High Dynamic Range Imaging

High Dynamic Range Imaging, HDRI nebo jednoduše HDR čili vysoce dynamický rozsah (zobrazení), rozsah expozice je technologie, která se používá k práci s obrázky a videí, jejichž rozsah jasu překračuje možnosti standardních technologií. Nejčastěji se termín HDR používá ve vztahu k pořizování, ukládání a zpracování rastrových obrázků.  

Standardní techniky umožňují rozlišení pouze v určitém rozsahu jasu, což poskytuje velmi úzký dynamický rozsah, často nazývaný SDR (Standard Dynamic Range) nebo LDR (Low Dynamic Range)^[1]. Mimo tento rozsah není možné žádné barvy zobrazit, a proto v světlejších oblastech vidíme vše jako bílé a v tmavších oblastech vše jako čistě černé. Poměr mezi maximální a minimální tonální hodnotou v obraze se označuje jako dynamický rozsah.  

High Dynamic Range Imaging může být užitečné pro záznam obrazů, které obsahují jasné přímé sluneční světlo nebo velmi temné stíny.

Vizuální realismus

Technologie HDR byla vytvořena hlavně za účelem přenosu obrazu co nejblíže tomu, jak to vnímá člověk. Dnešní kamery dokáží pořídit snímek pouze v určitém rozsahu jasu, které nemusí vždy odpovídat lidskému vnímání. Z tohoto důvodu je spektrum viditelných barev na záznamu výrazně zúžené. Všechno tmavší než určitá úroveň zčerná a vše příliš světlé zbělá, detaily jsou ztraceny. Můžeme říci, že technologie HDR byla vytvořena proto, aby obraz byl realističtější.^[2]

Móda a zdánlivá jednoduchost zpracování HDR však hrály na fotografy krutý vtip - internetové galerie jsou plné strašlivých záběrů ve stylu HDR. Dramatické nebe, šokující detaily, surrealistické barvy... Existuje dokonce rozdělení HDR do tří směrů: realistický, umělecký a grunge.^[3]

Počítačová grafika

V počítačové grafice HDRI znamená nasvícení scény využívající místo klasických světel simulujících reálné světelné zdroje speciální bitmapu HDR. Bitmapa HDR obsahuje informace o všech světlech umístěných na scéně. Tato metoda se používá u scén s lesklými objekty a při kompozici reálného a počítačového modelu, protože osvětlení technologií HDR vypadá velice realisticky.

Výhoda HDR je v rozsahu barev, klasické bitmapové formáty (BMP, JPEG, …) pracují s rozsahem 8 bitů na jednu barvu, což znamená hodnoty 0–255 a až následné osvětlení a dodatečné definování odraznosti. HDR definuje množství světla na daném pixelu – tedy již v HDR textuře je pamatováno, jak se bude předmět opticky chovat. Barevná informace je uložena prakticky neomezeně – používají se čísla s plovoucí desetinnou čárkou, např.: 1,1124545 nebo 4545544,45456. Tvorba HDR obrázků se většinou provádí složením několika různě exponovaných snímků. Síla této technologie, která je mezi 3D modeláři používána již nějakou dobu, je v dokonalejším zobrazení odrazů předmětů (high dynamic range rendering, HDRR nebo HDR Rendering, high dynamic range lighting). Na Internetu je mnoho statických obrázků, které kombinují fotografii s 3D modely a u některých téměř nelze poznat přechod.

HDR používá open source formát souboru OpenEXR s příponou .exr.

Digitální fotografie

V digitální fotografii HDR označuje techniku skládání více snímků téže scény, pořízených ve stejnou dobu, ale s různými expozičními dobami. Cílem je složit z nich jeden výsledný snímek tak, aby v něm byly současně vidět detaily hodně stinných i hodně světlých míst.

Lidské oči spolu s mozkem jsou tak přizpůsobivé, že dokážou rozeznat zrnka písku na sluncem ozářené pláži a zároveň i detaily v otvoru do skalní jeskyně opodál. Ale fotografické filmy ani současné obrazové senzory se jim v tom zdaleka nevyrovnají. Také tady program, který spojuje jednotlivé digitální snímky, vytváří výsledek v paměti počítače pomocí čísel z většího rozsahu. Bohužel jakmile se na něj chceme podívat, zase narazíme na známé hranice současných technologií.

Z českých autorů je používáním HDR známý například Petr Zelený.

