Issuu on Google+

E

N

C

Y

K

L

O

P

E

D

I

E

G

R

A

F

I

K

A

A

F

O

T

O

G

R

A

F

I

E

HDRI /high dynamic range imaging / zobrazování vysokého dynamického rozsahu/

HDRI

Kniha poodhaluje mnohá tajemství spojená s fotografováním a zobrazováním scén s vysokým dynamickým rozsahem (HDRI). Tato pronikavá technologie zpracování obrazu, která byla kdysi nejlépe střeženým tajemstvím Hollywoodu, je metodou digitálního zachycení a editace veškerých světel na scéně. Představuje velký pokrok v technologii zpracování obrazu, a to posun tak revoluční, jako byl přechod od černobílých obrazů k barevným. HDRI je zatím posledním krokem, který posouvá možnosti digitálního obrazu před analogový. V knize najdete komplexní informace, které vám umožní být v oblasti HDRI skutečně kreativní. Kniha je plná praktických rad a tipů, hodnocení softwaru, workshopů, postupů a užitečných tutoriálů. Publikace se zaměřuje, vedle obecných a vysvětlujících částí, na dvě skupiny uživatelů: na fotografy a na počítačové grafiky. Fotografům jsou určeny zejména kapitoly o fotografování scén s vysokým dynamickým rozsahem, jak HDR obrázek vytvořit a dále upravovat, a jak z něj připravit působivý obraz vhodný pro tisk nebo prohlížení na monitoru.

/high dynamic range imaging / zobrazování vysokého dynamického rozsahu/

pro fotografy a počítačové grafiky Christian Bloch

high dynamic range imaging zobrazování vysokého dynamického rozsahu

]

Vedle autora, Christiana Blocha, do knihy svými texty a obrazy přispěli Uwe Steinmueller, Dieter Bethke, Bernhard Vogl, předmluvu napsal Greg Ward.

pro fotografy a počítačové grafiky

pro fotografy a počítačové grafiky

Doprovodný disk DVD ke knize obsahuje všechno, co pro začátek potřebujete, například: • různý software (trial i plné verze); • ukázkové obrazy HDR; • soubory snímků stupňovaných expozic; • další výukový a zkušební materiál.

Pod logem ENCYKLOPEDIE – GRAFIKA A DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE vycházejí publikace určené pro všechny zájemce o grafické aplikace a fotografii, zejména fotografii digitální. Od ryze praktických příruček a průvodců až po komplexní publikace o všem, co potřebuje profesionální grafik, ale také třeba fotograf amatér. DOPORUČENÁ CENA: KATALOGOVÉ ČÍSLO:

500 KČ ZR748

HDRI

]

Podklady na disku lze použít na počítačích platformy PC i Mac, některé aplikace však jsou uvedeny ve verzích pouze pro jednu platformu.

ISBN 978-80-7413-001-4

Christian Bloch

Zoner Press tel.: 532 190 883 fax: 543 257 245 e-mail: knihy@zoner.cz http://www.zonerpress.cz

ZONER software, s.r.o., Nové sady 18, 602 00 Brno

9 7 8 8 0 7 41 3 0 0 1 4

naučte se fotografovat scény s vysokým dynamickým rozsahem seznamte se s technikami mapování tonality objevte panoramatické HDR snímky


HDRI High Dynamic Range Imaging / zobrazení vysokého dynamického rozsahu pro fotografy a počítačové grafiky

Christian Bloch


The HDRI Handbook – High Dynamic Range Imaging for Photographers and CG Artists Christian Bloch Published by Rocky Nook, Inc., 26 West Mission Street Ste 3, Santa Barbara, CA 93101, www.rockynook.com. Copyright © 2007 by Rocky Nook, Inc. © Translation: ZONER software, s.r.o., 2008. Authorized translation of the English 1st edition © 2007 by Rocky Nook, Inc. All Rights Reserved. This translation is published and sold by permission of Rocky Nook, Inc., the owner of all rights to publish and sell the same. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Rocky Nook, Inc. Všechna práva vyhrazena. Tento překlad je vydán a prodáván se souhlasem Rocky Nook, Inc. vlastníkem veškerých práv k vydávání i prodeji. Žádná část této publikace nesmí být reprodukována nebo předávána žádnou formou nebo způsobem, elektronicky ani mechanicky, včetně fotokopií, natáčení ani žádnými jinými systémy pro ukládání bez výslovného svolení Rocky Nook, Inc.

HDRI pro fotografy a počítačové grafiky (High Dynamic Range Imaging / zobrazení vysokého dynamického rozsahu) Autor: Christian Bloch. Copyright © ZONER software, s.r.o. Vydání první v roce 2008. Všechna práva vyhrazena. Zoner Press Katalogové číslo: ZR748 ZONER software, s.r.o. Nové sady 18, 602 00 Brno Překlad: Bc. Pavel Vaida Odpovědný redaktor: Karel Vlček Šéfredaktor: Ing. Pavel Kristián DTP: Lenka Křížová Informace, které jsou v této knize zveřejněny, mohou být chráněny jako patent. Jména produktů byla uvedena bez záruky jejich volného použití. Při tvorbě textů a vyobrazení sice bylo postupováno s maximální péčí, ale přesto nelze zcela vyloučit možnost výskytu chyb. Vydavatelé a autoři nepřebírají právní odpovědnost ani žádnou jinou záruku za použití chybných údajů a z toho vyplývajících důsledků. Žádná část této publikace nesmí být reprodukována ani distribuována žádným způsobem ani prostředkem, ani reprodukována v databázi či na jiném záznamovém prostředku bez výslovného svolení vydavatele s výjimkou zveřejnění krátkých částí textu pro potřeby recenzí.

