HDR: расширенный динамический диапазон

Изображения с расширенным динамическим диапазоном (High dynamic range — HDR) позволяют фотографам отобразить больше тональных деталей, чем данная камера способна запечатлеть в одном снимке. Это открывает заново условия освещённости, которые ранее были непригодны для съёмки — по чисто техническим соображениям. Новая функция «Слияние в HDR» в Photoshop позволяет фотографу объединить серию экспозиций, снятых с вилкой (брекетингом), в одно изображение, которое содержит в себе тональные детали из всей серии.

Бесплатный сыр, однако, бывает только в мышеловке: попытка расширить тональный диапазон неизбежно удаётся за счёт снижения контрастности отдельных тонов. Умение использовать слияние в HDR в Photoshop может помочь вам извлечь максимум из вашего динамического диапазона в сложных условиях освещённости — сохранив при этом разумную контрастность.

Мотивация: дилемма динамического диапазона

По мере того как цифровые сенсоры достигают всё большего разрешения и, соответственно, меньших размеров пикселей, одно из качеств изображения, которое никак от этого не выигрывает — это динамический диапазон. В частности, это заметно при использовании компактных цифровых камер с разрешением порядка 8 мегапикселей, поскольку они больше прежнего подвержены засветкам или шумам в тенях. Потом, в некоторых сценах просто содержится больший диапазон яркостей, чем в состоянии передать современные цифровые камеры — любого типа.

«Хорошей новостью» является то, что практически любая камера в состоянии охватить большой динамический диапазон — просто не за один снимок. Просто варьируя выдержку, большинство цифровых камер могут изменить количество света, попавшего на сенсор, в 50 000 раз или более. Съёмка большого динамического диапазона пытается использовать эту характеристику посредством создания изображений, собранных из нескольких экспозиций, которые в сумме могут значительно превзойти динамический диапазон одиночной экспозиции.

Когда использовать HDR-изображения

Я предложил бы использовать HDR, только когда распределение яркости в сцене не может быть легко скомпенсировано использованием градиентного фильтра (GND), поскольку фильтры GND расширяют динамический диапазон, сохраняя при этом локальный контраст. Идеально подходят для применения градиентных фильтров сцены с простой геометрией освещения, такой как линейный переход от света к тени, который часто встречается в пейзажной фотографии (где относительно тёмная земля переходит в яркое небо).

На контрасте, сцена, распределение яркостей в которой не может быть легко скомпенсировано с использованием фильтра GND, показана на примере взгляда из арки.

Мы видим, что на снимке присутствует примерно три тональных области с резкими переходами на границах — соответственно, требуется специальный градиентный фильтр. Глядя на эту картину глазами, мы могли бы различить детали как внутри арки, так и вне её, поскольку наши глаза адаптируются к изменениям яркости. Цель применения HDR в данной главе — лучше представить, что мы могли бы увидеть своими глазами, посредством техники, называемой тональным отображением.

Внутренняя обработка файла HDR

Photoshop создаёт файл HDR, используя информацию EXIF каждого из снимков серии, чтобы определить длину выдержки, диафрагму и чувствительность ISO. В дальнейшем эта информация используется для оценки количества света, полученного из каждой части изображения. Поскольку этот свет может существенно варьироваться по интенсивности, Photoshop создаёт файл HDR, используя для описания каждого из каналов цветности 32 бита (в отличие от обычных 16 или даже 8 бит, как это описано в главе, посвящённой глубине цветности изображения). Действительным преимуществом является то, что в файлах HDR эти добавленные биты используются для создания относительно широкой шкалы яркостей, которую можно скорректировать для нужд вашего изображения. Важное отличие состоит в том, что эти добавочные биты используются иначе, чем таковые в 16-битных изображениях, которые всего лишь определяют оттенки более точно (см. главы о формате RAW и о постеризации). Обычные 8 и 16-битные изображения мы будем далее обозначать как малодиапазонные (low dynamic range — LDR) по сравнению с 32-битными.

32-битный формат файла HDR описывает расширенный динамический диапазон, используя свою разрядность для записи действительных чисел, известной также как экспоненциальная запись. Действительное число состоит из мантиссы (десятичного дробного числа от 1 до 10) и порядка, т.е., 10 в некоторой степени, например, 5.467x10³, в отличие от обычных 0-255 (для 8 бит) или 0-65535 (для 16 бит) целочисленных единиц цветности. Таким образом файл изображения может передать яркость 4,300,000,000 простокак 4.3x10⁹, что было бы слишком много даже для 32-битных целых чисел.

