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High dynamic range

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Fotografia HDR da Catedral Nacional de Washington.

Em processamento de imagens, gráficos por computador e fotografia, as imagens de alta faixa dinâmica (HDR) são um conjunto de técnicas que permitem uma melhor faixa dinâmico de luminancias entre as zonas mais claras e as mais escuras de uma imagem, do que técnicas de imagem digital regular ou métodos fotográficos podem oferecer. Esta faixa dinâmica mais extenso permite às imagens HDR representar com mais exactidão a extensa faixa de níveis de intensidade encontrados em cenas reais, que vão desde luz solar directa até a débil luz das estrelas.[1]

Os dois principais origens das imagens HDR são o renderizado por computador e a mistura de múltiplas fotografias, que a sua vez são conhecidas como fotografias de baixa faixa dinâmica (LDR)),[2] também chamadas de faixa dinâmico regular (SDR).[3]

As técnicas de mapeado de tons, que reduzem todo o contraste para facilitar que dispositivos com menos faixa dinâmica mostrem imagens HDR, podem se aplicar para produzir imagens conservando ou exagerando o contraste localmente para realizar um efeito artístico.

Conteúdo

Exemplo

Fotografias

–4 paradas

–2 paradas

+2 paradas

+4 paradas

Unidas a HDR e depois reduzidas a LDR

Redução de contraste simples

Mapeado de tons localizado

Fotografia

Em fotografia, a faixa dinâmica mede-se em diferenças de valor de exposição EV (conhecidas como paradas) entre as partes da imagem mais claras e mais escuras que mostram detalhe. Um incremento de um EV ou uma parada é uma duplicación da quantidade de luz.

Faixa dinâmica de alguns dispositivos
Dispositivo Paradas Contraste
Ecrã LCD 9.5 700:1
Câmara DSLR (1Dmk2) 11[4] 2048:1
Filme de impressão 7[4] 128:1

As fotografias HDR conseguem-se em general capturando várias fotografias regulares, usando com frequência bracketing de exposições, e depois combinando em uma imagem HDR. As fotografias digitais com frequência se codifican em formato RAW, próprio da câmara para imagens, porque a codificação JPEG de 8 bits não oferece valores suficientes para permitir uma transição correcta (além de introduzir efeitos indeseados devido à compressão com perda).

Qualquer câmara que permita um ajuste manual da exposição de uma foto pode se usar para criar imagens HDR. Algumas câmaras têm bracketing de exposições automático (AEB) com uma faixa dinâmica muito melhor que outras, desde os 3 EV da Canon EOS 40D, aos 18 EV da Canon EOS-1D Mark II.[5]

A Pentax K-7 DSLR tem um modo HDR que captura uma imagem HDR e depois devolve (só) um arquivo JPEG com mapeado de tons.[6]

Faixa dinâmica para a cada configuração ISO da 1Dmk2[7]
ISO Faixa dinâmica (Paradas)
50 11.3
100 11.6
200 11.5
400 11.2
800 10.7
1600 9.7
3200 8.7

Matemáticas

Proporção de contraste = 2(Diferença de EV)

Diferença de EV = log2(Proporção de contraste)

O facto de que um incremento de um EV indique uma duplicación de luz significa que o EV se represente com frequência em uma escala logarítmica de base 2.

A percepción humana do brilho está bastante aproximada pela função potencial de Stevens,[8] que diz que ao longo de uma faixa razoável se aproxima a logarítmica, como se descreve pela lei de Weber-Fechner. Esta é a razão pela que se costumem utilizar medidas logarítmicas para a intensidade da luz.[9] [10]

Representar imagens HDR em ecrãs LDR

Redução de contraste

As imagens HDR podem-se representar facilmente em dispositivos LDR comuns, como monitores de computador ou impressoras fotográficas, simplesmente reduzindo o contraste, como todo o software de edição de imagens é capaz de fazer.

Recortando e comprimindo faixa dinâmico

Com frequência as cenas com faixa dinâmica representam-se em dispositivos LDR recortando a faixa dinâmica, eliminando os detalhes mais escuros e mais claros, ou alternativamente mediante uma curva de conversão S que comprima o contraste progressivamente e mais agressivamente nos pontos mais luminosos ou mais ensombrecidos enquanto deixa as porções intermediárias de contraste relativamente ilesas.

