HDR

valokuvauksen tekniikka
(Ohjattu sivulta High Dynamic Range)

HDR (engl. High Dynamic Range) tarkoittaa kuvantamistaselvennä, missä kuvaa käsitellään muodossa, jossa on dynamiikkaa enemmän kuin tavalliset näytöt ja tulostimet pystyvät esittämään. Dynamiikalla tarkoitetaan tässä sitä, kuinka laaja kirkkausalueselvennä voidaan esittää niin, että kuvan yksityiskohdat vielä erottuvat. Dynamiikka mitataan yleensä aukkoina siten, että kukin aukko kaksinkertaistaa kirkkauden. Korkealle ja matalalle dynamiikalle ei ole yksikäsitteistä rajaa, mutta tyypillinen matalan dynamiikan kamera, filmi tai näyttö toistaa noin 5–9 aukon laajuisen dynamiikka-alueen.[1]

Alivalotetussa kapean dynamiikan kuvassa tummat alueet menetetään, mutta kirkkaimmat kohdat, kuten hotellin mainosvalo, toistuvat moitteettomasti.
Tavallisessa kapean dynamiikan kuvassa pimeä tausta on alivalottunut ja etualan kirkkaasti valaistut pylväät ovat ylivalottuneet, mutta keskisävyt toistuvat moitteettomasti.
Ylivalotetussa kapean dynamiikan kuvassa kirkkaat kohdat menetetään, mutta pimeimmät kohdat, kuten takimmaisten rakennusten seinät, toistuvat moitteettomasti.

Kirkkauden vaihtelua kutsutaan dynaamiseksi alueeksi ja sitä mitataan luminanssina kirkkaimman valkoisen ja tummimman mustan välillä.[2]

Laajan dynamiikan kuvassa kaikki tummuusasteet valoisasta pimeään toistuvat selvästi. Tässä ei kuitenkaan ole kyseessä aito laajan dynamiikan kuva, vaan pelkkä simulaatio, joka on luotu yhdistämällä ylläolevat kuvat. Aito HDR-kuva edellyttää erikoislaitteita.

Jotta HDR-kuva voitaisiin näyttää tavanomaisilla näytöillä pitää tavanomaista laajempi kirkkausalue kutistaa näyttölaitteen kirkkausaluetta vastaavaksi. Yksinkertaisin, lineaarinen kutistaminen johtaa kontrastittomiin ja mitäänsanomattomiin kuviin, jotka eivät vaikuta luonnollisilta. Kehittyneemmät tonemapping-algoritmit (esimerkiksi Fattal et al.[3] ja Mantiuk et al. [4]) pyrkivät säilyttämään paikallisen kontrastin.lähde?

Laajasävykuvan muodostaminen

muokkaa

Laajasävykuva tyypillisesti muodostetaan valotushaarukoinnilla ottamalla samasta näkymästä useampi valokuva eri valotuksilla, esim. viisi kuvaa valotusajoilla 1/125 s, 1/250 s, 1/500 s, 1/1000 s ja 1/2000 s muiden valotusparametrien (aukko, herkkyys) pysyessä samana.

Näiden kuvien yhdistämiseen on lukuisia ohjelmistoja, esimerkiksi Photomatix Pro, Photoshop ja Luminance HDR (entinen Qtpfsgui). Nämä ohjelmistot osaavat rekonstruoida eri valotusajoilla otetuista kuvista kameran toistokäyränselvennä ja sen pohjalta laskea kullekin pikselille todellisen kirkkauden.lähde?

Esitysmuodot

muokkaa

HDR-muotoinen kuva esitetään yleensä jossakin muodossa missä dynamiikalla ei ole käytännössä rajoja, esimerkkinä OpenEXR.[5] OpenEXR-muodossa kunkin pikselin kukin värikomponentti (RGB, punainen, vihreä, sininen) esitetään liukulukuna, jolloin kirkkauden suuruusluokka voi vaihdella huomattavasti ja merkitsevien numeroiden määrä pysyy silti vakiona.lähde?