Veškeré dotazy týkající se distribuce směřujte na: Zoner Press ZONER software, s.r.o. Nové sady 18, 602 00 Brno tel.: 532 190 883, fax: 543 257 245 e-mail: knihy@zoner.cz http://www.zonerpress.cz

ISBN 978-80-7413-001-4


Co najdete na přiloženém DVD Pro práci s DVD je nejhodnější použít některý z programů pro prohlížení disků a složek, např. Průzkumník Windows apod. Výhodné je, pokud můžete zobrazovat náhledy souborů. Obsahem přiloženého DVD je ve složkách Editing, HDR images, Panoramas a Tonemapping řada ukázkových obrázků, ať již zdrojových (tak jak byly vyfotografovány) nebo vytvořených HDR, spojených panoramatických HDR apod. Najdete zde většinu ukázek z knihy, ale také několik „bonusových“ snímků navíc. Většina obrázků je uložena v plném rozlišení, můžete je používat pro sledování v knize uvedených postupů nebo pro vlastní

experimentování. Obrázky není samozřejmě možné využívat pro vlastní komerční činnost. Ve složce Tools and Software najdete dvě plné aplikace (Picturenaut pro Windows a Photosphere PPC pro Mac a několik trial verzí dalších programů. Doporučuji navštívit i www.HDRLabs.com/tools (tam si vyberete, zda chcete anglickou či německou verzi stránek) a budete si moci stáhnout aktuální verze aplikací. Ve složce CGI najdete nejrůznější podklady – objekty a scény v několika různých formátech – pro testování v nejužívanějších aplikacích pro 3D počítačovou grafiku. Složka Smart IBL pak obsahuje speciální zásuvný modul připravený pro aplikace LightWave, 3dsMAX a Maya.

Další informace najdete na www.HDRLabs.com.


6

Obsah

Předmluva Úvod

10

O autorovi a přispěvatelích Přehled kapitol

Kapitola 1: Zákulisí 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

8

Základní otázky Jak vidíme svět Jak skutečná je analogová fotografie? Výstupní média Výstupní média

Kapitola 2: Nové nástroje 2.1 Formáty souborů 2.2 Porovnání formátů obrazů HDR 2.3 Software HDRI

Kapitola 3: Snímání obrazů HDR 3.1 Senzory pro HDR 3.2 Ruční práce

11 12

14 15 22 24 28 38

40 41 61 64

92 93 101


Obsah

Kapitola 4: Mapování tónů 4.1 4.2 4.3 4.4

Techniky mapování tonality Postup mapování tonality HDR pro výtvarnou fotografii Kreativní techniky mapování tónů

Kapitola 5: Zpracování obrazu HDR 5.1 Využití úplného dynamického rozsahu 5.2 Efekty fi ltrují efektivněji

Kapitola 6: Panoramatické HDR obrazy 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Panoramatický žargon Technika jednoho snímku Zrcadlová koule Zachycení po částech Skydome (obloha) Srovnání

Kapitola 7: Použití v počítačových obrazech 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Principy obrazů vytvořených počítačem Studie proveditelnosti Pokročilé techniky nastavení Chytrá simulace osvětlení reálným prostředím Kreativnější aplikace

Poslední strana Rejstřík

144 145 168 171 183

212 213 227

234 235 241 243 258 280 285

286 287 297 302 323 329 343 344

7


Kapitola 1: Zákulisí

Než budeme moci zvednout oponu a představit vytváření obrazů s vysokým dynamickým rozsahem, musíme nejprve osvětlit některé základní pojmy. Tyto pojmy jsou nezbytné pro pochopení našeho tématu a používají se v celé knize


Zákulisí

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

15

10 ‫ ډ‬Testovací obrázek s kontrastním poměrem 10:1

1.1 Základní otázky Co je to dynamický rozsah? Dynamický rozsah (DR) je nejvyšší celkový kontrast, který můžete v daném obrazu najít. Často se také hovoří o kontrastním poměru, ovšem tento pojem je méně výstižný a nezní tak „skvěle odborně“. Stejně jako v případě jakéhokoliv jiného poměru se jedná o hodnotu zapsanou například takto: 500 : 1. Tato čísla znamenají, že největší kontrast v obrázku je 500krát vyšší než kontrast nejmenší. Černou v obrázku přitom považujme za základ stupnice jasů, za hodnotu 0, a nejmenší kontrast bude mezi ní a hodnotou, která se liší o právě nejmenší rozpoznatelnou hodnotu jasu. Jste zmateni? Dobrá, začněme znovu. Podívejme se nejprve na nejmenší kontrast v obrazu. Nakreslil jsem velmi jednoduchý testovací obrázek. Pokud pruh zcela vlevo značí náš nulový bod, pruh 1 by byl prvním krokem s vyšší hodnotou jasu – tím je určen základní kontrast 1. Nyní můžeme říci, že krajní pruhy 0-10 mají desetkrát vyšší kontrast než je kontrast nejmenší. Takže kontrastní poměr tohoto obrázku – tedy jeho dynamický rozsah – je 10:1. Důležité je si zapamatovat, že DR (dynamický rozsah) vždy závisí na dvou faktorech: na celkovém rozsahu jasů a na jejich nejmenším zaznamenatelném kroku. Dynamický roz-

sah mého obrázku bychom mohli zvýšit, pokud bychom rozlišili menší kroky změny jasu, nebo pokud bychom nějak přidali další pruh, který by byl jasnější než pruh 10 nebo naopak tmavší než pruh 0. Taková je jednoduchá definice dynamického rozsahu, založená na prosté logice. Budeme ji potřebovat později, kdy budeme mluvit o tom, jak počítač vidí obraz. Fotografové a kameramani dávají přednost jinému vyjádření: měřili by dynamický rozsah pomocí rozdílu expozičních hodnot různých míst v obrazu, pomocí stupňů expozice. Jaké stupně expozice zase? Expoziční hodnota (EV, Exposure Value), je fotografické měřítko pro množství světla, které se dostane objektivem a zasáhne fotocitlivou vrstvu filmu nebo snímače. Toto množství světla závisí na rychlosti závěrky a velikosti clony. (Ke změně množství světla mohou být také použity neutrální filtry, takže i ony expozici ovlivňují.) Změna expozice o jeden stupeň (1 EV) znamená změnu množství světla na polovinu (případně obráceně na dvojnásobek). V praxi se místo stupně expozice velmi často říká „o jednu clonu“ (a obvykle se ale udává „clonové číslo“). Ovšem expozice je záležitostí i rychlosti závěrky. Abychom se vyhnuli možným nedorozuměním, budu v celé knize používat stupně expozice, např. 1 EV.