Заметно, что запись действительных чисел выглядит изящнее и более кратко, но как это помогает компьютеру? Почему бы просто не добавлять больше бит, чтобы определить соответствующие большие числа, и как следствие, большой динамический диапазон? Вспомним, что в обычных файлах форматов LDR гораздо больше бит используется на разницу в светлых тонах, чем в тёмных (об этом подробно рассказывает отдельная глава, посвящённая коррекции гаммы). В результате по мере увеличения числа бит всё большая их часть будет потрачена на более точное описание цвета вместо расширения динамического диапазона.

Файлы HDR решают эту дилемму снижения эффективности в LDR посредством использования действительных чисел, которые пропорциональны настоящим значениям яркости изображения (коэффициент гаммы равен 1, то есть, гамма линейная). Тем самым обеспечивается равномерное распределение бит по динамическому диапазону, отсутствует концентрация в ярких тонах — то есть, биты используются более эффективно. Далее, использование действительных чисел обеспечивает запись всех оттенков с одинаковой относительной точностью, поскольку такие числа, как 2.576x10³ и 8.924x10⁹, имеют одинаковое число значащих цифр (четыре), несмотря на то, что второе число более чем в миллион раз больше.

Примечание: так же как высокая разрядность изображения не означает, что в нём содержится больше оттенков цвета, широкий динамический диапазон файла сам по себе не гарантирует большого динамического диапазона изображения, если он не представлен в изображаемом предмете.

Все эти дополнительные биты, которые обеспечивает нам формат HDR, великолепны и позволяют нам по сути отображать практически бесконечный диапазон яркостей. Проблема в том, что дисплей вашего компьютера (или итоговый фотоотпечаток) может передать только ограниченную шкалу яркости. Данная глава соответственно фокусируется на том, как создать файлы HDR и впоследствии преобразовать их в обычное 8 или 16-битное изображение, которое можно посмотреть на экране монитора или отправить на печать. Этот процесс обычно называют тональным отображением.

Подготовка почвы

Поскольку создание HDR-изображения требует серии экспозиций с идентичным позиционированием, важна стабильность штатива. Photoshop имеет функцию, которая пытается выравнивать изображения в случае, если камера перемещалась между снимками, однако наилучшие результаты достигаются, если на неё не рассчитывать.

Не забудьте сделать как минимум три экспозиции, хотя для оптимальной точности рекомендуется пять. Увеличение числа экспозиций позволяет алгоритму HDR лучше оценить, как ваша камера преобразует свет в цифровые значения (кривую чувствительности цифрового сенсора)— создавая более равномерное тональное распределение. Пример с видом из арки лучше решается несколькими промежуточными экспозициями в дополнение к двум показанным ранее.

Важно, чтобы на наиболее тёмной из экспозиций не содержалось засветок в областях, где вы хотите ухватить детали. Наиболее яркая экспозиция должна показывать самые тёмные области изображения с достаточно высокой яркостью, чтобы они были относительно бесшумны и чётко видны. Каждая экспозиция должна быть отделена от соседней одной-двумя ступенями, и в идеале они должны быть получены изменением выдержки, а не диафрагмы или чувствительности ISO. Помните, что каждая ступень диафрагмы означает увеличение (+1 ступень) или сокращение (-1 ступень) пропускаемого света вдвое.

Заметим заодно ещё один недостаток HDR-изображений: они требуют относительно статического предмета съёмки в связи с необходимостью получения нескольких независимых экспозиций. Предыдущий пример с океаном на закате, следовательно, был бы не слишком уместен для использования техники HDR, поскольку волны значительно смещались бы между экспозициями.

Создание 32-битного файла HDR в Photoshop

Мы используем Adobe Photoshop, чтобы преобразовать последовательность экспозиций в одно изображение, которое использует тональное отображение для передачи того, что мы могли бы увидеть своими глазами. Прежде чем тональное отображение станет возможно, нам потребуется объединить все экспозиции в один 32-битный файл HDR.

