Theresa Schaub
Als High Dynamic Range Image oder HDR-Bild werden digitale Bilder bezeichnet mit einen hohen Dynamikumfang. Bilder mit niedrigem Dynamikumfang heißen Low Dynamic Range Image oder LDR-Bild. Der Dynamikumfang eines Bildes ist das Verhältnis des dunkelsten vorkommenden Farbwertes zum hellsten, also der größer vorkommende Kontrast. Dadurch können sie die großen in der Natur vorkommenden Helligkeitsunterschiede realitätsgetreu speichern.
Das menschliche Auge ist in der Lage sich den unterschiedlichen Helligkeitswerten anzupassen. So können wir sowohl im gleißenden Sonnenschein als auch im spährlichem Licht der Sterne etwas erkennen. Diese Kontrasverhältnis liegt bei ungefähr 100.000.000 : 1 . Eine handelsüblicher Bildschirm hat ungefähr einen Dynamikumfang von 100 : 1.
HDR-Bilder können mit Hilfe von Techniken aus der Computergrafik erzeugt werden, mit Spezialkameras aufgenommen werden oder aus einer Belichtungsreihe bestehend aus LDR-Bilder berechnet werden. Das Problem besteht darin, diese Hochkontrastbilder auf einem LDR Ausgabemedium, sei es ein Monitor oder Papier, wiederzugeben und zwar so, dass sie eine möglichst naturgetreue Repräsentation des originalen Motivs sind. Darin besteht das Tone Mapping Problem.
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Bild: Vergleich einer Einzelaufnahme mit einer Kompaktkamera (links) und eines HDR-Bildes nach Tone Mapping (rechts). Axel Jacobs (Photographer)
Tone Mapping
Tone Mapping Operator reduzieren den Helligkeitskontrast von HDR-Bilder, um sie in LDR-Bilder umzuwandeln für die Darstellung auf herkömmlichen Ausgabegeräten. Das Auge muss ebendfalls diese Problem lösen, indem es sich an die jeweils vorherrschenden Helligkeitsverhältnisse anpasst. Eine sehr wichtige Rolle spielen dabei die Photorezeptoren und ihre Anpassung an die Lichtbedingungen. Viele Tone Mapping Operatoren basieren daher auf Erkenntnissen über die menschliche visuelle Wahrnehmung. Zwar ähneln sich die einzelnen Operatoren in ihrem Kern, allerdings sind sie auf der Implementierungsebene sehr unterschiedlich. Grob lassen sie sich in drei Klassen aufteilen: globale, lokale und frequenzbasierte Operatoren.
globale Operatoren: Sie verarbeiten die einzelnen Pixel eines Bildes unabhängig voneinander. Für Szenen mit einem sehr hohen Dynamikumfang sind sie eher weniger geeignet, da sie dazu neigen in den extremen Bereichen an Details zu verlieren.
lokale Operatoren: Sie können eine größeren Dynamikumfang verarbeiten, da sie für jedes Pixel einzeln eine Helligkeitswert berechnen. Dies kann allerdings an Kanten zu Kontrastumkehr und Haloeffekten führen.
frequenzbasierte Operatoren: Sie teilen das Bild ein gefiltertes HDR-Bild (base layer) mit geringen Ortsfrequenzen und ein ungefiltertes LDR-Bild (detail layer) mit hohen Frequenzen auf, die anschließend kombiniert werden.
Das Tone Mapping Problem - stimmt das auf dem Monitor wiedergegebene Bild mit dem wirklichem Motiv perzeptuel (wahrnehmungsmäßig) überein?
Image-based Lightning
HDR-Bilder können auch für die Beleuchtung einer computergenerierten Szene eingesetzt werden. Beim Image-Based Lightning wird omindirektionales HDR-Bild gebraucht, das wie eine Kugel um die Szene gelegt wird. HDR-Bilder könnnen die tatsächlichen Helligkeitswerte einer Umgebeung speichern, um diese auf die Beleuchtung einer künstlichen Szene zu übertragen. Mittels Global Illumination, Ray Tracing kann diese Information verwenden und somit Objekte generiern, die mit den gleichen Lichverhältnissen beleuchtet sind, wie sie im HDR-Bild gespeichert wurden. Beispielsweise wird diese Technik bei Filmproduktionen eingesetzt, wenn ein künstliches Objekt nahtlos in eine Filmszene eingefügt werden soll.
Literatur:
High Dynamic Range Imaging - Acquisation, Display, and Image-Based Lightning Erik Reinhard and others - Morgan Kaufmann 2010
Das HDRI-Handbuch Christian Bloch - dpunkt.verlag 2008
Weblinks:
http://eriksunden.com/project_image_based_lighting.php
http://www.mpi-inf.mpg.de/resources/hdr/index.html
Bildquellen:
Bild 1 Igreja Nossa Senhora de Fatima, Lisbon - Axel Jacobs (Photographer) - Wikipedia
Bild 2 eigene Illustration
