High Dynamic Range Image

Es gibt zwei gebräuchliche Möglichkeiten, die Pixelwerte in HDR-Bildern geräteunabhängig zu kodieren. Idealerweise nähern sich HDR-Kodierungen dem nichtlinearen Sinneseindruck des Auges auf Helligkeiten an. Dadurch wird vermieden, dass unterschiedliche Helligkeiten im Bild mit scheinbar unterschiedlicher Präzision kodiert werden und es zu sichtbaren Farbabstufungen kommt.

Eine Möglichkeit ist die logarithmische Kodierung, die Helligkeiten gemäß folgender Formel dekodiert:

${\displaystyle I_{\mathrm {out} }=I_{\mathrm {min} }\left({\frac {I_{\mathrm {max} }}{I_{\mathrm {min} }}}\right)^{v}}$

${\displaystyle v}$ ist hierbei die normalisierte kodierte Helligkeit, die Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Aufeinanderfolgende Werte in dieser logarithmischen Kodierung haben ein konstantes Verhältnis von ${\displaystyle \textstyle {\sqrt[{N-1}]{\frac {I_{\mathrm {max} }}{I_{\mathrm {min} }}}}}$, wobei N die Anzahl der Quantisierungsschritte ist.

HDR-Daten können auch mittels einer Kombination aus Mantisse und Exponent (als Gleitkommazahlen) kodiert werden. Aufeinanderfolgende Gleitkommazahlen haben kein konstantes Verhältnis, sondern folgen einem sägezahnförmigen Verlauf. Damit die Farbquantisierung unsichtbar bleibt, darf die relative Abstufung (Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Helligkeitswerten, geteilt durch den Wert) 1 % nicht überschreiten.[16]

Weitere Eigenschaften von HDR-Kodierungen neben der relativen Abstufung sind der Farbraum und die Farbtiefe. Auf die Speicherung der absoluten Leuchtdichte (in der Einheit cd/m²) wird oft verzichtet.

Ein JPEG-HDR-Bild, das hier dynamik­kompri­miert angezeigt wird; die Datei enthält HDR-Daten

Von der Kodierung der Pixelwerte ist das verwendete Grafikformat zu unterscheiden, das bestimmt, in welche zusätzlichen Datenstrukturen die eigentlichen Bilddaten eingebettet werden. Einige HDR-Formate unterstützen mehrere Kodierungen.

Die von den meisten Programmen unterstützten HDR-Formate sind verlustfrei komprimiert. Es wurde jedoch auch eine Erweiterung des JPEG-Formates zur verlustbehafteten Speicherung mit geringer Dateigröße entwickelt.[17][18] Dieses „JPEG-HDR“-Bild speichert eine dynamikkomprimierte Version eines HDR-Bildes als gewöhnliche JFIF-Datei, fügt aber in einem zusätzlichen Marker ein Verhältnisbild hinzu, das die HDR-Informationen kodiert. JPEG-HDR ist ebenso wie andere JPEG-Formate für HDR-Bilder, etwa Kodaks ERI-JPEG oder das von der Software Panorama Tools verwendete FJPEG, zurzeit (2009) wenig verbreitet.[19]

Die herstellerabhängigen, internen Dateiformate von Digitalkameras (Rohdatenformate oder Raw-Formate) bieten mit 10 bis 14 Bit (linear kodiert, meist mit Offset, 1:1.024 bis 1:15.360) eine ähnliche Dynamik wie gewöhnliche sRGB-8-Bit-Bilder (nicht linear kodiert, 1:3.300), erreichen aber bei weitem nicht den Dynamikumfang von HDR-Bildern. Sie können noch als LDR-Formate[20] oder allenfalls als Medium Dynamic Range, Formate mit mittelgroßem Dynamikumfang, bezeichnet werden.[21] Dessen ungeachtet ist es möglich, Raw-Dateien in HDR-Formate zu konvertieren. Die als IEC-Norm veröffentlichte scRGB-Kodierung weist ebenfalls nur einen mittelmäßigen Dynamikumfang auf.[22]

