa. Turvakameroissa HDR: n sijasta käytetty termi on "laaja dynaaminen alue". Joidenkin antureiden epälineaarisuuden vuoksi kuvan artefaktit voivat olla yleisiä. Jotkut muut kamerat, jotka on suunniteltu käytettäväksi turvasovelluksissa, voivat automaattisesti tuottaa kaksi tai useampia kuvia jokaiselle kehykselle, ja valotus muuttuu. Esimerkiksi 30 kuvaa sekunnissa videota varten anturi antaa 60 kuvaa sekunnissa parittomilla kehyksillä lyhyellä valotusajalla ja parillisilla kuvilla pidemmällä valotusajalla. Jotkut nykyaikaisten puhelimien ja kameroiden antureista voivat jopa yhdistää kaksi kuvaa sirulle siten, että käyttäjä voi käyttää laajempaa dynaamista aluetta ilman pikselien sisäistä pakkausta näyttöä tai käsittelyä varten.

Katso myös

• Grafiikkatiedostomuotojen vertailu
• HDRi (datamuoto)
• Korkean dynaamisen alueen renderointi
• Korkean dynaamisen alueen video
• JPEG XT
• Logluv TIFF
• OpenEXR
• RGBE -kuvamuoto
• scRGB -väriavaruus
• Erittäin teräväpiirtotelevisio
• Laaja dynaaminen alue

Viitteet

Ulkoiset linkit

• Media, joka liittyy korkean dynaamisen alueen kuvantamiseen Wikimedia Commonsissa