16

Kapitola 1

Expoziční časy [s]

Clona f/1

f/1.4

f/2

f/2.8

f/4

f/5.6

f/8

f/11

f/16

f/22

f/32

f/45

f/64

15

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

8

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

4

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1/2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1/4

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1/8

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

1/15

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

1/30

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

1/60

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1/125

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

1/250

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

1/500

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

1/1000

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

1/2000

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

1/4000

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Mezinárodní standardizační organizace (ISO) definuje EV 0 jako expoziční hodnotu při cloně f/1 a expozičním čase 1 sekunda. Tutéž expozici docílíte mnoha různými kombinacemi clony a expozičního času, např. f/1.4 a 2 sekundy. To proto, že změna clony z f/1 na f/1.4 je vlastně zmenšení otvoru mezi lamelami clony na polovinu. Zdvojnásobením expozičního času povolíte průchod původního množství světla. Výše uvedená tabulka znázorňuje expoziční hodnoty tak, jak jsou definovány pro film s citlivostí ISO 100. Tato tabulka byla nezbytnou součástí vybavení fotografů už odnepaměti.

S příchodem automatických expozimetrů přestala být tabulka nutným vybavením. Vše, co v některých fotoaparátech zůstalo, je přizpůsobení expozice, často označované symboly „--/-/0/+/++ EV“. Většinou nikdo nedokáže s jistotou říci, zda se tím mění rychlost závěrky nebo clona, a absolutní expoziční hodnota je zcela opominuta. Dnes vám nastavení pevné expoziční hodnoty EV, a tedy i množství přímo zachyceného světla, umožní pouze profesionální fotoaparáty. Bohužel tato těžkopádná manipulace se nevyhnula ani HDRI. Se zavedením HDRI


Zákulisí

17

‫ډ‬ V kinematografii a profesionální fotografii lidé stále spoléhají na ruční měření světla.

‫ٻ‬ V běžných fotoaparátech je absolutní expoziční hodnota zcela opomenuta.

by bylo velmi jednoduché opět zavést toto měřítko absolutní expozice jako jednotný základ pro měření. To by nám umožnilo přistupovat ke světelným hodnotám reálného světa přímo z hodnot pixelů obrazu HDR, a jelikož veškerý software pro práci s HDR by byl zkalibrován podle stejného měřítka, bylo by mnohem snazší posouvat se podle něj směrem nahoru i dolů. Vlastně duchovní otec HDRI, Greg Ward, kdysi definoval nominální expoziční hodnotu jako hodnotu, která by byla vložena v jednoduchém stylu s metadaty v každém obrazu HDR. Ovšem myšlenka implementace této vlastnosti do většiny softwaru pracujícího s HDR jednoduše upadla v zapomnění, neboť programátoři se nestarali o tento drobný fotografický detail. A třebaže to nezní jako velký problém, následkem jsou zásadní nedostatky, a proto filmaři a profesionální fotografové stále spoléhají na ruční měření světla. Automatické expozimetry jsou připojeny k fotoaparátu, takže nikdy nezměří světlo dopadající přímo na daný subjekt. Vše, co dokáží změřit, je světlo, které se odráží do fotoaparátu, to však může být v závislosti na vzdálenosti zcela jiné. Například na filmové scéně požadujete, aby všechny kamery snímaly stejný rozsah in-

tenzity světel. A aby byla expozice perfektní, kameraman změří světlo přímo na subjektu. Přiběhne k herci a umístí před jeho tvář ruční expozimetr; poté sdělí správnou expoziční hodnotu do své vysílačky. To je údaj, který musí dodržet každý kameraman, a podle kterého musí všichni nastavit své kamery. Tím je zajištěno, že se mohou vracet či posouvat ve scéně s dialogem, aniž by museli měnit nastavení. Všechny kamery jsou synchronizovány. Pokud máte ale na starosti pořizování HDR obrazů na scéně, automaticky o tuto synchronizaci přicházíte. I když byste mohli zachytit více světla než všechny kamery současně, váš obraz se automaticky nepřizpůsobí tomu, co skončí na filmu. Teoreticky má technologie HDR potenciál, ale v praxi ji většina programů nepoužívá. Provádí pouze kalibraci obrazových hodnot v obrazu HDR na danou expozici. Takže byste měli pozorně poslouchat vaši vysílačku a dělat si poznámky. Jelikož váš fotoaparát uchovává hodnoty ISO, expoziční čas a velikost clony v metadatech každého snímku, můžete tuto tabulku použít k opětovnému obnovení absolutní expoziční hodnoty. Ovšem je zde ještě naděje na jednotný světelný prostor, který odpovídá skutečnému světu.


18 Kontrastní poměr 1 :

Kapitola 1

10

100

1 000

10 000

100 000

1 milion

Rozsah EV ‫ ٻ‬Převodní stupnice: Dynamický rozsah měřený jako kontrastní poměr a rozsah EV.