Digitale Bildsensoren mit hohem Dynamikumfang befinden sich in der Entwicklung. Zwar sind bereits einige dieser Produkte auf dem Markt, aber nur wenige umfassende Lösungen verfügbar.[23] Der Preis für professionelle HDR-Kameras bewegt sich im Bereich von 50.000 US-Dollar (2008).[24] Selbst hochwertige Bildsensoren sind jedoch noch nicht in der Lage, den Dynamikumfang beliebiger natürlicher Szenen vollständig abzudecken, insbesondere von Außenaufnahmen an einem sonnigen Tag. Zu den vermarkteten oder entwickelten Produkten zählen:

• Die Viper-Filmstream-Filmkamera des Unternehmens Grass Valley weist mit drei Größenordnungen einen mindestens zehnmal höheren Dynamikumfang als herkömmliche Digitalkameras auf. Diese Kamera erfordert zur Speicherung der Videodaten Festplatten mit hoher Kapazität, was den mobilen Einsatz einschränkt.

• SMaL Camera Technologies und Pixim haben CMOS-Sensoren mit VGA-ähnlicher Auflösung produziert, die Bilder mit einem Dynamikumfang von vier Größenordnungen in Videogeschwindigkeit erfassen können. Einige Hersteller bieten Foto- und Überwachungskameras mit diesen Sensoren an.

• Point Grey Research hat die LadyBug-Kamera („Marienkäfer“) entwickelt, die dank mehrerer Sensoren 75 % der Sphäre gleichzeitig und mit einem Dynamikumfang von über vier Größenordnungen fotografieren kann.

• SpheronVR bietet die SpheroCam HDR an, die einen Zeilen-CCD enthält. Durch die automatische Rotation der Kamera sind Panoramabilder mit einem Dynamikumfang von 5,5 Größenordnungen in hoher Auflösung möglich.

• Die Civetta der Weiss AG bietet ein automatisches Aufnahmeverfahren für vollsphärische HDR-Aufnahmen und erzeugt Bilder, die messtechnisch kalibriert sind, bei einem Dynamikumfang von bis zu 28 Blendenstufen.
• Das Panoramasystem piXplorer 500 von CLAUSS erzeugt messtechnisch kalibrierte HDR-Panoramaaufnahmen mit einer Auflösung von 500 MPixel bei einem Dynamikumfang von 26 Blendenstufen (erweiterte Version: bis zu 36 Blendenstufen).

• Am Institut für Mikroelektronik Stuttgart wurde ein Sensor mit der Bezeichnung HDRC entwickelt, der das menschliche Auge in Empfindlichkeit und Dynamikumfang übertrifft.[25] Der effektive Dynamikumfang beträgt 120 dB bei 50 Bildern pro Sekunde.[26] Dieser Sensor ist Teil eines von Omron angebotenen Entwicklerkits.

• Für die professionelle Fotografie bieten einige Hersteller Kameras mit hohem Dynamikumfang an, etwa die Leica S1 Alpha/Pro, Jenoptik eyelike MF und LEAF c-most. Diese Kameras wurden entwickelt, um professionelle Fotografen, die Filme wegen ihres höheren Dynamikbereiches Digitalbildern vorziehen, zum Umstieg zur Digitalfotografie zu bewegen. Zur Unterdrückung des Bildrauschens werden die Sensoren dieser Kameras aktiv gekühlt.

• Fujifilm entwickelte den Super-CCD-Sensor, der Fotodioden mit unterschiedlicher Lichtempfindlichkeit enthält. Ein Bild mit erweitertem Dynamikbereich kann in einer Aufnahme erzeugt werden, indem die Signale der empfindlichen und der weniger empfindlichen Dioden kombiniert werden. Der Sensor hat eine geringere effektive Bildauflösung als herkömmliche Bildsensoren. Außerdem wird nur die maximal erfassbare Leuchtdichte erhöht; Kontraste in Schattenbereichen werden nicht verbessert. Der Sensor ist in mehreren semiprofessionellen Kameras der Finepix-Serie eingebaut.