Mapeado de tons

O mapeado de tons reduz a faixa dinâmica, ou proporção de contraste, da imagem completa, enquanto mantém o contraste localizado (entre pixeles vizinhos), recorrendo à investigação de como o olho humano e a corteza visual percebem uma cena, tratando de representar toda a faixa dinâmica enquanto se mantém uma cor realista e o contraste.

As imagens com uma grande transformação de mapeado de tons têm sua faixa muito comprimida, criando um renderizado de baixa faixa dinâmica irreal de uma cena HDR.

Comparação com imagens digitais tradicionais

A informação armazenada em imagens HDR corresponde-se tipicamente aos valores físicos de luminancia ou radiancia que podem ser observadas no mundo real. Isto a diferença das imagens digitais tradicionais, que representam cores que deveriam aparecer em um monitor ou impressos em um papel. Portanto, os formatos de imagem HDR chamam-se com frequência “referidos a cena”, ao invés que as imagens digitais tradicionais, que são referidas a dispositivos” ou “referidas a saída”. Ademais, as imagens tradicionais se codifican pelo geral para o sistema visual (maximizando a informação visual armazenada em um número fixo de bits), que normalmente se chamam “codificação gama” ou “correcção gama”. Os valores armazenados para as imagens HDR têm normalmente uma correcção gama (função potencial), ou uma codificação logarítmica, ou valores lineares de coma flutuante, dado que as codificações lineares de ponto fixo são a cada vez menos eficientes à medida que aumentam as faixas dinâmicas.[11] [12] [13]

As imagens HDR costumam utilizar um número de bits maior que as imagens tradicionais por canal de cor para representar muitos mais cores sobre uma faixa dinâmica muito maior. Normalmente utilizam-se números de coma flutuante de 16 ou 32 bits para representar pixeles HDR. No entanto, quando se usa uma função de transferência apropriada, os pixeles HDR se podem representar para algumas aplicações com 10 ou 12 bits para luminancia e 8 bits para crominancia sem introduzir nenhum artefacto de cuantificación visível.[11] [14]

HDR em videojuegos

Este realismo aplica-se às animações em 3D ou aos videojuegos. Os primeiros videojuegos em utilizar esta tecnologia foram Far Cry e Half-Life 2: Lost Coast. Um exemplo bastante interessante são as imagens HDR que caracterizam a Tom Clancy's Rainbow Six: Vegas.

Hoje em dia existem vários videojuegos com esta característica para dar maior "realismo" gráfico, particularmente a videojuegos com um tema de jogo onde apareçam elementos detalhados e muito definidos, como pessoas, animais, ambientes naturais, etcétera, e a sua vez para aumentar a qualidade de gráficos do sistema, e por outro lado, procura chamar a atenção e satisfazer ao jogador no que a qualidade de gráficos se refere.

História da fotografia HDR

1850

A ideia de utilizar várias exposições para consertar uma faixa demasiada grande de luminancia foi pioneira sobre 1850 por Gustave Lhe Gray para renderizar vistas marinhas mostrando ao mesmo tempo o mar e o céu. Tal renderizado foi impossível nessa época dado que usando técnicas regulares, a faixa de luminancia era demasiado grande. Lhe Gray utilizou um negativo para o céu, e outro com uma exposição maior para o mar, posteriormente combinando ambos em uma sozinha imagem em positivo.[15]

1930

As técnicas de realização de imagens HDR foram realizadas originalmente nas décadas 1930 e 1940 por Charles Wyckoff.

Suas imagens detalhadas sobre explosões nucleares apareceram na portada da revista Life em meados dos 40. Wyckoff implementou o remapeado de tons vizinhos local para combinar de diferente forma as capas de filme expostas em uma sozinha imagem de uma faixa dinâmica superior.

1980

A conveniencia do HDR tem sido reconhecida durante décadas, mas seu maior uso foi, até faz pouco, excluída pelas limitações impostas pela capacidade de processo dos computadores actual. Provavelmente a primeira aplicação prática de HDR foi a indústria de cinema no final dos 80 e, em 1985, Gregory Ward criou o formato de arquivos de imagem RGBE de radiancia, que foi o primeiro (e ainda o mais utilizado) formato de imagem HDR.

