HDRI как взгляд в будущее

Зрительная система человека — поистине уникальное творение. Человек способен различать предметы и в темноте, и при ярком солнечном свете, может разглядеть как самый крохотный объект — свет далекой звезды или прожилку на листке дерева, так и охватить взглядом что-то громадное — Эйфелеву башню или панораму раскинувшегося под ним города во всем многообразии цветов и оттенков. Тысячи ученых умов бьются над тем, чтобы создать рукотворный прибор, близкий по своим характеристикам человеческому глазу, но пока все их попытки создать «искусственное око» не увенчались успехом.

Чем плох фотоаппарат?

К сожалению, все продукты потребительской электроники, так или иначе связанные с восприятием или отображением картин окружающего нас мира, имеют массу изъянов.

Возьмем, к примеру, один из наиболее массовых продуктов — фотокамеру. Даже довольно неплохие модели (уж не говоря о мыльницах за $100-200) не в состоянии запечатлеть диапазон яркостей, которым богаты практически все объекты съемки. Попробуйте критически взглянуть на «шедевры», хранящиеся в фотоальбомах у вас дома, или те «восхитительные» снимки, которые приходится разглядывать в гостях у друзей, только что вернувшихся из заграничной поездки. Очень многие из снимков «радуют» глаз своими неприятными особенностями. На одной из фотографий небо, казавшееся во время съемки сказочно-красивым, полным самых небывалых оттенков, превратилось в полинявшую простыню, а пейзаж стал тоскливым и сероватым. На другой шикарное белое платье невесты, в котором она смотрелась настоящей королевой, теперь выглядит как аморфное светлое «облачко», а сама цветущая красавица превратилась в бледную и скучную особу.

Но это еще цветочки. Самый хрестоматийный случай, с которым наверняка приходилось сталкиваться каждому, — это дневная съемка в помещении, когда в кадр попадает не только часть комнаты, но и окно. Все фотографии, сделанные в таких условиях, получаются «однобокими» — хорошо будет виден либо интерьер (вместо окна — белое пятно), либо вид улицы (комната превратится в мешанину темных неразличимых деталей), и «подружить» их с наскока не удастся.

Динамический диапазон

Картинки, правильно снятые на негативную фотопленку, менее подвержены описанным выше изъянам. Зато на цифровых фотографиях, полученных при помощи любительских цифрокомпактов, подобные «чудеса» встречаются часто. Причина кроется в различном значении динамического диапазона пленки и сенсора (Dynamic Range).

Динамический диапазон (или фотографическая широта, как его еще называют)  это диапазон яркостей, которые одновременно могут быть зафиксированы на носителе (фотопленка, фотопластина, фотобумага) или на цифровой матрице фотокамеры.

Динамический диапазон (ДД) выражается обычно в логарифмических единицах: двоичных — «ступенях» (одна ступень — различие по яркости в два раза) или десятичных (обозначается как буква D за численным значением широты).

Устройство (носитель) Динамический диапазон Негативная фотопленка ~ 3.5D Слайд 1.5-2D Сенсор компактной камеры 2.0-2.5D Сенсор любительской зеркальной камеры 2.3-3.5D Сенсор профессиональной зеркальной камеры 3.5-4D

Как видно из таблицы, проблема узкого ДД решаема. Примером могут служить дорогие профессиональные камеры, которые уже обогнали по этому критерию обычную 35-миллиметровую пленку.

Вот только дальнейшее одновременное увеличение и разрешения, и динамического диапазона сенсоров, — задача нетривиальная. Конечно, когда-нибудь эту проблему решить удастся, но еще не сейчас. Однако довольствоваться относительно скудным спектром яркостей, которые предлагают современнее устройства, тоже не хочется. Как же быть?

Ночное фото

Кадр, снятый с выдержкой 1 сек. Самый темный снимок, с максимальным количеством деталей в светлых областях

Кадр, снятый с выдержкой 2 сек. «Усредненное» значение выдержки, и темные и светлые области прорисованы одинаково.

