Treść wykładu

Wykład inaugurujący rok akademicki 2009/2010
Wykorzystanie techniki
bracketing'u ekspozycji do tworzenia obrazów
o wysokiej dynamice
(High Dynamic Range – HDR)
Szanowni Państwo!
Mam zaszczyt otworzyć nowy rok akademicki 2009/2010 wykładem inauguracyjnym, podczas którego przedstawię Państwu metodę zwiększenia zakresu tonalnego matrycy aparatu cyfrowego.
Na czym polega problem? Proszę spojrzeć na ekran.
(Slajd 2)
Widzimy tu trzy zdjęcia mostu. (To jest most nad Odrą w Ścinawie). Zamysł na
zdjęcie był taki, żeby zejść pod most i sfotografować jego konstrukcję na tle
niebieskiego nieba z ładnymi białymi obłoczkami. Słońce oczywiście było nad
mostem (nieco po prawej stronie), więc konstrukcja mostu była pogrążona w
głębokim cieniu. Kiedy dobierzemy parametry ekspozycji tak, aby te cienie
naświetlić prawidłowo, to dostaniemy zdjęcie nr 1, na którym niebo praktycznie
nie istnieje (tzn. zamiast chmur mamy jednolitą białą powierzchnię). Z kolei
takie dobranie parametrów ekspozycji, aby te chmury naświetlić prawidłowo
skutkuje tym, że elementy ciemne na zdjęciu (czyli konstrukcja mostu, o którą
nam chodziło) praktycznie są czarne (zdjęcie 2).
Gdybyśmy mogli ze zdjęcia drugiego wyciąć chmury i dokleić do zdjęcia
pierwszego, to osiągnęlibyśmy zamierzony cel. Taką właśnie operację wykonuje
program, który za chwile Państwu przedstawię, a powstałe w ten sposób zdjęcie
nazywamy zdjęciem HDR. HDR - to skrót określenia High Dynamic Range, czyli
po polsku wysoki (duży) zakres tonalny.
Przejdźmy wobec tego do schematu algorytmu, który wyjaśnia metodę tworzenia
zdjęć HDR.
(Slajd 3)
Słupek pierwszy po lewej stronie slajdu reprezentuje rozpiętość tonalną fotografowanej sceny. Widzimy tu tony od zupełnej czerni do czystej bieli. Jeśli parametry ekspozycji dobierzemy tak, aby prawidłowo naświetlić tony ciemne (słupek nr
2), to tony jasne powyżej określonej szarości będą prześwietlone, tzn. na zdjęciu
będą zobrazowane jako białe, a na schemacie ten zakres tonów oznaczyłem na
czerwono. Również na przykładowym zdjęciu (slajd 6) kolor czerwony oznacza
obszary prześwietlone, czyli te, których matryca nie była w stanie prawidłowo
zarejestrować.
Słupek trzeci odpowiada zdjęciu tzw. niedoświetlonemu. Na takim zdjęciu prawidłowo odwzorowane są tony jasne, natomiast tony ciemne osiągają na zdjęciu
pełną czerń, podczas gdy w naturze temu zaczernieniu odpowiada jeszcze jakiś
(niezupełnie czarny) stopień szarości. Ten niedoświetlony obszar na słupku trzecim zaznaczyłem kolorem zielonym (slajd 7).
Technika HDR polega na takim połączeniu tych dwóch zdjęć, aby w zdjęciu wynikowym wykorzystać z obu zdjęć te obszary, które zostały naświetlone prawidłowo, a odrzucić obszary prześwietlone lub niedoświetlone. W tym celu ustalamy
pewien poziom szarości, który nazwałem poziom odcinania. Wszystkie obszary
zdjęcia drugiego jaśniejsze od poziomu odcinania zastąpią odpowiednie obszary
na zdjęciu pierwszym. Sytuację tę obrazuje słupek czwarty na slajdzie 3.
Jak widzimy na naszym schemacie zabieg taki spowodował powstanie
nieciągłości w skali szarości. Tzn. tony ciemne od czarnego do pewnego poziomu
wzrastają liniowo, po czym po osiągnięciu wartości ustalonej jako poziom
odcinania następuje gwałtowne obniżenie jasności (ponieważ od tego poziomu
wartości szarości są pobierane z drugiego zdjęcia, które jest ciemniejsze).
Aby zachować liniową skalę szarości wprowadzamy drugi parametr, nazwany
przesunięcie. Fragmenty nałożone ze zdjęcia drugiego należy rozjaśnić o wartość parametru przesunięcie.
Słupek piąty obrazuje sytuację, która powstanie po zastosowaniu przesunięcia.
Jak widzimy nie jest to sytuacja, która by nam odpowiadała, ponieważ ubocznym
efektem przesunięcia jest powstanie obszarów prześwietlonych (na slajdzie 3 zaznaczonych na czerwono).
