HDR-Technik

Was dahinter steckt

Was ist los mit "Flickr HDR"?

© Erik Reinhard

Erstellen eines HDR-Bildes

Das Bild, welches Sie sehen wurde aus neun Einzelbildern - jeweils 1EV Abstand - erzeugt. Sie wurden zu einem High Dynamic Range Image mit der Endung .hdr kombiniert. So weit, so gut. Es gibt heute viele Programme, die das können, darunter Photoshop, HDRShop, Photosphäre, Photomatix und Artizen HDR. Sicherlich es gibt noch weit mehr, ich bin mir dessen bewusst. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass zu diesem Zeitpunkt mehrere Forderungen in einem einzigen Bild erfolgreich kombiniert wurden. Der Grund ist, dass jede der Forderungen an das Bild so umgesetzt wurden, dass im gesamten Bild ein ausgewogenes Verhältnis herrscht. Dieser Algorithmus ist es, damit jedes Pixel eine brauchbare Information enthält.

Anzeigen eines HDR-Bildes

© Erik Reinhard

Natürlich kann man nicht mit einer einzigen Belichtung diesen Dynamikumfang darstellen. Wir haben jetzt eine Reihe von Belichtungswerten, der viel größer ist, als unser armer Monitor darstellen kann. Wir haben daher dafür zu sorgen, dass diese großen Werte - auch bekannt unter der Bezeichnung "Tonmapping" - den Dynamikumfang reduzieren. Natürlich bedeutet dies, dass wir ein normales 8-Bit-Bild erzeugen müssen. Man kann sich vorstellen, dass dies auch bedeutet, dass wir uns irgendwie von Informationen befreien müssen. Aber wie sollte das funktionieren? Kurz gesagt, wir wissen es nicht genau. Es hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der des Bildes. Auch vom dynamischen Bereich des Monitors, von der Beleuchtung im Raum, in dem man das Bild anzeigt und auf den spezifischen Zustand des menschlichen visuellen Systems der Beobachter.

Im Grunde können wir einfach das High Dynamic Range Bild in einen anzeigbaren Bereich von 0 - 255 umrechnen. Das Ergebnis ist das Bild hier auf der rechten Seite. Wie Sie sehen können, ist dies hauptsächlich eine erfolglose Überstellung der Szene an der wir interessiert sind. Wenn jedoch die Dynamik reduziert wird, können wir ein HDR-Bild erfolgreich darstellen: Alle Pixel werden am Monitor in anzeigbare Werte umgesetzt. Leider sind die meisten Pixel zu dunkel und unsichtbar für die menschliche Wahrnehmung.

Dieses Beispiel zeigt, dass wir versuchen sollten, zusätzlich zu den Helligkeitswerten auch alle anderen Informationen der Szene, die wir fotografiert haben, in das HDR-Bild einzubringen. Das ist aber genau der Punkt, wo es schwierig wird. Wir wollen keine Eigenschaften im Bild, die den Effekten von "Computer Art", "Surrealismus" oder "Hyperrealismus" ähnlich sind. Wir wollen ein Bild, welches unsere visuelle Wahrnehmung zum Zeitpunkt des otografierens wiedergibt. In der Praxis könnten wir nun versuchen, das allgemeine Aussehen der Szene mittels Helligkeit, Kontrast, und, und, ... anzupassen. Es gibt viele Möglichkeiten.

Wir können jedoch nicht alle Attribute einer Szene zugleich erhalten und haben daher eine Auswahl zu treffen. Das ist alles völlig in Ordnung. Aber es sollte klar sein, dass abhängig von der Wahl, die wir machen, wir ein Bild bekommen, das einen gewissen "Ausdruck" oder ein "Gefühl" wiedergibt. Das Problem hier ist aber, dass diese Entscheidungen im Prinzip nicht von Ihnen, dem Fotografen getroffen werden, sondern von den Entwicklern der Programme, die Sie für die Bearbeitung von High Dynamic Range Images verwenden. Manchmal kann man einige Parameter nicht so verändern, wie man gerne möchte sondern nur in einem begrenzten Bereich, wobei das endgültige Ergebnis oft nicht seinen eigenen Wünschen entspricht.

