ТЕХНОЛОГІЇ: З світла в тінь
Нечасто трапляється, що технологія, покликана вирішити певні проблеми, не тільки їх не вирішує, а й погіршує. Але саме це сталося з технологією зображень з розширеним динамічним діапазоном (HDRI). Спочатку призначена для підвищення реалістичності фотографій і 3D-зображень, HDRI несподівано стала зручним інструментом для творчого самовираження і цікавою іграшкою для багатьох любителів фотографії. Фотографи з задоволенням експериментують з новою технологією, перетворюючи банальні пейзажі в зображення, що нагадують швидше картини, ніж фотознімки.
А якщо перекладені в простір RGB HDR-кадри менше схожі на реальність, ніж звичайні картки з заваленими тінями і пересвеченних особами. Напевно, це проблеми реальності.
Справа про недостатню точності
Перш ніж перейти до розповіді про HDRI, необхідно коротко розповісти, як записуються, зберігаються і відображаються цифрові зображення сьогодні. А також про те, як фіксує зображення людське око.
У моделі RGB колір кодується трійкою цілих чисел, що описують відповідно інтенсивність зеленого, синього або червоного каналів. Наприклад, чорний колір може бути представлений як (0, 0, 0), а білий - знаходиться на протилежному кінці шкали - як (255, 255, 255). Таким чином, для відображення будь-якої картинки у нас є 16,7 млн. Відтінків, а сама картинка називається восьмібітной (або 24-бітної), тому що на кожен канал нам потрібно 8 біт, а кожна точка зображення кодується за допомогою трьох 8-бітних чисел. Динамічний діапазон (тут: відношення максимальної інтенсивності кольору до мінімальної) такій колірній моделі становить 28: 1, або 256: 1.
Для 16-бітних RGB-зображень (коли на кожен канал відводиться вже не один байт, а два) теоретичний динамічний діапазон помітно більше і становить 216: 1, або 65536: 1. Це вражає, якщо не згадувати, що людський зір здатне вловлювати освітлення від 10-6 кд / кв. м до 108 кд / кв. м (), тобто має абсолютний діапазон 1014: 1 (правда, людське око не може реєструвати світло у всьому діапазоні одночасно; максимальне охоплення становить від 10000 до 30000 до 1).
Принципова недостатність колірного простору RGB посилюється скромними апаратними можливостями сучасних сенсорів і відображають пристроїв. Реальна чутливість сенсорів в цифрових фотокамерах, як правило, не перевищує 1000: 1 (теоретично вона може бути і вище, залежно від матриці, але обмежена зверху шумовими ефектами). На виході камера може давати хоч 12-бітний, хоч 112-бітний RAW, однак на динамічний діапазон записаного в файл зображення це не вплине, оскільки в ньому просто фізично немає необхідної інформації.
Моніторів, здатних коректно відобразити 48-бітову картинку з заявленим динамічним діапазоном, скажімо, 10000: 1, сьогодні також не існує (за рідкісними і дорогими винятками, але про них нижче).
Додатковий мінус моделі RGB (і, наприклад, CMYK) в тому, що вона віртуальна і не прив'язана до реальних значень, тобто є фізично некоректною - і не може бути приведена до коректної моделі без втрат, якщо вже все показники в ній задаються цілими числами , і їх набір обмежений. Виправляє цю ситуацію схема HDRI (High Dynamic Range Imaging), в якій на кожний колірний канал відводиться 16 або 32 біта, а характеристики задаються не цілими, а речовими числами, що дозволяє повністю описувати доступний людському зору діапазон з потрібним рівнем деталізації. Всі інші моделі (включаючи RGB) називають моделями з низьким динамічним діапазоном (Low Dynamic Range).
(Так вийшло, що словосполучення динамічний діапазон в контексті HDR часто використовується для позначення різних, хоча і близьких понять - і для яскравості діапазону сцени, і для опису діапазону колірної моделі, і як синонім фотографічної широти датчика. Це вносить деяку плутанину.)
Спочатку головними пропагандистами і користувачами HDRI були фахівці з тривимірній графіці (див. Наприклад, статтю «Фотореалізм» в «КТ» # 628), оскільки використання HDR дозволяє без втрат і помилок розрахувати освітленість створеної сцени. І нехай більшу частину цієї інформації відобразити не вдасться - навіть ті крихти, які дійдуть до глядача, все одно створять належний ефект і зроблять штучну картинку більш реалістичною. І сьогодні абревіатура HDR в застосуванні до комп'ютерної графіки означає перш за все підвищену фотореалістичність зображення, близькість до того, що можна отримати за допомогою фотоапарата або кінокамери.
Як не дивно, застосування подібної технології в фотографії дає зворотний результат. У фотографів, які експериментують з HDR, виходять шалено красиві знімки, які не страждають зайвою реалістичністю. Власне, перше, що спадає на думку при знайомстві з HDRI-фотографіями, - як же здорово ці люди навчилися малювати в 3D.