Jak mohu použít expoziční hodnoty k určení dynamického rozsahu? Mluvili jsme o kontrastním poměru jako standardním způsobu měření dynamického rozsahu. Ovšem jedná se o velmi abstraktní systém, které pracuje s čísly jako 1:4000 a podobně, takže je velmi těžké představit si, co ve skutečnosti znamená; expozičním hodnotám se mnohem lépe rozumí. Když řeknu, že můj obraz HDR pokrývá celkem 12 expozičních stupňů světel dané scény, vše je jasné. Okamžitě rozumíte tomu, jak dalece jsou nejhlubší detaily stínů vzdálené od nejjasnějších odlesků. A znáte vztah skutečného světa ke všem zachyceným mezilehlým tónům. Takže podívejme se na převodní jednotku mezi kontrastním poměrem a expoziční hodnotou. Kontrastní poměr se přímo vztahuje k rozdílu v intenzitě světla. Zdvojnásobení této hodnoty znamená zdvojnásobení světla. Takže máte lineární jednotku. Expoziční hodnoty jsou v logaritmickém měřítku: každé zvýšení o jednotku světlo zdvojnásobí, což znamená, že se rovněž zdvojnásobí kontrastní poměr. Převod v jednom směru je velmi jednoduchý. Vypadá následovně: 2počet expozičních stupňů = kontrastní poměr Například pokud máte dynamický rozsah, který pokrývá 12 expozičních stupňů, je roven 212 = 4096 a lze ho tedy rovněž označit jako kontrastní poměr přibližně 4000:1.

Převod v opačném směru je poněkud složitější. Musíte spočítat logaritmus o základu 2, nebo chcete-li dvojkový logaritmus, jak jej nazývají matematici. Je pravděpodobné, že váš stolní kalkulátor nemá tlačítko „log 2“. Ten můj nemá, dokonce ani ten v počítači. Je zde známá klávesa „log“, ta se ovšem vztahuje k log 10, nikoliv k log 2. Ovšem šťastnou matematickou náhodou je zde jednoduchá převodní konstanta. Vlastně existuje matematické pravidlo, které říká, že log 2 x = (1/log10 2) × log 10 x a lze tedy pro převod použít hodnotu 1/log 102 = 3,321928. Obvykle je dostačující přesnost 3,32. Takže vzorec by vypadal následovně: Rozsah EV ≈ log10(kontrastní poměr) × 3,32 Například 4000:1 potom jednoduše znamená log 10(4000) × 3,32 ≈ 12 expozičních stupňů. Pokud vůbec nemáte chuť zaobírat se matematikou, můžete použít i převodní stupnici. Tato stupnice rovněž velmi přehledně znázorňuje, jak citlivější rozsah expozičních hodnot tvoří měrnou jednotku dynamického rozsahu. Expoziční hodnoty se prostě porovnávají mnohem snáze, než kontrastní poměry. Například rozdíl v kontrastu 1:20 000 a 1: 30 000 není ani jedna plná expoziční hodnota, bez ohledu na to, jak impozantně mohou tato čísla vypadat. Fotografové, kteří jsou zvyklí na zónový systém Ansela Adamse, okamžitě poznají, že rozsah jedné expoziční hodnoty odpovídá jedné zóně. V zásadě byste mohli tyto výrazy na-


y Světlost této řad

pixelů

Zákulisí

‫ ٻ‬Obraz jako signál. Pro zjednodušení jsem vybral jeden řádek pixelů a zakreslil světlost (jas) do grafu.

hradit v celé knize. Ovšem jelikož zónový systém je přesně uzpůsoben omezením kinofilmu, budu se držet použití neohraničené stupnice rozsahů expozičních hodnot. Není dynamický rozsah nějakou jednotkou zvuku? Ano, skutečně je. Dobrá poznámka! Také zvuk má dynamický rozsah, což je nám velmi blízko. Dynamický rozsah byl konečně ve světě techniky vždy přítomen, zejména v oboru zpracování signálů. Pro techniky digitálního zpracování obrazu je důležitým měřítkem kvality čipů senzoru. Technický dynamický rozsah je definován jako logaritmický poměr mezi největším čitelným signálem a šumem v pozadí, a jeho jednot-

kou je decibel. Takže se jedná o velkého bratra starého dobrého poměru signálu vůči šumu; jediným rozdílem je, že se používá pro celý obraz. To dává smysl, pokud budeme obraz považovat za signál. Vyzkoušejme to. Nahlížejme na obraz jako na signál. Pro zjednodušení jsem vybral jeden řádek pixelů a zakreslil do grafu světlost. Vypadá jako Beethovenova skladba, že? Můžete jasně vidět, jak je světlá rubová strana lodí znázorněna jako rostoucí vrcholy. A podívejte se na tmavě hnědé oplocení vedle lodí: v grafu je znázorněno jako malý zubatý vzorek. A keře na pravé straně snímku tvoří pouze rozechvělou čáru. Je zde spousta drobných detailů, ale celkově je obraz tmavý a málo kontrastní.

19


Kapitola 3: Snímání obrazů HDR

Foto: Uwe Steinmüller

Teď už všichni známe teoretické pozadí zobrazování ve vysokém dynamickém rozsahu, stejně jako známe dostupné nástroje. Ovšem otázkou stále zůstává, kde seženeme obrázky?