O conceito de vecindad de mapeado de tons de Wyckoff foi aplicado às câmaras de vídeo por uma equipa do instituto Technion de Israel liderado pelo professor E. E. Zeevi, que solicitou uma patente de seu conceito em 1988. Em 1993 apresentou-se a primeira câmara médica comercial, que realizava capturas de múltiplas imagens com diferentes exposições em tempo real, e produzia imagem de vídeo HDR.[16]

As técnicas de imagem HDR modernas utilizam uma aproximação completamente diferente, baseada na realização de uma luminancia ou mapa de luz de grande faixa dinâmica, utilizando unicamente operações globais sobre imagens (sobre a imagem completa), e posteriormente realizando um mapeado de tons sobre o resultado. O HDR global foi introduzido primeiramente em 1993,[17] dando resultado a uma teoria matemática sobre várias imagens expostas diferentes que tratavam da mesma matéria que foi publicada em 1995 por Steve Mann e Rosalind Picard.[18] Em 1997 esta técnica do HDR global de combinar várias imagens expostas de maneira diferente para produzir uma única imagem HDR foi apresentada à comunidade de gráficos por computador por Paul Debevec.

Este método foi desenvolvido para produzir uma imagem de grande faixa dinâmica desde um conjunto de fotografias tomadas com uma faixa de exposições. Com a crescente popularidade das câmaras digitais e o software de escritorio de fácil uso, o termo HDR passa a ser utilizado popularmente para referir a este processo. Esta técnica de composição é diferente de (e pode ser de muita menor ou maior qualidade que) a produção de uma imagem desde uma única exposição de um sensor com uma grande faixa dinâmica. O mapeado de tons também é usado para mostrar imagens HDR em dispositivos com uma faixa dinâmica menor, como um ecrã de computador.

1996

Steve Mann desenvolveu e patenteou o método HDR global para produzir imagens digitais tendo uma ampla faixa dinâmica no Laboratório de Meios MIT. O método de Mann incluía um procedimento de dois passos: (1) gerar um único array de imagem de coma flutuante só mediante operações globais (operações que afectam a todos os pixeles por igual, sem fixar em seus arredores); (2) converter este array imagem, utilizando um processamento local de zonas (remapeado de tons, etc.), em uma imagem HDR. O array imagem gerado pelo primeiro passo do processo de Mann chama-se uma “imagem de pouco espaço” ou “mapa de radiancia”. Outro benefício do processo de criação de imagens HDR global é que proporciona acesso à luz intermediária ou ao mapa de radiancia, que tem sido utilizado para visão por computador, e outras operações de processamento de imagens.

1997

No ano 1997 esta técnica de combinar várias imagens expostas de maneira diferente para produzir uma única imagem HDR foi apresentada ao público por Paul Debevec.

2005

O Photoshop CS2 introduziu a função combinar a HDR.[19]

Em muitos aspectos, a função HDR do Photoshop CS2 é o santo grial da faixa dinâmica. Com uma fotografia acertada e arquivos processados permite aos fotógrafos criar imagens facilmente que dantes tivessem sido impossíveis, ou pelo menos muito difíceis de realizar. Mas, com o bom que é, ao igual que uma arma ou a energia nuclear, pode ser igual de mau que bom.

Não todas as imagens precisam ter de 10 a 15 paradas de faixa dinâmico. De facto, muitas fotografias ficam bastante bem com as 5-7 paradas de faixa dinâmico às que estamos acostumados. Espero ver algumas imagens tontas ou francamente feias nos meses venideros, à medida que os fotógrafos obtenham suas cópias de Photoshop CS2 e empiecena descobrir do que é capaz a função HDR.

Mas, como com toda a ferramenta, nas mãos de artistas sensíveis ou artesãos competentes, estou seguro de que começaremos a mostrar o mundo de novas e excitantes formas.


