High Dynamic Range Images

Will man einen Innenraum, wie in diesem Fall die Michaelakirche in Wien, fotografieren, wird die Blende und Belichtungszeit so gewählt, dass die hellen Bereiche und auch die dunklen Bereiche sichtbar sind. Dies ist in vielen Fällen nicht möglich. Bei einer kurzen Belichtungszeit sind mehr Details in den hellen Stellen sichtbar und bei einer längeren Belichtung sind mehr Details in den dunklen Bereichen erkennbar. Das menschliche Auge nimmt viel mehr Abstufungen in Helligkeit und Farbe wahr, als ein Foto zeigen kann. Das Helligkeitsspektrum in der Natur lässt sich nicht 1:1 in einem herkömmlichen Bild festhalten. In der 3D Computergrafik ist es ähnlich. Farbe und Helligkeitsinformationen werden hier im RGB Modus dargestellt. Üblicherweise gehen diese Werte von 0 bis 256 (entsprechen 8 Bit). Die maximale Anzahl für Farb- und Helligkeitsänderungen im Bild betragen 256 Stufen. Insgesamt sind 16.777.216 Farben darstellbar (pro Pixel 3x8 = 24 bit).

Die Abbildung zeigt die Michaelakirche in Wien mit drei unterschiedlichen Belichtungszeiten. In der linken Abbildung sind Details in den hellen Bereichen, wie z.B. in den Fenstern, sichtbar. Im rechten Bild sind mehr Details in den dunklen Bereichen, wie Decke und Altartisch, erkennbar. Eine Belichtungsreihe stellt die Grundlage für ein Radiance-Bild dar. Je mehr Bilder diese Belichtungsreihe umfasst, desto exakter kann das HDR-Bild berechnet werden.

Paul E. Debevec hat eine Methode entwickelt, in der aus einer Serie von Aufnahmen mit verschiedenen Belichtungszeiten ein Radiance-Bild erzeugt wird. Dieses Bild, auch HDR-Bild genannt, bildet den gesamten Farb- und Helligkeitsumfang einer Szene ab. Dieses Bild kann in einem HDRI-fähigen 3d-Programm als Lichtquelle verwendet werden. Mit dieser Technologie, die auch Image-based Lighting genannt wird, ist es möglich, eine Szene ohne eine Lichtquelle fotorealistisch auszuleuchten. Das von Paul Debevec entwickelte Programm HDRShop kann kostenlos runtergeladen und verwendet werden.

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software Beschreibung von HDR Shop

Die reale Welt besitzt eine hohe Abstufung von Farb- und Helligkeitsinformationen - High Dynamic Range. Ein gewöhnliches Einzelfoto kann diese Informationen nicht wiedergeben - Low Dynamic Range. LDR-Bilder sind Bilder, deren Pixel mit Ganzzahlen zwischen 0 und 255 abgespeichert sind. Bildformate wie jpg, bmp oder gif können nur LDR-Bilder abspeichern. Ein HDR-Bild besitzt einen größeren Umfang von Farb- und Helligkeitsinformationen als ein Foto, das mit einer Standardkamera aufgenommen wurde. HDR-Bilder werden erstellt, indem man mehrere Bilder der gleichen Szene mit unterschiedlichen Belichtungszeiten kombiniert. Im Gegensatz zu LDR-Bildern werden die Pixel von HDR-Bildern mit Gleitkommazahlen gespeichert (0.345, 0.459934, 2,00569,?).

Die obere Reihe zeigt einen Ausschnitt aus einer Belichtungsreihe, in welcher eine spiegelnde Kugel fotografiert wurde. Diese Bilder wurden zu einem Radiance-Bild zusammengefügt. Dieses HDR-Bild enthält nun Helligkeit und Farbinformationen, die aus der gesamten Fotoserie errechnet worden sind.

die vollständige Belichtungsreihe

Wird ein HDR-Bild in HDRShop geöffnet, sieht es auf den ersten Blick wie ein normales LDR-Bild aus. Im Gegensatz zu einem LDR-Bild kann die Belichtung (Exposure) eingestellt werden. In einem HDR-Bild befinden sich Informationen, wo sich lichtstarke Pixel, sprich Lichtquellen, befinden. Pixel, die bei geringer Belichtung noch hell sind, besitzen eine hohe Lichtintensität.

Die Abbildung zeigt ein HDR-Bild in HDRShop mit unterschiedlichen Belichtungseinstellungen (Exposure) und in unterschiedlichen Mappingeinstellungen (Latitude/Longitude, Light Probe). Die untere Reihe zeigt das HDR-Bild mit einer geringen Belichtung, die obere Reihe mit einer längeren Belichtungszeit. Details im Himmel sind in der unteren Reihe deutlich zu sehen, mehr Details in den sehr dunklen Stellen ergeben sich durch eine längere Belichtung.

HDR-Bilder werden in 3d-Programmen als Lichtquelle herangezogen. Abhängig von der Szene kann eine Kugel, eine Halbkugel oder auch ein Würfel als Lichtquelle verwendet werden. HDR Shop ermöglicht unterschiedliche Mappingformate (Panoramic Image Conversion):

Ein Vergleich zwischen den Mappingformaten Mirror Ball und Angular Map zeigt, dass die Verzerrungen zum Rand hin bei der Mappingmethode Angular Map entzerrt werden.

Diese Abbildung zeigt vier unterschiedliche Mapping-Formate.