Zachycení obrazů HDR

V zásadě existují tři způsoby vytváření obrázků s vysokým dynamickým rozsahem. Za prvé, můžeme je vytvářet zcela uměle pomocí 3D programu. V dnešní době všechny renderovací enginy vnitřně pracují s 32bitovými hodnotami v pohyblivé řádové čárce. Takže data existují až do chvíle, než se finální obrázek uloží na disk. Častým zvykem je ukládání 8bitového obrázku, čímž však jednoduše zahodíme většinu drahocenného renderování. A to je opravdu škoda, neboť získání plného dynamického rozsahu renderovaného obrázku už nemůže být snazší: prostě jej uložte ve formátu EXR! (Což je rozsáhlé téma samo pro sebe, dostaneme se k němu později v kapitole 7 o renderování obrazů vytvořených počítačem.) Druhým možným způsobem je vyfotografování obrázku HDR přímo pomocí fotoaparátu s podporou HDR. Ano, i takové existují. Vím, co si myslíte, ale bohužel musím říci ne, nemůžete si jej dovolit. Alespoň prozatím. Pokud však nemáte přebytečných zhruba 900 tisíc korun. Taky byste se mohli vrátit zpět na fakultu a zapsat se do kurzu elektrotechniky. Pak byste mohli mít šanci zapojit se do práce na prototypu nového senzoru pro záznam obrazu HDR. Na něm se již pracuje v několika výzkumných laboratořích a opravdu je pouze otázkou času, než se dostane do hromadné výroby. Třetím způsobem by mohlo být pořízení série obrázků s různými expozicemi a jejich digitální sloučení do jednoho obrazu HDR. To již lze provést pomocí libovolného fotoaparátu, který umožňuje ruční nastavení expozice. Ovšem je třeba spousty ručního nastavení, a poněkud stinnou stránkou je fakt, že tato technika je do značné míry omezena na statické scény. Sloučení sekvence stupňovaných expozic do dobrého obrazu HDR je zručnost sama o sobě, o které se podrobněji zmíníme v této kapitole.

Pokud cítíte nutkání fotografovat obrázky HDR hned teď, můžete klidně přeskočit až k části 3.2 kde se dozvíte více o fotografování a slučování stupňovaných expozic. Pokud vás však zajímá i trocha technického pozadí toho, jak vývoj digitálních fotoaparátů nevyhnutelně směřuje k obrazu HDR, měli byste číst dál.

3.1 Senzory pro HDR Výrobci fotoaparátů musí neustále přicházet s novinkami. Počty megapixelů dosáhly úrovně, která je více než dostačující; již převyšují rozlišení, která bychom mohli dosáhnout u kinofilmu. Takže tahle válka již skončila. Novým bitevním polem je dynamický rozsah (DR). A tato bitva již začala. Populární web zabývající se testováním fotoaparátů, Digital Photography Review (www.dpreview.com), učinil z DR testovací kritérium, využívající určené testovací nastavení s podsvíceným grafem ve stupních šedi. Senzorová technologie je motorem této inovace a snímací zařízení obrazu (obrazový senzor, CCD) této oblasti dominovaly od osmdesátých let. Běžné obrazové senzory dokážou zachytit dynamický rozsah od 60 do 70 dB, což je hodnota ekvivalentní 10 až 11,5 EV. Špičkové obrazové senzory CCD dosahují 78 dB (13 EV), což je však bohužel horní hranice technologie obrazových senzorů CCD. Pro srovnání, slunná exteriérová scéna může obsahovat 100 až 150 dB (16 až 25 EV). Takže vtip je v tom, co může být tak složité na vytvoření senzorového čipu HDR? 3.1.1 Problém Z hlediska hardwaru problém pramení přímo z technické definice dynamického rozsahu. Jak jsme zmínili již v úvodu, dynamický rozsah je definován jako logaritmický poměr mezi největším (nejsilnějším) a nejmenším (nejslabším) čitelným signálem.

93


94

Kapitola 3

Dosazením do vzorce dostáváme: DR = 20 ×log10 Max Signal Min Signal

Ano, já vím, slíbil jsem, že nebudou žádné další vzorce. Ruším svůj slib, ale ne bezdůvodně: pokouším se totiž vysvětlit technický problém, který lze vlastně snáze pochopit pohledem na vzorec než přečtením ve větě. A nedělejte si starosti s hodnotou 20. Jedná se pouze o násobitele, který mění výsledek do čitelnější číselné hodnoty. Výsledek bude udán v jednotkách decibel (dB). Mnohem zajímavější jsou proměnné signálů. Maximální signál je nejvyšší použitelná hodnota, kterou můžete použít na pixel, než bude zcela saturovaný. Pokud by byl jen o trošku jasnější, prostě by se „ořízl“. Jednou možností, jak zvýšit dynamický rozsah, by bylo zvýšení tohoto maxima vytvořením velmi velkého a robustního senzoru. Problém je v tom, že čím výkonnější senzor, tím více produkuje šumu, a tím vyšší je jeho energetická náročnost. Získání lepšího minimálního signálu: oproti tomu minimum je nejmenší signál, který lze rozeznat od šumu. Takže v podstatě mluvíme o celkovém poměru signálu vůči šumu. Každý senzor má určitý základní šum, pocházející z elektronů náhodně rozmístěných v materiálu. Od těchto elektronů se očekává, že čekají na nějaké světlo, které je uvolní, přesto však vždy existuje pár elektronů, které jsou vybuzené příliš a stejně se uvolní. Tato situace má několik příčin a některé z nich souvisí se skutečností, že potřebujeme elektrony spočítat, a to pomocí jiných elektronů. To už však zabředáváme do zákonů kvantové fyziky – stačí si zapamatovat skutečnost, že každý senzor má určitou základní úroveň šumu. Pokud tuto úroveň šumu nějakým způ-