Откройте инструмент HDR (File→Automate→Merge to HDR) и загрузите все экспозиции; для показанного выше примера использовалось четыре снимка. Если снимки не были сделаны со стабильного штатива, на этом шаге может потребоваться включить выравнивание (Attempt to Automatically Align Source Images), что существенно увеличивает время обработки. Нажав «OK», вы вскоре увидите сообщение «Расчёт функции чувствительности камеры» (Computing Camera Response Curves).

Когда компьютер закончит обработку, он покажет окно с комбинированной гистограммой. Photoshop вычисляет точку белого, но в результате его вычислений яркие части изображения зачастую оказываются засвечены. Вы можете сдвинуть точку белого к правой границе пиков гистограммы, чтобы получить все яркие детали. Полученное значение применяется только в целях просмотра, его потребуется определить более точно позже. Нажав «OK», вы получите 32-битное HDR-изображение, которое можно в этот момент сохранить. Учтите, что изображение может в этот момент выглядеть достаточно тёмным; только после преобразования в 16 или 8-битное изображение (с использованием тонального отображения) оно станет более похожим на желаемый результат.

На этом этапе, в виде 32-битного файла HDR, к изображению могут быть применены лишь немногие способы обработки, так что хранить его в таком виде иначе, как в целях архивации, практически бесполезно. Одной из доступных функций является компенсация экспозиции (Image→Adjustments→Exposure). Вы можете попробовать увеличить экспозицию, чтобы увидеть все скрытые детали в тенях, или уменьшить её, чтобы увидеть все скрытые яркие детали.

Использование тонального отображения HDR в Photoshop

Используем Adobe Photoshop для преобразования 32-битного HDR-изображенияв 16 или 8-битный файл LDR, применив тональное отображение. Это потребует от нас принципиальных решений о типе тонального отображения, в зависимости от предмета съёмки и распределения яркости в фотографии.

Запустите преобразование изображения в обычное 16-битное (Image→Mode→16 Bits/Channel), и вы увидите инструмент преобразования HDR. Можно выбрать один из четырёх методов тонального отображения, как описано ниже.

Прежде чем использовать любой из этих методов, сперва может быть полезно определить точки белого и чёрного, используя движки на гистограмме изображения (основы этой концепции изложены в главе «Photoshop: используем "Уровни"»). Нажмите на двойную стрелку рядом с пунктом «Тональные кривые и гистограмма» (Toning Curve and Histogram), чтобы получить гистограмму изображения и движки.

Заключительная часть данной главы фокусируется на параметрах настройки метода «локальной адаптации», поскольку он, вероятно, является наиболее используемым и обеспечивает максимальную степень свободы.

Концепция: тональная иерархия и контрастность изображения

В отличие от трёх остальных методов преобразования, локальная адаптация необязательно сохраняет общую иерархию тонов. Она транслирует интенсивности пикселей не цельной тональной кривой, а с учётом значений окружающих пикселей. Это означает, что в отличие от использования тональной кривой, тона на гистограмме могут быть не просто растянуты и сжаты, но могут и пересекаться в позициях. Визуально это означает, что часть изображения, которая изначально была темнее другой части, может получить аналогичную яркость или даже стать ярче — пусть даже ненамного.

Очевидным примером случая, когда тональная иерархия сохраняется, является использование градиентного фильтра для расширения динамического диапазона (хотя это не является примером работы локальной адаптации). В этом примере, несмотря на то что морская пена и блестящие камни на переднем плане в действительности темнее, чем поверхность океана на расстоянии, итоговое изображение передаёт океан вдалеке как более тёмный. Ключевая концепция состоит в том, что при переходе к дальней части картины наши глаза адаптируются к изменению яркости (как при взгляде на яркое небо), тогда как на ближней дистанции адаптироваться незачем. Имитация этой характеристики зрения может рассматриваться как цель метода локальной адаптации — в частности, для распределений яркости, которые более сложны, чем простой вертикальный переход, как на берегу океана на закате.

Пример более комплексного распределения яркости показан ниже для трёх изображений статуи. Мы называем контраст на большой части изображения общим, тогда как изменения контраста в малых частях называются локальной контрастностью. Метод локальной адаптации старается сохранить локальную контрастность, снижая общую (аналогично тому, что происходит с примером заката в океане).

