Den high dynamic range imaging (eller bred vifte imaging ) ( high dynamic range imaging eller HDRI ) er et sæt af teknisk digitalt at præsentere et stillbillede eller film af en scene, der har, i dets forskellige afdelinger, meget anderledes niveauer af lysstyrke.
Et rasterbillede dannes ud fra pixels, hvortil der er knyttet en triplet af værdier, der angiver dets lysstyrke og farve. Gengivelse med højt dynamisk område vedrører originale filer, hvor pixels har flere mulige værdier end gengivelsesskærme eller printere. Det er derefter nødvendigt at bestemme gengivelsesregler, så billedet kan fortolkes såvel som en helhed såvel som i de lyse regioner og de mørke områder.
The Digital Imaging udviklet disse processer for at gøre det mere visuelt forståelige matrix repræsentationer opnået ved beregning, såsom de af medicinsk billeddannelse . Teknikken tilpasses derefter til digital fotografering og video.
Allerede i 1850'erne var Gustave Le Gray den første fotograf, der designede et billede sammensat med flere forskellige eksponeringsværdier. Denne teknik tillod ham at repræsentere på samme tryk et marinemaleri med både havet og himlen.
Hvis det er på stedet, giver den visuelle tilpasning mulighed for samtidig at se de lokale detaljer på himlen og på jordoverfladen, og at man stadig kan fange en stor del af den på en negativ følsom emulsion, kontrasten af et fotografisk tryk er meget mindre. For at opnå detaljer, der tilhører begge parter, udstillede Le Gray to plader, en til højdepunkter, den anden til lavlys og kombinerede de to dele i udskriften.
Kombination af forskellige eksponeringer på dele af billedet ved forstørrelse af negativer blev en almindelig proces inden for fotografering.
Fotografen og kemikeren Charles Wyckoff (en) udtænkte et negativt med tre lag af forskellig følsomhed, koblet til farvestoffer, så forskellige farver kodede lysstyrkeniveauer: blå for lav, gul for medium og hvid for de stærkeste lys. Han formåede i sine falske farver fotografier af H-bombeeksplosioner at vise en dynamik på et til hundrede millioner.
I 1995 startede forskeren metoder, der startede med observationen om, at et billede kodet på 8 bits havde utilstrækkelig dynamik til at repræsentere visse scener, metoder til at kombinere digitale billeder taget med forskellige eksponeringsværdier. Disse processer vedrørte først stillbilleder på et stativ, før de strakte sig til frihånds- og bevægelsesbilleder.
Det klassiske digitale billede er kodet på 256 værdier (mellem 0 og 255) på hvert rødt, grønt og blåt plan , det vil sige med 24 bit pr. Pixel (3 × 8 bit). Forskellen i lysintensitet mellem den lyseste pixel og den mørkeste, ikke-sorte pixel er 3300 under hensyntagen til gammakorrektionen . Skærmernes effektive kontrast under hensyntagen til den omgivende belysning og tryksagen er omkring 1 til 100.
Det er almindeligt, at dynamikken mellem de lyseste og mørkeste områder i en faktisk scene er større. Seerne formår dog at observere de lyse dele og de mørke dele på trods af blænding takket være den visuelle tilpasning . Gengivelse med højt dynamisk område præsenterer et billede med reduceret kontrast til det, der er muligt med mediet, så den samme information så meget som muligt kan udvindes: overordnet struktur, detaljer om lyse dele og mørke dele.
Billedbehandling med højt dynamisk område inkluderer optagelse af lysdynamik, hvilket resulterer i en fil, hvor pixelværdier er kodet med større farvedybde . En digital billedbehandlingsproces starter almindeligvis med flydende punktværdier (32 bit. En fotografisk sensor kan give op til 14 bit.
At reducere kontrasten til det ønskede, afhængigt af præsentationsmediet, kan omfatte billedsegmentering, så forskellige regler anvendes på hver af dens dele såvel som transponering af lysstyrke til farve ved lokal tonekortlægning .
Den mest almindelige teknik er at gemme billederne med 96-bit flydende punkt pr. Pixel, men der er også HDR-billeder med 32 bit pr. Pixel, som formatet RGBE (in) Radiance eller format LogLuv (in) SGI.