sobem snížíme, můžeme snímat ještě slabší signál. To by nám nahrávalo do karet, neboť náš senzor by byl přesnější a my bychom dosáhli zvýšeného dynamického rozsahu. Konec konců, vlastně existuje způsob efektivního snížení úrovně šumu v běžných čipech CCD – můžete je zchladit. Chladné elektrony začnou být líné a s menší pravděpodobností se z nich stanou zběhové. Tuto techniku používají profesionální digitální stěny a nutno říci, že funguje skvěle. Není to však levná záležitost, neboť tichý a efektivní chladící systém vyžaduje spoustu technické dovednosti. Ti, kteří pořizují snímky s digitálním středoformátem, by si nemuseli dělat starosti o peníze, ale my ostatní zřejmě tuto chladící technologii v dostupném fotoaparátu hned tak nespatříme. Vývoj: nicméně dosažení lepšího poměru signálu vůči šumu ze senzoru je výzvou pro inženýry, která existuje už od počátku. Poměr signálu vůči šumu byl vždy měřítkem pro míru kvality. Současně byl vždy indikátorem dynamického rozsahu, který můžete pomocí daného senzoru zachytit. Právě teď přichází první vlna dostupných řešení, která jsou nám k dispozici. Současné řady digitálních zrcadlovek již zvládají takový dynamický rozsah, že jej musí zabalit do proprietárních formátů RAW. Tím však věc nekončí; inženýři nedokáží jen tak jednoduše odsunout problém stranou a říci, že tohle stačí. Digitální zobrazování zkrátka přirozeně předurčuje vývoj vyšších dynamických rozsahů. Další mohutná vlna hromadí svoji energii a jakmile zasáhne pobřeží, zasáhne každého. Každého, kromě nás, neboť my jsme připraveni na obrázky s vysokým dynamickým rozsahem, viďte? Tak se pojďme podívat, co tito inženýři vytváří ve svých laboratořích!


Zachycení obrazů HDR

95

‫ډ‬ Běžný senzor CCD funguje jako pole pomerančovníků.

3.1.2 Čas na naplnění Začneme poněkud nekonvenčním přístupem ke zvýšení dynamického rozsahu. Místo čtení aktuálního stavu každého pixelu po zadaném expozičním čase bychom si na něj mohli pouze počíhat a potom změřit čas, který každý pixel potřebuje k tomu, aby byl zcela naplněn (nabit). Horní hranice dynamického rozsahu při zachycení nejjasnějších světel by byla posunuta až někam k času odezvy obvodů, který je otázkou jejich výstupní rychlosti. Oříznutí by mohlo nastat pouze u tmavých oblastí, kdy musíme nastavit práh pro maximální přijatelný expoziční čas. Tento koncept zní dobře, ovšem implementace je obtížná. Jedním problémem je opotřebení čipu, neboť senzory by se stále plně nabíjely. Rovněž navržení radikálně nové logiky načtení hodnot, která dokáže registrovat čas naplnění, se ukázalo být téměř nemožné.

3.1.3 Logaritmické senzory CMOS Pohádka o senzorech CCD a pomerančovnících: obyčejný senzor CCD funguje stejně jako pomerančovníková plantáž. Jakmile je pixel zasažen světlem, vyroste pomeranč, nebo jak mu říkají vědci, náboj. Čím více světla rostlina dostane, tím více pomerančů vyroste. Vedle každého stromu umístíme pomocníka. Když nastane čas sklizně, otrhají pomeranče do kbelíku a srovnají je do řady jako kbelíkovou armádu. Dole na silnici se všechny tyto kbelíkové brigády spojí do velkého proudu, který vede k farmě. U dveří stojí kontrolor, který počítá pomeranče v každém kbelíku a zapisuje je do tabulky. Jelikož kbelíky přichází v pořadí, v jakém byly stromy zasazeny, tato tabulka bude řádek po řádku přesnou reprezentací celého pole. Na čipu senzoru CCD se tento kontrolor nazývá analogově-digitální převodník (ADC).


96

Kapitola 3

Pomeranče jsou náboje shromážděné fotodiodami a pomocníci jsou řetězy kondenzátorů. V čem je technologie CMOS jiná: logaritmické senzory jsou pro srovnání tvořeny jinak. Jejich architektura je založena na mikroprocesorové technologii CMOS – proto se jim často říká senzory CMOS. (CMOS je zkratkou z ang. complementary metal oxide semiconductor.) Hlavním rozdílem je, že ke shromáždění a zesílení náboje, který se vytváří během expozice, používají dodatečné tranzistory na každý pixel. Tyto tranzistory lze přímo číst, neboť jsou propojeny do sítě. V podstatě se jedná o paměťové čipy s fotodiodou vedle každé paměťové buňky. V naší analogii bychom neměli pomocníky tvořící kbelíkový zástup; pomocníci by vedli pomeranče na farmu sami. Všechny by měli pager, takže je můžeme volat ke dveřím v libovolném pořadí. Farma by také mohla být menší, protože v logaritmickém senzorovém čipu bychom pěstovali pomerančovníky přímo na střeše naší farmy. V podstatě by bylo vedle každého stromu schodiště a pomocníci by pouze chodili o patro níž. Tento senzor je vysoce integrovaný; někdo jej nazývá fotoaparátem na čipu. Může být vyroben ve stejné továrně jako běžné paměťové čipy, takže jeho výroba je levnější. Jelikož proces čtení je mnohem jednodušší než v případě čipů CCD, rovněž potřebuje mnohonásobně méně energie ke svému fungování. Všechny tyto výhody jej činí velmi atraktivním pro použití ve spotřebitelských produktech. Na rozdíl od lineární reakční křivky typické pro čipy CCD tyto čipy reagují na světlo logaritmicky. To proto, že tranzistory tvoří náboj logaritmicky. Toto chování je velmi podobné charakteristické křivce filmu, a proto může tento čip dosáhnout podobného dynamického rozsahu. Trpí však stejnými nedostatky jako