Michael Reichmann, Luminous Landscape[19]

Vídeo

Até faz pouco não tinha exemplos “puros” de cinematografía baseada em HDR, dado que os efeitos eram comummente usados em sequências misturadas em filmes. No entanto com a vinda do baixo custo em consumo das câmaras digitais, muitos aficionados têm começado a pendurar vídeos HDR muito curtos com mapeado de tons em Internet. Em 2008 os filmes Mobius/Quark publicaram “Sillicon Valley Timelapse”, que dizem que suporta até 1.1 milhões de frames de HDR com mapeado de tons, fazendo dele a maior fonte única de HDR com mapeado de tons disponível até a data.

Veja-se também

Métodos

Formatos

Software HDR

Referências

  1. ↑ Reinhard, Erik; Ward, Greg; Pattanaik, Sumanta; Debevec, Paul (2006). High dynamic range imaging: acquisition, display, and image-based lighting, Amsterdã: Elsevier/Morgan Kaufmann, p. 7. ISBN 978-0-12-585263-0. «Images that store a depiction of the scene in a range of intensities commensurate with the scene are what we call HDR, or 'radiance maps.' On the other hand, we call images suitable for display with current display technology LDR.»
  2. ↑ Cohen, Jonathan and Tchou, Chris and Hawkins, Tim and Debevec, Paul E. (2001). Steven Jacob Gortler and Karol Myszkowski. ed. «[Expressão errónea: operador < inesperado Real-Time High Dynammic Range Texture Mapping]». Proceedings of the 12th Eurographics Workshop on Rendering Techniques (Springer):  p. 313–320. ISBN 3-211-83709-4. 
  3. ↑ Vassilios Vonikakis and Ioannis Andreadis (2008). «Fast Automatic Compensation of Under/Over-Exposured Image Regions», Domingo Mery and Luis Roda (ed.). Advances in image and video technology: Second pacific rim symposium, PSIVT 2007, Santiago, Chile, December 17-19, 2007, p. 510. ISBN 9783540771289.
  4. ↑ a b R. N. Clark. «Filme contra Digital Summary». Consultado o 28-02-2010.
  5. ↑ «Auto Exposure Bracketing by camera model». Consultado o 18 de agosto de 2009.
  6. ↑ «The Pentax K-7: The era of in-camera High Dynamic Range Imaging tens arrived!». Consultado o 18 de agosto de 2009.
  7. ↑ R. N. Clark. «Procedures for Evaluating Digital Camera Sensor Noise, Dynamic Range, and Full Well Capacities; Canon 1D Mark II Analysis». Consultado o 21-08-2009.
  8. ↑ Stanley Smith Stevens and Geraldine Stevens (1986). Psychophysics: Introduction to its Perceptual, Neural, and Social Prospects, Transaction Publishers, pp. 208–209. ISBN 9780887386435.
  9. ↑ Vernon B. Mountcastle (2005). The Sensory Hand: Neural Mechanisms of Somatic Sensation, Harvard University Press, pp. 16–17. ISBN 9780674019744.
  10. ↑ Leslie Stroebel and Richard D. Zakia (1995). The Focal Encyclopedia of Photography, 3rd edição, Focal Press, p. 465. ISBN 9780240514178.
  11. ↑ a b Greg Ward, Anyhere Software. «High Dynamic Range Image Encodings».
  12. ↑ «The RADIANCE Picture File Format». Consultado o 21-08-2009.
  13. ↑ Fernando, Randima (2004). «26.5 Linear Pixel Avalies», Gpu Gems, Boston: Addison-Wesley. ISBN 0321228324.
  14. ↑ Max Planck Institute for Computer Science. «Perception-motivated High Dynamic Range Video Encoding».
  15. ↑ J. Paul Getty Museum. Gustave Lhe Gray, Photographer. July 9 – September 29, 2002. Retrieved September 14, 2008.
  16. ↑ Technion - Israel Institute of Technology."Adaptive Sensitivity".
  17. ↑ "Compositing Multiple Pictures of the Same Scene", by Steve Mann, in&IS T's 46th Annual Conference, Cambridge, Massachusetts, May 9-14, 1993
  18. ↑ S. Mann and R. W. Picard. «On Being ‘Undigital’ With Digital Cameras: Extending Dynamic Range By Combining Differently Exposed Pictures».
  19. ↑ a b «Merge to HDR in Photoshop CS2». Consultado o 27-08-2009.


Enlaces externos

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