Dynamický rozsah ve fotografii

Ve fotografii se dynamický rozsah často měří v hodnotách expozice EV (anglický Exposure value), která se rovná logaritmu se základnou 2, méně často v desítkovém logaritmu (označeném písmenem D). 1EV se rovná 0,3D. Někdy se také používá lineární zápis, například 1 000: 1, který se rovná 3 D nebo přibližně 10 EV.^[4]

Zvýšení o 1 EV vynásobí množství světla na obrázku o 2, zatímco pokles o 1 EV sníží množství světla na polovinu. To znamená, abychom mohli ve tmě zachytit co nejvíce podrobností, musíme použít vysokou expozici a abychom co nejrealističtěji zprostředkovali světelný obraz, musíme upravit expozici co nejnižší.^[2]

Dynamický rozsah se také používá ve formátech souborů používaných pro záznam fotografií. V tomto případě je určen datovým typem zvoleným autory formátu na základě účelů, pro které je formát určen. Například dynamický rozsah základního formátu JPEG je definován 8bitovým standardem barev sRGB s gama korekcí a je přesně 11,7 EV, ale ve skutečnosti je použitelný pouze 8-9 EV tohoto rozsahu. U formátu Radiance HDR je dynamický rozsah 256 EV.

Termín „dynamický rozsah“ se někdy nazývá jakýkoli poměr jasu na fotografii buď to poměr jasu nejsvětlejších a nejtmavších objektů na fotografii, nebo maximální poměr jasu bílé a černé na monitoru (anglický Contrast ratio)

Rozšíření dynamického rozsahu

Fotografická šíře moderních fotoaparátů a filmů nestačí k úplnému vyjádření scén světa. To je dobré vidět při fotografování na diapozitiv nebo kompaktní digitální fotoaparát, protože například rozsah jasu noční scény s umělým osvětlením a hlubokými stíny může dosáhnout 20 EV.  

Tento problém lze obejít úpravou osvětlení scény nebo zvýrazněním stínů, což povede k snížení kontrastu obrazu, ale fotografování s bleskem při vysoké expozici však umožňuje vyrovnat kontrast některých scén pořízených ve tmě.  

Ale vyřešit tento problém lze buď zvýšením dynamického rozsahu fotoaparátů, nebo kombinací snímků pořízených s různými expozicemi (technologie HDR)^[2], které se poté spojí do jedné fotografie s původními snímky v extrémních stínech i při maximálním světle.

Obdoba v klasické analogové fotografii

Obdobou v klasické analogové fotografii je zonální systém, fotografická metoda pro optimální zobrazení celého rozsahu jasů ve snímané scenérii, kterou v roce 1941 zformulovali Ansel Adams a Fred R. Archer.

Základním cílem zonálního systému je dosažení kvalitní reprodukce celého rozsahu jasů ve snímané scenérii, tedy dokonalého prokreslení světel a stínů, s korektní tonalitou všech zón šedé škály od černé k bílé, dále pak systém, umožňující kontrolovatelnou změnu tonality a její posouvání v jednotlivých tonálních zónách.

Zonální systém je pak soubor principů a činností, které slouží k dosažení cíle a současně umožňuje poznat zákonitosti dávající autorovi plnou kontrolu nad budoucí tonalitou fotografií, slouží k předem určené změně tonality a převodu barev na šedou škálu.

HDR v umění

Z českých fotografů se HDR věnuje například

• Věra Stuchelová ve svém cyklu Hyperreality

HDR stejně jako ostatní techniky – a nejen fotografické – jsou "dobrým sluhou, ale zlým pánem" a mohou svádět k nepřiměřenému, nadměrnému užití. Důsledkem pak je přebarvenost, nepřirozenost obrazu, která se z výrazového prostředku snadno stává při neuvážlivém uplatnění až nepříjemnou manýrou.

Příklady

Původní snímky

• 

  -4 EV

• 

  -2 EV

• 

  2 EV

• 

  4 EV

• 

  Snížení kontrastu

• 

  Zobrazení místního tónu

• 

  Přirozený výsledek

Odkazy

Reference

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu High Dynamic Range Imaging na Wikimedia Commons
• BANDOH, Yukihiro; QIU, Guoping; OKUDA, Masahiro. Recent advances in high dynamic range imaging technology. In: 2010 IEEE International Conference on Image Processing. Hong Kong, Hong Kong: IEEE, 2010-09-XX. Dostupné online. ISBN 978-1-4244-7992-4. DOI:10.1109/ICIP.2010.5653554. S. 3125–312
• Encoding. www.anyhere.com [online]. [cit. 2021-04-15]. Dostupné online.
• HDR fotografie princip fungování, názorná ukázka, tutoriál
• Ukázky HDR fotografií
• Doupě.cz - HDR – High Dynamic Range v kostce
• HDR-Displays news (engl)
• Jak na HDR