На примере выше проиллюстрировано визуально, как локальный и глобальный контраст влияют на изображение. Обратите внимание, как крупномасштабные (глобальные) полосы света и тени преувеличены в случае высокой общей контрастности. Наоборот, в случае с низкой глобальной контрастностью лицо статуи в анфас имеет практически одинаковую яркость с профилем.

Исходное изображение смотрится прекрасно, поскольку все тональные зоны чётко видны и показаны достаточно контрастно, чтобы выглядеть объёмно. Теперь предположим, что мы начали со среднего изображения, которое было бы идеальным вариантом для преобразования в HDR. Тональное отображение методом локальной адаптации наверняка создало бы изображение, похожее на крайнее правое (хотя, возможно, не настолько утрированное), поскольку оно сохранило бы локальную контрастность, уменьшив при этом общую (тем самым сохраняя текстуру тёмных и светлых зон).

Преобразование HDR методом локальной адаптации

Дистанция, которая отличает локальную контрастность от общей, задаётся радиусом. Радиус и порог аналогичны параметрам маски нерезкости, используемой для локального улучшения контрастности. Большая величина порога повышает локальный контраст, но при этом существует риск возникновения дефектов гало, тогда как чрезмерно малый радиус может придать изображению блёклость. Для любого выбранного изображения рекомендуется подбирать оба параметра для получения нужного эффекта, поскольку их идеальное сочетание зависит от изображаемого предмета.

Вдобавок к подбору величин радиуса и порога практически всегда требуется коррекция тональной кривой изображения. Этот подход идентичен описанному в главе об использовании кривых, где малые и плавные изменения в форме кривой практически всегда идеальны. Такая кривая показана для нашего примера с аркой вместе с результатом её применения.

HDR-изображения, преобразованные в 8 или 16 бит, зачастую требуют доработки с целью повышения точности цветопередачи. Лёгкое использование уровней и коррекции насыщенности может невероятно улучшить проблемные зоны в изображении. В общем, зоны, прибавившие в контрасте (более крутой участок тональной кривой), покажут заодно усиление насыщенности цвета, тогда как при уменьшении контраста происходит обратное. Изменения в насыщенности порой могут быть желаемыми, как при высветлении теней, но в большинстве других случаев их следует избегать.

Основная проблема метода локальной адаптации в том, что он не может отличить падающий свет от отражённого. В результате он может ошибочно затемнить натурально-белые текстуры и высветлить более тёмные. Помните об этом, подбирая радиус и порог, так чтобы минимизировать данный эффект.

Совет: используйте HDR для снижения шума в тени

Даже если изображаемая сцена не требует расширения динамического диапазона, итоговое фото всё же может выиграть от его побочного эффекта: снижения шума в тени. Замечали, что цифровые изображения всегда более шумные в тени, чем в ярких зонах? Происходит это потому, что соотношение сигнал-шум в изображении выше, когда светосигнал сильнее. Вы можете обратить это себе на пользу, объединяя правильно выдержанное изображение с передержанным. Photoshop всегда использует для передачи выбранного тона наиболее выдержанное изображение — таким образом собирая больше света в деталях в тени (при этом без передержки).

Рекомендации

Помните, что HDR-изображения абсолютно новы — в частности, в сфере цифровой фотографии. Существующие инструменты наверняка будут значительно улучшаться; в настоящее время не существует и может никогда не появиться автоматический одношаговый процесс преобразования HDR-изображений в приятно выглядящий экранный или печатный вид. Следовательно, хорошие преобразования HDR для получения реалистичных и приятных глазу изображений требуют значительной работы и эксперимента.

Вдобавок, неверно преобразованные или проблематичные HDR-изображения после преобразования могут выглядеть блёкло. И хотя первым шагом к исправлению положения следует считать изменение параметров преобразования, применение повышения локального контраста может также дать неплохие результаты.

Как и со всеми новыми инструментами, старайтесь не злоупотреблять их использованием. Проявляйте осторожность, нарушая исходную тональную иерархию изображений; не ждите, что глубокая тень станет практически такой же светлой, как яркое небо. В примере с аркой освещённое солнцем здание и небо являются самыми яркими объектами, и они остаются такими в итоговом изображении. Чрезмерное редактирование в процессе преобразования из HDR запросто может привести к потере реализма изображения. В конечном счёте HDR следует использовать, только когда это необходимо; наилучшие результаты всегда могут быть достигнуты, если начать с хорошего освещения.