film: nelinearita umožňuje dobrou reprodukci barev pouze ve střední části dané křivky. V horní a dolní části bychom mohli pokrýt značný rozsah, ale je tak těsně zhuštěný, že i nejmenší množství šumu může signál markantně deformovat. Slabé místo: s touto technologií je spojena další skutečnost: potřebujeme místo na povrchu těchto tranzistorů. Pokrytí fotodiodami, které všechny dohromady tvoří skutečnou světlocitlivou oblast, je pouze asi 30 %. To znamená, že pouze jedna třetina dostupného světla se použije pro obraz; zbytek pouze zasáhne tranzistory a zahřeje je, což není nijak dobré, neboť tím vzniká další šum. Takže máme dvojitý problém: ztrácející se světlo a zvýšený šum. Řešením je přidání horní vrstvy skládající se z milionů drobných čoček. Jedna vyhrazená miniaturní čočka pro každý pixel, která je zodpovědná za zachycení veškerého světla a jeho nasměrování na fotodiodu. To vyžaduje spoustu úsilí, které je třeba věnovat samotnému návrhu. Přesto je tento typ architektury senzoru nejen velmi slibný, ale už zasáhl i masový trh. Senzory CMOS potřebovaly trochu času k dosažení úrovně kvality a rozlišení vyvinutější technologie CCD, ale dnes ji již zcela dostihly. Řada EOS Digital SLR od Canonu používá výlučně senzory CMOS, a to v podobě návrhu obsahující čtyři tranzistory na každý pixel. Nové senzory JFET od Nikonu, které můžeme vidět ve špičkovém fotoaparátu Nikon D2, jsou další odvozeninou této technologie. Senzory JFET jsou pojmenovány po speciálním druhu tranzistoru, který je zde použit, po takzvaném tranzistoru řízeném elektrickým polem s přechodovým hradlem (z ang. junction-field-effect-transistor), díky kterým si Nikonu vystačí s pouze třemi tranzistory.


Zachycení obrazů HDR

3.1.4 Digitální senzor pixelů/HDRC Princip logaritmických senzorů CMOS byl dalším krokem směrem k projektu programovatelných digitálních fotoaparátů, který zpracovala Stanfordská univerzita. Pod vedením Abbase El Gamala členové jeho pracovní skupiny vytvořili digitální senzor pixelů (DPS). Přidávali k pixelům více tranzistorů až do okamžiku, kdy každý pixel měl svůj vlastní analogově digitální převodník a své vlastní logické obvody. Tím docílili efektivního zdokonalení senzoru; základní kroky předzpracování mohou být provedeny už v hardwaru samotnými pixely. V naší analogii bychom sběrače pomerančů vybavili mobilním telefonem a kalkulačkou místo jednoduchého pageru. Ano, mohou mít také iPhone. Jsou to teď opravdu „šikovní“ lidé dvacátého prvního století. Nemusí už pomeranče nikam nosit. Jen je oberou ze stromu, spočítají a zavolají na dané číslo. Tím se eliminuje hlavní slabé místo. Jelikož všechny pixely mohou ve stejný okamžik provádět svůj vlastní analogově-digitální převod (potažmo počítání pomerančů), máme téměř okamžitě k dispozici digitální obraz. Proto dokáže prototyp ze Stanfordu fotografovat ohromující rychlostí 10 000 fps. Ano, čtete správně: deset tisíc snímků za vteřinu! Na tachometru jsou to dvě čárky za hodnotou „Neskutečná rychlost“. Trik nyní spočívá v provozu senzoru na vyšší snímkové frekvenci, než je současná generace zobrazování. Máme spoustu času vyfotografovat několik expozic každého záběru a stále bychom získali plynulé video s 30 snímky za vteřinu. Jednotlivé expozice lze slučovat do obrazu HDR na nejnižší úrovni v každém jednom pixelu. Jelikož architektura tohoto čipu je založena na mikroprocesorové technologii CMOS, máme už dost zkušeností s těmito výpočty na úrovni samotné logiky. Jedná se o stejné

návrhy obvodů jako v procesorech počítačů nebo grafických karet. Takovéto předzpracování na čipu má rovněž hezký vedlejší efekt spočívající v redukci šumu, neboť výsledné hodnoty pixelu jsou průměrem více vzorků. Také bychom mohli v této předzpracující fázi provádět složitější výpočty – například snížení rozostření pohybem nebo detekci hran a tvarů. Nad rámec oboru fotografie: s takovými možnostmi zpracování se tato senzorová technologie velmi blíží napodobení tomu, co dokáží naše oči. Jedná se o opravdu chytrý fotoaparát na čipu. Možnosti aplikace přesahují rámec oboru fotografie; například existuje možnost umělého zraku. Již byly vymyšleny prototypy implantátů umělé sítnice, které mají slepým lidem vrátit jejich zrak. Z tohoto hlediska se výzkum v oblasti zobrazování posunuje k dešifrování toho, jak funguje lidský zrak, jednoduše díky zvládnutí jeho emulace a jeho markantnímu zlepšení díky metodám pokusu a omylu. Tento vznikající studijní obor se nazývá „machine vision – strojové vidění“ a dalším možným ovocem tohoto odvětví jsou pokročilé zabezpečovací systémy s rozpoznáním obličeje a plně automatických automobilů se systémy předcházení kolizím. Obě již existují ve fázi prototypů a kdo ví, co nás ještě čeká. Fraunhoferův institut v Německu, který vynalezl zvukový formát MP3, vytvořil podobný senzor založený na technologii CMOS s logikou načítání po pixelu. Jeho verze se nazývá High Dynamic Range CMOS (HDRC®). Symbol registrované obchodní známky se vztahuje k jeho patentované architektuře, která připomíná vrstvený sendvič. Všechny tranzistorové obvody jsou ukryty pod bezešvým, jako film tenkým povrchem z fotodiod. Ten zvyšuje faktor plnění na téměř 100 %, což eliminuje potřebu mikročoček. Senzor běží stejnou neuvěřitelnou

97


Kapitola 5: Zpracování obrazu HDR

Tato kapitola není o mapování tonality. Nebo lépe řečeno, není jenom o mapování tónů na obraz HDR. Podíváme se na úpravu obrazu v prostoru pohyblivé řádové čárky.