Кадр, снятый с выдержкой
8 сек. — Самая длинная выдержка, самый яркий снимок. Больше всего деталей — в темных областях

Результат слияния кадров — прорисованы все части снимка, яркие и насыщенные цвета. Такого результата в таких условиях, ни одна фотокамера просто так не выдаст

LDRI

Современные электронные устройства используют аддитивную систему цветов RGB (красный, зеленый, синий). Информация о каждом цветовом канале кодируется восьмью битами. Каждую точку изображения описывает 24-битное слово. Легко вычисляем общее количество цветов: 224 = 16 777 216. Округляем и получаем приблизительно 16,8 млн. Это максимальное число цветов, которое может отобразить техника. В то же время обычный человеческий глаз, который достается нам «за просто так» и не требует постоянного многотысячного апгрейда, распознает 108 цветов и оттенков единовременно. Это означает, что нынешняя модель цветопередачи способна отобразить только 17% (!) от видимой человеком гаммы.

Вдобавок к этому свои ограничения накладывает и оборудование, которое не всегда способно правильно отобразить даже эту небольшую часть оттенков, причем особенно остро эта проблема касается бюджетных жидкокристаллических экранов, которые стоят сейчас практически в каждом офисе.

Конечно же, в принципе нет особой необходимости в том, чтобы техника могла воспроизводить весь тот огромный набор цветов и яркостей, которые видит человеческий глаз: наверняка мало кто будет рад заполучить монитор, способный отображать слепящий свет полуденного солнца. Однако дать возможность корректно отображать хотя бы имеющийся минимум все же нужно. Особенно если вспомнить о том, что RGB-модель является аппаратно зависимой, т.е. яркость и цвет одного изображения могут сильно отличаться на разных мониторах (естественно, если они не откалиброваны).

Именно из-за небольшого числа отображаемых цветов и яркостей все изображения, описываемые с помощью традиционной аддитивной аппаратно зависимой RGB-модели, относятся к Low Dynamic Range Image (LDRI). Скорее всего, она устраивала бы нас и дальше, однако активное развитие 3D-графики, в которой используются расчеты динамики освещенности на основе реалистичных физических моделей, вынудило искать способы улучшения изображения.

HDRI

По аналогии с предыдущей аббревиатурой легко догадаться, что «HDRI» расшифровывается как «Hight Dynamic Range Image». Одним из основных идеологов этой многообещающей технологии является Пол Дебвек (Paul Debevec, ).

Главное отличие HDRI от привычной модели заключается в том, что цвет кодируется не целыми числами, как в RGB, а вещественными. Иными словами, в RGB каждый цвет — это набор из трех чисел от 0 до 255: белый — 255, 255, 255, черный — 0, 0, 0. Однако эти числа являются фиктивными, т.е. никак не соотносятся с реальными физическими величинами. В HDRI же яркость и цвет указываются в реальных физических величинах или в величинах, прямо пропорциональных настоящим. Кроме того, здесь возможно использовать вещественные числа (например, 16,3 или 8,54), что практически полностью стирает границы количества доступных для отображения цветов.

Это позволяет максимально детально описывать пространство, что особенно важно при работе с 3D-моделями, т.к. появляется возможность встраивать синтезированные объекты в фотореалистичный интерьер.

Для этой задачи разработаны специализированные алгоритмы, которые в значительной степени облегчают дизайнерский труд и позволяют «подружить» HDRI-изображения и виртуальный объект.

Уже существуют готовые библиотеки HDRI-изображений, созданием которых занимаются как любители, так и солидные разработчики. Ведь значительная часть современных фильмов уже не может обойтись без захватывающих спецэффектов. А раз есть спрос, то найдется и предложение.

Начинает появляться и техника, рассчитанная конкретно на технологию HDRI. Одна из ведущих компаний в этой области — фирма SpheronVR () — недавно выпустила камеру SpheroCam HDR, которая выдает на одном цифровом снимке полный сферический обзор из точки своего расположения. Мы сразу видим не только круговую панораму, но также то, что под ногами и над головой.

Дневное фото

Кадр, снятый с выдержкой 1/25 сек — Самая короткая выдержка, максимум деталей в светлых областях, см. на небо и дом. Зато кусты — очень темные

Кадр, снятый с выдержкой 1/13 сек. — Одинаково прорисованы и темные и светлые области

Кадр, снятый с выдержкой 1/4 сек — Неба практически нет, зато зеленые кусты прорисованы хорошо.