Das Problem

Nun wieder zurück zum Bild am Anfang dieser Seite. Soll es wird auf dem Monitor dargestellt werden, so bedeutet dies, dass alle Werte innerhalb der Möglichkeiten des Monitors liegen müssen. Die Designer des Programms zur Umsetzung mittels Tonemapping haben einem bestimmten "Look and Feel"-Stil eingebaut. Manche Leute mögen es, und einige, wie ich, nicht. Ich habe mit diesem Bild das Problem, dass es nicht mehr eine natürliche Darstellung der Szene ist, die ich fotografiert habe. Ich nahm ein schweres Stativ mit und nahm mir die Mühe, um eine Sammlung von neun Bildern zu erzeugen. Ich habe diese Fotografien dann durch die Software zu einem einzigen High Dynamic Range Image vereint. Nach so viel Mühe erwarte ich, dass meine Tonemapping-Software, ein Bild erzeugt, das sich so nah wie möglich an die Szene orientiert, die ich mit meinen eigenen Augen gesehen habe.

Mit anderen Worten: Tonemapping sollte ein natürliches Bild ergeben. Wenn ich wollte, dass das Bild um einen besonderen "Look" oder "Stil" bekommt, wäre ich durchaus in der Lage, das Bild auch durch eine Reihe von Photoshop-Filtern in diese Richtung zu verändern. Tonemapping hat nur einen einzigen Zweck: die Dynamik des HDR-Bildes so zu erhalten, dass ein natürliches Bild auf einem Monitor abgebildet wird, ohne dass es in irgendeiner Weise verfremdet wird.

Das Bild oben ist nicht das, was ich erwartet oder gewollt habe. Es ist nicht natürlich. Der Programmierer des Tonemappings hat etwas getan, was ich nicht wollte. Leider ist das Bild oben keine Ausnahme. Die Flickr-Seite hat Unmengen von HDR-Bildern, bei denen das Tonemapping falsch angewandt wurde. Ich würde behaupten, dass die überwiegende Mehrheit der HDR-Bilder auf dieser Website verkorkste Versuche sind. Ich bin nicht überrascht, dass nun auch eine Flickr-Gruppe namens "Ich hasse HDR" existiert. Fotografen sind gespalten, ob HDR eine gute Sache ist oder eine schlechte. Dies ist wirklich schade.

HDR: Gut oder Schlecht?

© Erik Reinhard

Ich denke, dass HDR eindeutig eine gute Sache ist - wenn sie richtig eingesetzt wird. Diese Technologie ermöglicht es Fotografen, Fotos zu machen, die sie sich sonst nicht einmal im Traum vorstellen könnten. Das erzeugte Bild auf dieser Seite ist nur ein Fallbeispiel. Ohne die Technik der Belichtungsreihe würden wir nie in die Sonne schießen (und ja, ich weiß, dass diese besondere Foto ein Problem hat - in der Tat hat es einen Lichtreflex, es wurde für die Zwecke der Demonstration in meinem neuen Buch über die Farbe Bildgebung verwendet. Es ist einfach passiert und auch ein gutes Beispiel, um zu zeigen, was typischerweise schief läuft beim Tonmapping). Das rechte Bild zeigt die Möglichkeiten eines solchen Fotos: Es ist klar, dass eine einzelne Aufnahme nicht die ganze Szene erfassen kann, da es sowohl unter- als auch überbelichtete Bereiche in diesem Bild gibt. Weiters haben wir auch Probleme mit Fotos von Innen-Aufnahmen, wenn darauf Fenster mit Lichteinfall sichtbar sind. Ich habe gehört, dass dieses Problem regelmäßig auftritt!

So, HDR ist also eine gute Sache. Leider ist in der HDR-Flickr-Community zu vieles falsch. Mein Ziel ist es, Ihnen klar zu machen, dass wahrscheinlich die Wahl der Software die größte Auswirkung darauf hat, ob Sie in der Lage sind, natürlich aussehende Bilder zu erzeugen. Das zweite Problem ist, dass Sie erkennen sollten, dass, sobald Sie das Bild in irgendeiner Weise lustig finden, das Bild falsch entwickelt ist. Es handelt sich um ein Artefakt, dass vermieden werden sollte! Wenn Sie bewusst ein künstlerisches Bild wollen, dann können Sie dies natürlich tun. Sie sollten dies aber bitte nicht mittels Tonemapping erreichen. Und nennen Sie es nicht "HDR".

Wenn überhaupt, dann ist das Bild am Anfang so unnatürlich, dass ich es "NPR" nennen würde, das steht für "nicht-fotorealistisches Rendering". Ich betrachte es als ein Beispiel, wie HDR schief gelaufen ist. 