Neben diesen Produkten zur direkten Aufnahme von HDR-Bildern gibt es Kameras für den Amateur- und semiprofessionellen Markt, die automatisch HDR- oder dynamikkomprimierte LDR-Bilder aus mehreren Aufnahmen mit unterschiedlichen Belichtungseinstellungen erzeugen können (siehe nächster Abschnitt). Hierzu reicht ein herkömmlicher Bildsensor aus. Als erste Kompaktkamera bot die Ricoh CX1 im März 2009 diese Funktion in Form eines Doppelbelichtungsmodus zur „Erhöhung des Dynamikumfangs“ an.[27]

Mit etwas Aufwand ist es möglich, auch mittels herkömmlicher Digitalkameras HDR-Bilder zu erzeugen. Dabei wird von der Szene eine Belichtungsreihe aufgenommen, bei der jede Bildregion in mindestens einem der Einzelbilder korrekt belichtet wird. Die Einzelbilder werden anschließend per Software zu einem HDR-Bild kombiniert. Wichtig ist dabei, dass sich das Motiv zwischen den einzelnen Aufnahmen nicht bewegt. Obwohl es bis zu einem gewissen Grad möglich ist, Verwacklungen nachträglich zu korrigieren, wird die Verwendung eines Fotostativs empfohlen.

Damit aus der Belichtungsreihe korrekte Helligkeitsdaten berechnet werden, sind die Lichtwerte der Einzelbilder (oft ohnehin in den Exif-Einträgen der Bilddateien gespeichert) sowie die opto-elektronische Übertragungsfunktion der Kamera erforderlich. Da die Übertragungsfunktion von den meisten Herstellern nicht veröffentlicht wird, sollte sie selbst ermittelt werden, idealerweise anhand einer Kalibrierungsszene mit möglichst vielen Grautönen.[28] Nach der Erzeugung des HDR-Bildes sollte die Linsenstreuung (Lens Flare) der Kamera herausgefiltert werden, um übermäßige Lichtstreuungen im Bild zu vermeiden.

Aus einer Belichtungsreihe wird ein HDR-Bild erzeugt. Durch Tone Mapping wird aus dem HDR-Bild ein Bild für normale LDR-Displays erzeugt, das alle Details der dunklen und der hellen Bildregionen enthält (links: Belichtungsreihe, mitte: HDR-Bild in Falschfarbendarstellung, rechts LDR-Bild nach Tone Mapping)

Ein besonderes Problem mit fotografischen Techniken stellt die korrekte Aufnahme der direkt sichtbaren oder reflektierten Sonne dar, da es hier selbst bei kleinster Blende und Belichtungszeit zu massiven Überbelichtungen kommt. Die korrekte Leuchtdichte der Sonne kann mit Hilfe eines Neutraldichtefilters[29] oder indirekt durch unterschiedliche Beleuchtungen einer diffus reflektierenden Kugel[30] ermittelt werden.

Auch von Durchsichtvorlagen wie Dias, Negativen und Filmstreifen können durch mehrfaches Scannen mit unterschiedlichen Belichtungen HDR-Bilder rekonstruiert werden (siehe etwa Multi-Exposure).

Ein mittels Image-based Lighting gerendertes Bild. Der Hintergrund ist ein die 3D-Szene umschließendes HDR-Bild, das die künstlich modellierten Objekte im Vordergrund beleuchtet.

Neuere Grafikkarten unterstützen das hardwarebasierte Echtzeitrendern mit hohem Dynamikumfang, oft High Dynamic Range Rendering (HDRR) genannt. Dies ist besonders bei Computerspielen sinnvoll, bei denen der Spieler oft zwischen dunklen und hellen Szenen wechselt. Auch Grafikeffekte wie Linsenstreuung wirken mit HDRR realistischer. Die erreichbare Präzision und der Dynamikumfang sind durch die zur Verfügung stehende Rechenleistung beschränkt.