Результат сборки кадров. Результат на порядок лучше любого из исходных снимков

HDRI и традиционная фотография

Отдаленные «родственники» HDRI в фотографии — негативные пленки. Их динамический диапазон составляет свыше 1000:1 (больше 3D), в то время как предельно достижимый диапазон плотностей черно-белого отпечатка составляет от 1:50 до 1:60 (1,7-1,8D).

С приходом цифрового фото роль негатива стали выполнять RAW (сырые) файлы, в которых хранится информация, полученная непосредственно с сенсора. Как правило, это 12- или 14-битные данные. В соответствии с параметрами системы RGB, эти файлы несут в себе избыточную информацию, поэтому их приходится конвертировать в 8-битный формат. Естественно, часть информации при этом теряется, поэтому, чтобы не получить в результате обидно «пустой» кадр, внимательно относитесь к выбору RAW-конвертера.

Дальше всех в работе по расширению динамического диапазона фотоснимков продвинулась компания FujiFilm. Она разработала уникальные матрицы SuperCCD SR и SuperCCD SR Pro, которые состоят из микросенсоров двух типов: высокой (S) и низкой (R) чувствительности. Поэтому в итоге мы имеем по сути два изображения: одно — с лучше проработанными тенями, другое — с более детализированными светлыми участками. Их комбинация дает в результате тот прирост динамического диапазона, который не только сопоставим, но и превосходит показатели негативной фотопленки.

Интересный путь избрал тандем Pentax-Samsung. В своей новой зеркалке К10D (она же GX-10) они установили 22-разрядный АЦП. По заверению разработчиков, такое увеличение точности оцифровки сигнала также позволяет расширить ДД фотосенсора.

HDRI своими руками

Возникает вопрос: а что делать тем, у кого в распоряжении есть только самая обычная цифровая мыльница? Могут ли владельцы этого техношедевра получить HDRI-изображение? Отвечаем — да! HDRI-изображение можно получить на любой фотокамере — даже на той, в которой нет ручной настройки выдержки и диафрагмы.

Съемку и сшивку трехмерных HDRI сцен оставим профессионалам, сами же попробуем получить хотя бы единичный снимок с расширенным динамическим диапазоном.

Для этого понадобится фотокамера, штатив и компьютер с установленной программой AdobePhotoshop CS2. При желании можно скачать специализированные HDRI-редакторы с расширенными возможностями, такие как Photomatix Pro, HDR Shop (Пола Дебвека), PictureMan и другие.

Наиболее оптимальной для такой съемки является статическая сцена (пейзаж, натюрморт, интерьер). Если камера поддерживает запись в RAW-формат, включаем эту возможность. В противном случае просто устанавливаем наилучшее качество снимков.

Закрепляем фотоаппарат на штативе, компонуем кадр. Нам необходимо получить как минимум три изображения: первое в обычном режиме, а второе и третье с экспокоррекцией -2 Ev и +2 Ev. Если в камере есть функция эксповилки или брекетинга, воспользуйтесь ею — это значительно упростит поставленную задачу. Изображения должны быть сняты с минимальной задержкой по времени, чтобы объекты в кадре не успели изменить свое положение. Дабы за время между съемкой кадров не сдвинулся фотоаппарат, необходимо обязательно использовать штатив.

После осуществления съемки данные сбрасываются в компьютер. При необходимости RAW-файлы конвертируются в 16-битный TIFF.

Запускаем Photoshop

В меню «Файл» открываем пункт «Автоматизация» («Automate»), там выбираем «Merge to HDR».

Во всплывающем окошке указываем отснятые файлы.

В этом окне можно внести коррекцию в исходные данные.

На диске
  • DX9 Real-Time High-Dynamic Range Image-Based Lighting  Программа, демонстрирующая возможности технологии HDR. Требует мощной видеокарты и быстрого компьютера с установленным DirectX 9.0.

Предупреждаем сразу — тормозить будет, и сильно. Это нормально для демонстрационных программ такого типа.

  • AHDRIA — Программа, позволяющая автоматически снимать и создавать HDR-изображения. Совместима с компактными камерами Canon. Полный список — на диске. Для работы требуются специальные драйверы, выложенные там же.
  • FDRTools Basic  Бесплатная программа для создания HDR-изображений.
  • Artizen HDR — Одна из самых популярных платных программ для создания HDR-изображений. На диске — пробная версия.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.