Alternativen

© Erik Reinhard

Natürlich, wenn schimpfe sollte ich jetzt eine Alternative bieten. Zum Glück habe ich ein Angebot. Das Bild rechts wurde vor einigen Jahren mit einem Tonemapping Tool entwickelt mit Hilfe von Mike Stark, Peter Shirley, und Jim Ferwerda. Es ist weit verbreitet in verschiedenen Branchen und richtet sich an ein natürliches Aussehen. Das bedeutet, dass weniger Wert auf die Erhaltung jedes winzigen Details, sondern stattdessen auf einen guten Gesamteindruck gelegt wird. Es führt nicht zu einem spektakulären Ergebnis, sondern nur zu einem natürlichen Aussehen. Ich denke, das das Bild erreicht dies. Sie können fast fühlen, dass es 6:30 am Morgen ist, und nicht zu warm. Es entspricht meiner Erinnerung an die Szene, die ich fotografiert habe, ziemlich genau. Dieses Bild ist nicht perfekt, aber es ist auch nicht offensichtlich falsch.

Oh, bevor Sie fragen. Dieses Tonemapping-Tools stehen kostenfrei zur Verfügung. Jeder ist eingeladen, es heruterzuladen, damit zu experimentieren, es zu verwenden und eigene Software damit zu bauen. Ich verlange keine Lizenzgebühren für diesen Baustein, angesichts der Tatsache, dass mein Chef dies bereits bezahlt hat, als ich dort arbeitete (University of Utah). Es gibt auch mehrere andere, die ihre Tools kostenlos zur Verfügung stellen. Der technisch begabte Leser kann damit experimentieren - siehe zum Beispiel PFSTools.

© Erik Reinhard

Rechts finden Sie ein anderes Bild. Dies wurde mit einem etwas obskuren Programm im Jahr 2005 erstellt, als ich mit Kate Devlin arbeitete. Es ist direkt inspiriert von dem, was wir wissen, über die menschlichen visuellen Systeme. Es enthält eine rudimentäre Form des Weißabgleiches, der sich hier als ein Bild äußert, das etwas weniger gelb ist. Allerdings glaube ich, dass dieses Bild verbessert ist gegenüber dem oben genannten, auch wenn die Sonne etwas ausbrennt. Dies hat den Effekt, der zu einem Bild mit einer wirklich hellen Sonne führt. Sehen Sie, dass die Sonne noch heller scheint  als der weiße Hintergrund dieser Seite? Es ist sehr schwierig, mit farbigen Lichtquellen wie der Sonne im Bild oben zu arbeiten.

Nun, bevor Sie denken, dass all dies eine schamlose Schleichwerbung ist, möchte ich darauf hinweisen, dass viele andere Tonemapping-Tools existieren. Einige liefern hervorragende Ergebnisse. Sie werden in der wissenschaftlichen Literatur, als auch in technischen Büchern über High Dynamic Range Imaging, einschließlich derer, an denen ich zusammen mit Greg Ward, Sumanta Pattanaik, und Paul Debevec beteiligt war, behandelt. Mehrere dieser Werke vergleichen mit Hilfe von psychophysischen Experimenten, die aber ebenfalls keine ganz klare Antwort auf die Frage geben, welche Methode am besten ist. Es hängt ein wenig von der Anwendung ab. Sie können sich vorstellen, dass zum Beispiel in der medizinischen Visualisierung, einen Tonemapping-Tool nicht natürlich sein muss. Stattdessen sollte es eine Visualisierung sein, die keine Falschdiagnose erlaubt!

Allerdings sind diese Seiten für High Dynamic Range Imaging und Tonemapping zum Zwecke der Fotografie. Meiner Meinung nach bedeutet dies, dass die visuellen Artefaktenirgends in der Bildverarbeitung vorkommen sollten, es sei denn, der Benutzer wird ausdrücklich dazu aufgefordert. Dies passiert aber derzeit auf der Flickr-Seite. Fotografen stellen ihre getonemappten HDR-Bilder in die Galerie ein und versehen diese mit Kompression vielen hässlichen Artefakten. Der "Blick" und "Gefühl" im Zusammenhang mit diesen Kompressions-Artefakten sind nun die Vertreter von HDR: Tonemapping und Ästhetik sind hoffnungslos verwechselt. Das ist falsch. Der Zweck dieser Mikro-Website ist es zu zeigen, dass es auch vermeidbar ist. Alles, was Sie dazu brauchen, ist ein wenig gesunden Menschenverstand und ein wenig Aufmerksamkeit. Ich möchte Sie ermutigen, einen Blick auf den Vergleich zu werfen, um zu sehen, was ich meine.