Tällainen liukulukuina esitetty laajasävykuva on tavallaan rekonstruktio siitä millaiset valoisuuserot maisemassa oli ennen kuin se kuvattiin, lisättynä mahdollisesti kuvantamisvälineen virheillä.lähde?

Vaihtoehtoisesti 32-bittistä liukulukumuotoa käyttävä TIFF-muoto tekee kuvista tarpeettoman suuria ja tilaa vieviä.[6] OpenEXR käyttää 16-bittistä liukulukumuotoa, jota IEEE 754 -standardissa ei ole mukana.[6]

Tonemapping

muokkaa
 
Tonemapping-tekniikan avulla toteutettu valokuva Pasilasta joulupäivänä

Tonemapping tarkoittaa prosessia, jolla korkean dynamiikan kuva käsitellään esitettäväksi normaalilla matalan dynamiikan esityslaitteella, kuten monitorilla tai tulostimella. Laajasävykuva ei sinänsä vaadi tonemappingia tehtäväksi, koska se voidaan vain "valottaa", ts. kiinnittää sen kirkkaus johonkin kohtaan asteikkoaselvennä ja esittää sellaisenaan. Jos kuvassa kuitenkin on dynamiikkaa enemmän kuin matalan dynamiikan laite pystyy esittämään, tällöin joko valoisuuserot näyttölaitteella eivät vastaa todellisuutta (liian alhainen kontrasti) tai suuri osa kuvasta on joko täysin valkoinen (ylivalottunut) tai täysin musta (alivalottunut).lähde?

Tonemapping-algoritmit pyrkivät vähentämään kuvanlaajuista kontrastia ilman että paikallinen kontrasti samalla vähenee. Tämän tekemiseksi eri tonemapping-algoritmit käyttävät eri periaatteita, jotka johtavat ihmisen näköaistin kannalta enemmän tai vähemmän luonnollisiin kuviin.lähde?

Joskus virheellisesti kutsutaan HDR:ksi kuvia, jotka ovat normaaleja matalan dynamiikan kuvia, mihin on sovellettu tonemapping-tekniikoita. HDR ja tonemapping eivät kuitenkaan ole yksi yhteen toisistaan riippuvia, vaikka usein esiintyvätkin yhdessä.

Käyttötarkoitus

muokkaa

Testeissä havaittiin, että kuvatarkkuuden kasvattaminen UHD-tarkkuuteen (4K) ei tuottanut toivottua parannusta katsojan kokemukseen. Tutkimuksessa todettiin kuusi tapaa parantaa kokemusta, jotka olivat kuvatarkkuus, kuvataajuus, laaja väriskaala (WCG), dynaaminen kirkkausalue (HDR), värisyvyys ja äänimaailman parannus. Näistä HDR oli suosituin ollen halvin ja helpoin toteuttaa. Kun kuvatarkkuuden kasvattaminen 4K-resoluutioon nosti tietomäärää 400%, niin HDR tarvitsee vain 20% kasvua tietomäärään. Suurempi dynaaminen alue näyttää havaitsijalle suurempana kontrastina, jonka myötä kuva näyttää terävämmältä. Suurempi kirkkaus vaikuttaa myös värien eloisuuteen.[7]

Lähteet

muokkaa
  1. Shivanand Sharma: Demystifying HDR: High Dynamic Range Myths and Truths advancedphotography.net. Viitattu 17.7.2009. (englanniksi)
  2. W3C Workshop on Wide Color Gamut and High Dynamic Range for the Web w3.org. Viitattu 8.12.2023. (englanniksi)
  3. Raanan Fattal, Dani Lischinski, Michael Werman. [http://www.cs.huji.ac.il/~danix/hdr/ "Gradient Domain High Dynamic Range Compression"
  4. Rafal Mantiuk, Karol Myszkowski, Hans-Peter Seidel. "A Perceptual Framework for Contrast Processing of High Dynamic Range Images"
  5. OpenEXR openexr.com. Viitattu 17.7.2009. (englanniksi)
  6. a b About OpenEXR openexr.com. Arkistoitu 11.2.2021. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  7. HDR - An Introduction finalcolor.com. Viitattu 30.11.2023. (englanniksi)

Aiheesta muualla

muokkaa