De fleste aktuelle enheder bruger CMOS-sensorer med et beskedent dynamisk område, omkring 10 bit eller et forhold på 1 til 1000. De kan ikke samtidig skelne detaljer i svagt og højt lys.
I 2006 var Fuji FinePix S3 Pro ( refleks ) og Fuji FinePix F700 ( kompakte ) kameraer de eneste, der var i stand til at producere fotos med højt dynamisk interval takket være brugen af specielle fotodioder . De har siden fået selskab fra andre producenter, for eksempel Sony med sin DSLR-A550.
At opnå et HDR-fotografi kan dog også gøres med et traditionelt kamera ved at tage flere LDR-fotos ( lavt dynamisk område ) og derefter flette dem med software . For at gøre dette, er det nødvendigt at tage flere billeder af den samme scene med forskellige værdier for eksponering (udsættelse range ), som gør det muligt at opnå detaljer både for de mørke områder og for de lyse områder. Der er flere måder at regulere mængden af lys, der fanges af en sensor. Vi kan spille på:
Varierende ISO-værdi ændrer støj på billedet, mens skift af iris-blænde påvirker dybdeskarpheden. Denne sidstnævnte indstilling anbefales ikke, fordi de resulterende eksponeringer ikke er identiske.
Den bedste måde at skabe et bredt spektrumbillede på er at lege med lukkertiden for at variere eksponeringen. Et skud på 1 ⁄ 500 s kan følge yderligere 1 ⁄ 50 s, mens det første ikke engang er færdigt.
Under de forskellige optagelser skal kameraets stabilitet opretholdes for at opnå den samme indramning. Derefter kan billeder med lavt dynamisk område kombineres med software (som Photoshop og modul Flet til HDR , Photomatix, HDR Efex Pro eller Luminance HDR ), plugin " eksponeringsblanding " af GIMP for at danne et enkelt billede stort dynamisk område (HDR) ved metoden beskrevet i Digital blanding . Hugin- softwaren er specialiseret i denne type samling, såvel som panoramaenheder (som ofte har forskellig belysning mellem den del, hvor solen er placeret og dens modsatte).
I fotografering kan et HDR-billede ikke bruges til sit fulde potentiale, hvis det ikke genkonverteres til et standardformat, der kan vises (f.eks. I 24 bit / pixel ). På den anden side, for så vidt dette billede indeholder en meget rig dynamik, kan forskellige operationer udføres der (som korrektion af hvidbalancen) med en meget større finindstilling. Som sådan udgør det et potentielt digitalt arkiveringsformat og kan frem for alt bruges igen, når HDR-skærmteknologier bliver tilgængelige. I mellemtiden skal der bruges et trick, lokal tonekortlægning for at afsløre billedet korrekt. Denne algoritme skaber fra et HDR-billede et foto, hvor alle elementerne er korrekt eksponeret. Uden overeksponering eller undereksponering bliver billedet således meget mere detaljeret i både mørke og lyse områder. Gengivelsen er ofte meget realistisk, især i overskyede landskaber og natmiljøer.
Det er også muligt at opnå et billede med højt dynamisk område fra et enkelt skud. Det er indlysende, at hvis interessen for sensorens luminanser ikke er større end det endelige billede, er interessen for denne teknik begrænset. Men startende fra et RAW- billede på 12 eller 14 lineære bits (kontrast fra 1 til 4096 eller 16384), som især kan produceres af digitale spejlreflekskameraer , kan vi allerede opnå interessante resultater, som vi ikke vil være i stand til. Ikke komme forbi konventionelle metoder. Det skal derfor overvejes og testes i henhold til hvert enkelt tilfælde.
Et stort antal digitale kameraer tillader også direkte optagelse i HDR, hvor kameraet automatisk tager en optagesekvens, der omfatter et eller flere fotos taget i en burst og derefter behandler dem for at producere et HDR-billede, hvis effekt kan justeres. Denne type optagelser tilbyder imidlertid ikke alle kvaliteterne ved at kombinere mange optagelser med specialsoftware.
En stor ulempe ved denne metode er, at softwaren ikke korrigerer billedet, hvis motivet har skiftet mellem på hinanden følgende billeder. Derfor foretrækkes det, at HDR-funktionen opnås i et enkelt skud: dette er tilfældet med optagelse i 12 eller 14 bit RAW, men det er en dyr løsning, så det er ikke muligt. Findes kun på avancerede enheder . Det ville være billigere, hvis enhedsproducenterne placerede et ikke-lineært kredsløb mellem sensoren og enhedens analoge / digitale konverter, en løsning, der allerede var blevet brugt mod slutningen af forrige århundrede til tv-kameraer .