Aby pozbyć się tego prześwietlenia wprowadzamy kolejny parametr, o nazwie
skalowanie. Parametr ten, to po prostu liczba zmiennoprzecinkowa, przez którą
należy pomnożyć wszystkie wartości szarości zdjęcia na słupku piątym. Innymi
słowy parametr skalowanie zmniejsza kontrast zdjęcia HDR tak, aby mogło być
ono wyświetlone na zwykłym monitorze.
------------------------
W tym miejscu można zapytać po co te zabiegi z nakładaniem zdjęć. Czy nie wystarczyłoby parametru skalowanie zastosować do słupka nr 2 lub 3, aby
zmniejszyć ich kontrast? Otóż nie. Każde ze zdjęć składowych nie zawiera pełnej
informacji o fotografowanej scenie. Dopiero złożenie dwóch zdjęć powoduje, że
mamy więcej informacji, niż dla każdego zdjęcia osobno.
Możemy też mieć inną wątpliwość, a mianowicie, czy obszar prześwietlony zaznaczony na czerwono na słupku piątym nie powoduje utraty informacji (tak jak
to miało miejsce na słupku drugim). Tak nie jest, ponieważ ten obszar jest „prześwietlony” tylko dla monitora. W pamięci komputera dane są pamiętane
prawidłowo. Tzn. jeśli odcień biały oznaczymy jako 100%, to w pamięci szarość
w tym miejscu pamiętana jest np. jako wartość 110%. Oczywiście monitor nie
może tej szarości zobrazować, dlatego musimy przeskalować wszystkie tony tak,
aby wartości powyżej 100% sprowadzić do wartości akceptowalnych przez
monitor.
--------------------------
Etap skalowania jest w technice HDR nazywany mapowaniem tonów (ang. tonemapping) i nie musi być wcale operacją liniową. Tzn. można różnym tonom
w zdjęciu HDR przypisać różne tony wyświetlane na ekranie monitora. W tym zakresie panuje duża swoboda i różni autorzy tworzą różne algorytmy, które
w skrajnych wypadkach powodują odrealnienie obrazu sprowadzając go niemal
do grafiki.
(Slajd 4)
To jest np. zdjęcie uzyskane za pomocą algorytmu Fattal.
Myślę, że teraz możemy przejść do praktyki, czyli do programu, który napisałem
specjalnie na potrzeby tego wykładu. Otwieramy program i wczytamy do niego
dwa zdjęcia (otwieramy plik Most.hdr) (są to te same zdjęcia mostu, które prezentowałem na początku wykładu). Pierwsze zdjęcie wyłączymy, a włączymy
drugie.
Popatrzmy teraz jak działa parametr poziom odcinania (zakładka Nakładanie). Zmieniając wartość tego parametry powodujemy, że odpowiedni fragment
zdjęcia jest widoczny, zaś pozostała część jest po prostu przeźroczysta (na ekranie jest biała).
Jeśli teraz włączymy zdjęcie pierwsze, to obszary puste zostaną wypełnione danymi ze zdjęcia pierwszego.
To co widzimy w dolnej części zdjęcia (uskoki koloru na tle wody), to efekt który
omawiałem wcześniej. Pamiętamy, że aby temu zaradzić należy przesunąć (czyli
rozjaśnić) zdjęcie nakładane tak, żeby wyrównać poziomy szarości w miejscu
uskoku. Przesuwam więc zdjęcie drugie tak, aby zlikwidować wspomniany wcześniej uskok. Przy okazji widzimy, że chmury, które przy przesunięciu zerowym były prawidłowo naświetlone teraz stały się zbyt jasne. Możemy włączyć w programie opcję pokazywania obszarów prześwietlonych i wtedy na czerwono widzimy
zaznaczone obszary, które w efekcie przesuwania niejako „wyjechały” poza skalę
monitora.
Pamiętamy też, że receptą na zlikwidowanie efektu prześwietlenia (który powstał
w wyniku przesuwania zdjęcia drugiego) jest zastosowanie skalowania. Dobieram
więc parametr skalowanie tak, aby zlikwidować czerwone obszary co będzie
oznaczało, że cała fotografowana scena mieści się w zakresie tonalnym obsługiwanym przez monitor.
Po tym zabiegu widzimy, że efektu uskoku nie ma, a chmury są teraz prawidłowo
odwzorowane.
Na tym etapie możemy jeszcze poprawić nieco wygląd zdjęcia wynikowego przez
edycję parametrów takich jak: jasność, kontrast, współczynnik gamma, balans
bieli i nasycenie kolorów. Edycji tych parametrów dokonamy na zakładce
Wyjście. Zwróćmy uwagę, że parametry tu edytowane wpływają na całe zdjęcie.
Te same parametry możemy też edytować dla każdego zdjęcia składowego
osobno za pomocą suwaków na zakładce Wejście. Popatrzmy jak to działa. Po
przejściu na zakładkę Wejście dla pierwszego zdjęcia mogę regulować np. jego
jasność, a to spowoduje, że tylko pewne obszary będą ulegały zmianie.