Eine wichtige Technik bei der Bildsynthese ist das Image-based Lighting (IBL). Hierbei wird eine 3D-Szene durch ein omnidirektionales Bild der Umgebung als HDR-Image beleuchtet.[31]

Diffus reflektierende Drucke sind prinzipiell LDR, da die maximale Helligkeit von der Umgebungsbeleuchtung abhängt. Um HDR-Bilder in Druckmedien darzustellen, müsste lichtemittierendes Papier erfunden werden. Es wäre allenfalls denkbar, Blendeffekte hinzuzufügen, um wie in der Malerei die Illusion eines helleren Lichtes zu erzeugen, als durch das Medium dargestellt werden kann.[32] Möglich ist auch die Aufnahme gedruckter Bilder durch eine Kamera und anschließende Rückprojektion auf das Bild (siehe Superimposing Dynamic Range).[33] Folien und fotografische Filme besitzen zwar einen (möglicherweise bis zu zehnmal) höheren Dynamikumfang als Drucke, sind aber in der Anwendung problematisch.[34]

Kathodenstrahlröhrenbildschirme besitzen technisch gesehen einen hohen Dynamikumfang, weil sie zur Darstellung sehr geringer, nicht mehr wahrnehmbarer Helligkeiten fähig sind. In der Praxis ist dies jedoch irrelevant, da ihre maximale Leuchtdichte zu gering ist, als dass HDR-Bilder mit der erwünschten Wirkung angezeigt werden könnten. Herkömmliche Flüssigkristallbildschirme hingegen sind zwar zur Darstellung hoher Helligkeiten in der Lage, allerdings ist die Lichtstreuung in benachbarte Pixel recht hoch, was den effektiven Dynamikumfang begrenzt.[35]

Erste Prototypen von HDR-Anzeigegeräten existieren spätestens seit 2004.[36] Dazu gehört der HDR-Bildschirm DR37-P von BrightSide Technologies (vormals Sunnybrook Technologies, mittlerweile von Dolby übernommen). Bei diesem Bildschirm handelt es sich um einen Flüssigkristallbildschirm (LCD), der nicht von einer gleichmäßigen Lichtquelle, sondern von einer Matrix aus Leuchtdioden mit individuell regelbarer Helligkeit beleuchtet wird. Bilddetails werden vom LC-Bildschirm angezeigt, während die großen Helligkeitsunterschiede durch die Leuchtdioden moduliert werden. Die Leuchtdioden-Matrix kann eine geringe Auflösung besitzen, da Helligkeitsunterschiede in der Nähe heller Pixel ohnehin durch die Punktspreizfunktion des Auges maskiert werden. Die Helligkeit des Bildschirms reicht von 0,015 bis 3000 cd/m²; damit beträgt der Kontrastumfang etwa 200.000:1.[37]

Weitere Entwicklungen von HDR-Ausgabegeräten sind vor allem im Digitalkinobereich zu finden. Die meisten digitalen Projektionssysteme für Kinos basieren auf dem Digital Micromirror Device von Texas Instruments, einem Mikrospiegelaktor.[38] Dabei handelt es sich um eine hochauflösende Matrix aus elektronisch gesteuerten Spiegeln, die Licht entweder auf eine Leinwand oder auf einen Absorber spiegeln können. Helligkeitsabstufungen entstehen durch Pulsweitenmodulation. Der praktische Dynamikumfang kommerzieller Mikrospiegelaktoren liegt bei etwa 500:1.[38]

Ein HDR-Bild nach Anwendung vier verschiedener Tone-Mapping-Operatoren

Unter Tone Mapping, auch Tone Reproduction genannt, versteht man die Umwandlung eines HDR-Bildes in ein LDR-Bild, indem der Kontrastumfang verringert wird. Dies ist notwendig, um ein HDR-Bild angenähert auf einem herkömmlichen Anzeigegerät oder Medium darstellen zu können. Der naturgetreue Kontrasteindruck geht dabei verloren. Umso wichtiger ist es, die besonderen Eigenschaften des HDR-Bildes, etwa den Detailreichtum in dunklen und hellen Bildregionen, so gut wie möglich beizubehalten. Tone-Mapping-Operatoren sind üblicherweise darauf abgestimmt, möglichst natürlich wirkende oder detailreiche Resultate zu erzeugen. Manche HDR-Software enthält jedoch auch Operatoren, die dem Anwender einen künstlerischen Spielraum lassen.