EksemplerStudenterbolig i Dresden (Tyskland).
Seks skud med forskellige eksponeringer (1/40 1/10 1/2 1 ″ 6 ″ 25 ″).
Resultat af det forrige billede efter oprettelse af HDR-billedet og derefter Tone mapping.
Kirkeindretning: Lokal tonekortlægning af et HDR-billede.
Montauban Natural History Museum : tonekortlægning fra fem udstillinger.
Solnedgang: Lokal tonekortlægning af et HDR-billede.
Ruin øverst i Salbert (nær Belfort ): realistisk tonekortlægning af et HDR-billede.
New York at Night: Lokal tonekortlægning af et HDR-billede.
L ' Aubette de nuit: gennemsnit af fotos 1/30 1/10 1/4 1/2 2s.
Opfinderen Georges Cornuéjols og licenshaverne af hans patenter (Brdi, Hymatom) introducerede princippet om HDR-billedet i video i 1986 ved at placere en matrix flydende krystalskærm foran billedsensoren på kameraet og således øge med 5 membraner sensorens dynamik, så i februar og April 1990ved at kombinere to billeder taget successivt af en billedsensor eller samtidigt af to billedsensorer fra kameraet. Det er derfor en bracketing- proces beregnet til videostrømmen.
I 1991 introducerede Georges Cornuéjols princippet om HDR + -billedet ved ikke-lineær akkumulering af billeder for at øge kameraets følsomhed: Ved lav belysning akkumuleres flere på hinanden følgende billeder, hvilket øger signal / støjforholdet.
Producenten Red reproducerede derefter princippet om HDR-billedet i video med sin kameramodel: Red Epic, hvis første prototype blev præsenteret på NAB iapril 2010. Denne tilstand, kaldet HDRx, øger sensorens dynamiske område fra 13,5 til 18 stop ved at interpolere billeder udsat for forskellige værdier. Ved udgangen af 2011, den åbne platform (en) Magic Lantern fulgte trop ved at producere en firmware beregnet til visse Canon reflekser og herunder en HDR option baseret på samme princip. Brugen af høj dynamisk er dog ikke en første i historien om levende billeder, da militæret allerede bruger metoden til bracketing midten af XX th århundrede at filme atomare eksplosioner med filmfotograf .
I 2020 præsenterede virksomheden Qualcomm sin Snapdragon 888- processor beregnet til smartphones og i stand til at optage videoer med større dynamik takket være HDR-optagelse.
HDR-miljøbilleder bruges i grafisk design som et alternativ til kunstig belysning. De gør det muligt at genskabe fotografiets farver og lys i 3D-scenen, hvor hver pixel af HDR-billedet fungerer som en lyskilde. De er også nyttige til at generere refleksioner over skinnende materialer som krom eller guld.
I disse brugstilfælde ville klassiske billeder (uden et højt dynamisk område) forhindre, at meget kraftige lyskilder og subtile refleksioner i dårligt oplyste områder samtidig fanges.
HDR-billeder bruges også som forskydningsstrukturer . De genereres således af 3D-skulptursoftware som Zbrush, Mudbox, Modo eller 3D Coat og indeholder information, der gør det muligt visuelt at tilføje detaljer på en 3D-model på gengivelsestidspunktet. Der er to slags:
Disse billeder kan have negative intensiteter.
Nylige videospil bruger HDR-billeder for at øge spillerens fordybelse i spilmiljøet. Dette opnås generelt i realtid ved brug af RTT ( render-to-texture ) teknikker , floating-point buffere (for at bevare det dynamiske område af HDR) og shaders . Disse tillader øget fleksibilitet i behandlingen af billedet under konstruktion (for eksempel ved at passere ikke-afkortede værdier ( fastspænding ) mellem toppunktet og fragmentskygge ). De fragment shaders også muligt at anvende en gaussisk sløring på HDR-billede ( blomstrende ), en effekt meget udbredt i de seneste spil.
Til lokal tone mapping , er den generelle luminans af billedet normalt beregnes ved at reducere fuld scene tekstur til en størrelse på 1 x 1 pixel.