Справа про недостатній освітленості
Той, хто хоча б раз тримав в руках фотоапарат, стикався з тим, що при невірно підібраної експозиції одні знімки виходять занадто темними, а інші - занадто світлими. Однак навіть оптимально виставлені параметри експозиції не допоможуть, якщо біля сцени, яку ми хочемо зняти, занадто широкий яскравості діапазон: або добре вийдуть деталі, що лежать в тіні, але засвітяться світлі ділянки, або будуть достовірно передані світлі ділянки, але загубляться ті, які висвітлені недостатньо.
До останнього часу фотографу залишалося або підібрати іншу композицію, з меншою різницею між світлом і тінню, або скласти штатив і піти додому.
Наочний приклад подібної «незручною» композиції - знімок з затемненій арки, зроблений в сонячний день. Людське око прекрасно розрізняє і деталі внутрішнього оздоблення, і те, що знаходиться за її межами. Однак на знімку добре вийде або інтер'єр (при засвіченому виході з тунелю), або пейзаж, обрамлений в чорну аркоподібними рамку (не виключені і проміжні варіанти, коли і в арці, і за її межами щось можна розгледіти, але вони зазвичай не більше приємні оку, ніж описані крайнощі).
Здавалося б, технологія HDRI створена якраз для таких випадків, однак де взяти відсутню інформацію про загальний яркостном діапазоні сцени? Відповідь очевидна: потрібно зробити кілька знімків з різними параметрами експозиції і взяти інформацію з них, створивши єдине зображення з розширеним динамічним діапазоном.
Будь-яку інструкцію про створення HDR-зображень в домашніх умовах можна звести до наступних пунктів:
1. Встановіть фотоапарат на штатив.
2. Зробіть кілька знімків з різною експозицією так, щоб максимально охопити діапазон сцени (наприклад: -2EV, оптимальне значення експозиції, + 2EV).
3. Отримані файли сумістите в одному з програмних продуктів для роботи з HDR-зображеннями (HDRShop, PhotoMatrix, Photoshop CS2 і т. П.).
Перший пункт досить очевидний. Так як нам доведеться поєднувати кілька знімків, ми повинні забезпечити їх максимальну ідентичність. З тієї ж причини ця технологія не підходить для створення HDR-зображень об'єктів, що рухаються. Хоча програмне забезпечення передбачає можливість автоматичного вирівнювання вихідних знімків для подальшого їх поєднання, ця функція а) може сильно уповільнити підготовку HDR-зображення, б) не розрахована на випадки, коли об'єкт на одному кадрі знаходиться в лівій частині зображення, а на іншому - в правій .
Кількість суміщаються знімків багато в чому залежить від обраного для підготовки і подальшої конвертації HDR пакету і сцени, що знімається, але здоровий глузд підказує, що незалежно від програми, в якій буде проводитися поєднання, потрібно не менше трьох знімків.
Справа про недостатню інформації
Ще один спосіб обійтися без HDR при витягуванні фотографій - використання в якості исходника одного файлу RAW (який, звичайно, містить надмірну - в порівнянні з JPEG або TIFF - інформацію про зображення). В результаті маніпуляцій з рівнями експозиції при конвертації RAW дійсно можна отримати кілька відмінних один від одного зображень, а потім поєднати їх і створити якусь загальну картинку, яка взяла все найкраще від цих напівфабрикатів. Однак відсутня інформація про яркостном діапазоні сцени сама по собі нізвідки не з'явиться. Не виключено, що зображення дійсно стане краще (контрастніше), але того ж ефекту можна домогтися і більш простими засобами. Проте, ця технологія багатьом симпатична, тому що, на відміну від HDR, дозволяє «покращувати» кадри, на яких є рухомі об'єкти, та й необхідність у штативі відпадає.
Чи можна автоматизувати процес створення HDR-зображень? В общем-то, все, що можна автоматизувати, вже автоматизовано. У камері для HDR повинен бути настроюється автоматичний брекетинг експозиції. У багатьох моделях ця функція є. Все інше (суміщення RAW-файлів і зворотна конвертація) теоретично теж можна реалізувати (і спокуса велика, тому що грамотна обробка HDR в камері виводить цифрові мильниці на новий рівень якості знімків, а заодно на порядки зменшує затребуваність вбудованого спалаху), але і алгоритми автоматичного зворотної конвертації поки далекі від досконалості, і не факт, що відносно слабкий залізо цифрових камер потягне такі перетворення. Як мінімум одна HDR-камера існує вже сьогодні (SpheroCam HDR), але це дороге професійне пристрій, що застосовується зазвичай для створення карт освітленості сцени з метою подальшого використання цієї інформації при 3D-рендеринга.