Man unterscheidet verschiedene Arten von Tone-Mapping-Operatoren. Die einfachsten Verfahren verarbeiten jedes Pixel unabhängig. Diese globalen Tone-Mapping-Operatoren sind vergleichsweise schnell und eignen sich daher für Anwendungen, bei denen das Tone Mapping in Echtzeit stattzufinden hat. Sogenannte lokale oder frequenzbasierte Operatoren sind in der Lage, Bilder mit einem besonders großen Kontrastumfang ohne übermäßigen Detailverlust zu komprimieren. Hierbei werden Bildregionen mit hohem Kontrast stark, Regionen mit geringem Kontrast weniger stark komprimiert. Derartige Verfahren erfordern besondere Techniken, um Bildartefakte wie Halos zu vermeiden. Schließlich gibt es noch gradientenbasierte Verfahren, die die Helligkeitsgradienten des HDR-Bildes abschwächen.

Dass viele Tone-Mapping-Operatoren auf Erkenntnissen über die visuelle Wahrnehmung basieren, liegt nicht zuletzt daran, dass der Mensch selbst das Tone-Mapping-Problem scheinbar mühelos löst.[39] So können Operatoren beispielsweise die helligkeitsabhängige Farb- und Schärfewahrnehmung simulieren, was besonders bei Nachtszenen zu realistischeren Ergebnissen führt.[40] Das neuere iCAM06-Modell berücksichtigt eine Vielzahl von Effekten der menschlichen Wahrnehmung.[41] Viele Tone-Mapping-Operatoren setzen absolute Helligkeitswerte voraus.

Beispiel für eine künstlerische Anwendung des Tone Mappings

Beispiel für eine missbräuchliche Anwendung des Tone Mappings (Pseudo-HDR aus einem Bild ohne Belichtungsreihe)

Ein Problem bei der Darstellung von HDR-Bildern sind Haloartefakte, die häufig beim Tone Mapping mit einfachen lokalen Tone-Mapping-Algorithmen entstehen. Moderne Tone-Mapping-Operatoren vermeiden derartige Artefakte; physiologisch basierte Operatoren wie iCAM06 liefern auch bei schwierigen Lichtverhältnissen plausible Ergebnisse.

Einige HDR-Programme enthalten Tone-Mapping-Operatoren, die dem Benutzer absichtlich eine große Freiheit bei Parametereinstellungen lassen. Erik Reinhard kritisiert, dass dies den Benutzer dazu verleite, Tone Mapping als Effektmittel zu missbrauchen. Halos, merkwürdige Kontraste und zu gesättigte Farben, die eigentlich von Unzulänglichkeiten des verwendeten Tone-Mapping-Algorithmus herrühren, würden von einigen Anwendern als künstlerische Effekte missverstanden. Dadurch entstünde der falsche Eindruck, HDRI sei mit einem bestimmten „Stil“ verbunden.[42] Christian Bloch ermutigt zwar zur kreativen Nutzung von Tone-Mapping-Operatoren, empfiehlt aber, das Resultat „impressionistische Fotografie“ oder „Hyperrealismus“, nicht aber irreführend „HDRI“ zu nennen.[43]

Unter den Bezeichnungen Exposure Blending, Exposure Fusion, „Dynamic Range Increase“ oder „Pseudo-HDR“ wurden Methoden vorgestellt, die unterschiedlich belichtete Bilder ausschließlich per Bildbearbeitung zusammenfügen, um über- und unterbelichtete Bereiche zu vermeiden. Exposure-Blending-Techniken haben jedoch nichts mit HDRI zu tun, da sie keinerlei HDR-Daten verarbeiten. Im Idealfall ist die Qualität der per Exposure Blending erzeugten Bilder mit denen des HDRI-Prozesses vergleichbar.[44]