Wróćmy jeszcze na chwilę na zakładkę Nakładanie, na której dobieramy
parametry nakładania zdjęć. Pod suwakami Przesunięcie i Skalowanie
widzimy dwa znaczniki Auto. Otóż oba parametry regulowane suwakami da się
wyliczyć. Jeśli włączymy znaczniki Auto, program te parametry będzie wyliczał
automatycznie (nie oznacza to oczywiście tego, że te obliczenia zawsze dają
najlepszy efekt. Dlatego też możemy zawsze wyłączyć automaty i przejść na
sterowanie ręczne).
Na zakładce widzimy też suwak opisany Wtapianie. Co robi ten parametr
zobaczmy na innym przykładzie (otwieramy plik Chata.hdr). Widzimy, że zdjęcie
drugie należałoby rozjaśnić tak, żeby dopasować poziomy szarości do zdjęcia
pierwszego, ale zamiast tego użyjemy wtapiania. Efekty widzimy na ekranie.
Zdjęcia tak otrzymane nie odpowiadają rzeczywistości, ale mogą stanowić
ciekawą alternatywę dla zdjęć rzeczywistych.
I jeszcze jeden przykład. Otwieramy zdjęcie wnętrza kościoła św. Trójcy w
Krakowie. Do tej pory dysponowaliśmy dwoma zdjęcia. Ale nie zawsze dwa
zdjęcia wystarczają do przeniesienia całego zakresu tonalnego sceny. Popatrzmy
jak to wygląda w tym wypadku. Zdjęcie pierwsze w części dolnej naświetlone
prawidłowo w części górnej po prawej stronie jest prześwietlone. Włączamy
zdjęcie drugie. Widzimy poprawę sytuacje, ale nadal fragment zdjęcia jest zbyt
jasny. Dodajemy zdjęcie trzecie i sytuacja jeszcze trochę się poprawiła, choć
przydałoby się jeszcze jedno zdjęcie, którego niestety już nie mam. A szkoda.
Oczywiście obróbka zdjęcia nie kończy się na tym etapie. Po zrobieniu HDR-a
zdjęcie należy wyprostować (jeśli zachodzi taka potrzeba) i ewentualnie
wyretuszować. To samo zdjęcie mogłoby wyglądać po tych zabiegach tak
(Slajd 9)
Te operacje nie są jednak tematem dzisiejszego wykładu, osoby zainteresowane
zapraszam na wykłady z fotografii, które będę prowadził w semestrze zimowym.
Pozostała nam do omówienia ostatnia sprawa, a mianowicie jak zrobić zdjęcia
składowe potrzebne do utworzenia obrazu HDR?
Otóż nie jest takie proste, a trudność polega na tym, że zdjęcia muszą się
idealnie pokrywać. Inaczej po złożeniu powstaną nieprzyjemne obwódki wokół
ostrych krawędzi, co spowoduje wrażenie nieostrości.
Oczywiście rozwiązaniem podstawowym jest statyw. Ale nawet użycie statywu
nie gwarantuje nam tego, że kiedy po zrobieniu pierwszego zdjęcia będziemy
chcieli zmienić parametry ekspozycji nie przesuniemy o ułamek milimetra aparatu. Dlatego producenci aparatów wprowadzili funkcję, która nazywa się bracketingiem ekspozycji. Funkcja ta działa w ten sposób, że ustalamy liczbę zdjęć
oraz krok ekspozycji (podany w EV), który będzie stosowany dla poszczególnych
zdjęć dodatkowych.
Np. ustalamy liczbę zdjęć w bracketingu na 3 i krok bracketingu na 2 EV. Wykonujemy zdjęcie (najczęściej aparat musi być wtedy w trybie zdjęć seryjnych), co
powoduje wykonanie trzech zdjęć. Pierwsze jest wykonane z ekspozycją -2EV
(względem ustawienia „normalnego”, czyli podanego przez światłomierz), drugie
z ekspozycję OEV (czyli taką jak podał światłomierz) i trzecie z ekspozycją +2
EV.
Zastosowanie tej funkcji eliminuje konieczność dotykania aparatu w czasie wykonywania poszczególnych zdjęć składowych, ale - tu jeszcze mała uwaga - należy
użyć wężyka spustowego bądź pilota, gdyż wyzwalanie ręczne migawki zawsze
spowoduje mikrodrgania aparatu, co w przypadku zdjęć HDR zawsze odbije się
na ich jakości.
Szanowni Państwo!
Na tym zakończyłbym część teoretyczno-praktyczną tego wykładu. Wszystkie
materiały tu prezentowane (zarówno treść wykładu, jak i slajdy, a także sam
program z przykładami) jest dostępny na naszej stronie internetowej.
(Slajd 5)
Na zakończenie zapraszam na krótką prezentację zdjęć mojego autorstwa, które
w zdecydowanej większości są zdjęciami HDR. Zapraszam do obejrzenia i dziękuję za uwagę.