Zpracování obrazu HDR

Být „nedigitální“ s digitálními obrázky – takový byl nadpis jednoho z prvních článků o zobrazování s vysokým dynamickým rozsahem, napsaný v roce 1995 vizionáři Mannem a Picardem. A o tom to celé je. Práce přímo v prostoru pohyblivé řádové čárky vrací úpravu obrázků zpět do světa, ve kterém přemýšlíte o clonových číslech, přechodových ND filtrech a o přidávání nebo odebírání světla, aniž byste se starali o digitální degradaci vašeho obrazu do změti pixelů. Věřte mi, jakmile pocítíte skutečnou sladkost HDRI, už se nebudete chtít vrátit zpět.

5.1 Využití úplného dynamického rozsahu Všechny techniky, která vám chci ukázat, vychází z digitálního skládání. Pouze před pár lety byly nesmyslně drahé balíky pro filmovou produkci jedinými systémy, které byly schopny pracovat s přesností pohyblivé řádové čárky. To, spolu se skutečností, že zvládly veškerou 32bitovou práci v reálném čase, bylo jejich hlavní vlastností, která rozhodovala o prodeji. Dnes dokáží všechny dostupné balíky pro montáž a střih totéž, třebaže ne tak rychle. Takže tyto techniky fungují v softwaru After Effects, Fusion, Combustion, a mohli bychom pokračovat dále. Ovšem já je budu demonstrovat na Photoshopu. Proč? Protože můžu. Nové funkce vrstev a kreslení ve verzi CS3 Extended mi umožňují totéž. Už jste viděli, jak funguje nastavení selektivní expozice. Nazval jsem jej lidskou technikou mapování tonality. A to byl jen zlomek toho, čeho jsme schopni dosáhnout. 5.1.1 Záměna světla: denního za noční Tohle je dobrý příklad – klidně pracujte se souborem Egyptian.exr z přiloženého disku. Na tento obrázek použijeme jisté filmové kouzlo,

213

které třeba profesionální malíři používají denně. Změníme obrázek na noční snímek. Sluneční světlo na měsíční svit n Začneme stejně, jako bychom pracovali s fotoaparátem: umístíme před objektiv modrý filtr. V digitální terminologii řečeno, použijeme samostatnou novou vrstvu výplně s tmavě modrou barvou. Vybraná barva je zvolena s ohledem na to, jak by podle mě měly vypadat nejtmavší stíny. o Potom nastavíme režim prolnutí dané vrstvy na Násobit (Multiply). Tím z této vrstvy udělám přímý ekvivalent filtru před objektivem. Ten zakryje světlo, v tomto případě spoustu světla. Je to opravdu velmi brutální filtr. Ale nebojte se, všechno je jak má být. Pouze musíme přizpůsobit expozici virtuálního fotoaparátu ve Photoshopu, stejně jako u skutečného fotoaparátu, fotografujeme-li přes fyzický filtr před objektivem. ‫ څ‬Před


214

Kapitola 5

n‫ٿ‬ Základem je plná modrá vrstva.

‫ٻ‬o

‫ٻ‬p

Režim prolnutí Násobit (Multiply) změní plnou modrou barvu na fotografický filtr objektivu.

Permanentní nastavení virtuální expozice.

p V tomto případě chceme, aby se jednalo o trvalou globální změnu, takže ji provedeme v dialogu Volby 32bitového náhledu (32bit Preview Options) v nabídce Zobrazení ( View). Pevné nastavení bychom mohli provést i v nabídce Obraz (Image) a změnit novou expozici

na hodnoty obrazu HDR, ale jelikož dokončíme toto dílo ve Photoshopu, 32bitový náhled expozice je dostačující – pokud můžeme ponechat náš posuvník rychlé expozice nastavený uprostřed, neboť tento posuvník se po zavření souboru znovu nastaví.


Zpracování obrazu HDR

‫ٻ‬q

‫ٻ‬r

Oprava oblohy.

Plně modrá vrstva odvede celou práci.

Skvělé. Teď je ze slunečního světla měsíční svit. Pouze obloha je na měsíční svit příliš světlá.

q Abychom opravili oblohu, musíme ji nejprve vybrat. Z nějakého důvodu Kouzelná hůlka (Magic Wand) nefunguje v 32bitovém režimu, ovšem nástroj Rychlý výběr (Quick Selection) funguje. Tak použijeme ten a nakreslíme přes modrou barvu pár tahů. Poté přidáme vrstvu úprav Expozice (Exposure) pomocí ikony ve spodní části palety Vrstvy (Layers). Ta se zobrazí s maskou z našeho předem připraveného výběrovu. Teď můžeme selektivně snížit expozici na obloze.

r To je naše základní kompozice s vysokým dynamickým rozsahem. Pokud zapnete a vypnete modrou vrstvu, skutečně uvidíte, jak je efektní. Soubor PSD s aktuálním stavem se rovněž nachází na disku DVD, pokud byste jej chtěli analyzovat. Pro náš další krok je velmi důležité, že mezi těmito dvěma obrázky je příliš velký rozdíl. Náš originál nemá velký dynamický rozsah, s nímž bychom mohli začít – rozsah jednoduše odpovídá rozsahu monitoru. Ale nyní jsme vše zvýšili, dokonce za hranici bílého bodu, a plnou vrstvu jsme opět umístili vespod. V přeneseném slova smyslu jsme zde natáhli dynamický rozsah.

215


216

Kapitola 5

‫ٻ‬n Načrtnutí přibližného výběru pomocí nástroje mnohoúhelník (polygon).

‫ٻ‬o

‫ٻ‬p

Přechod v masce vrstvy umožní prosvítání původního obrázku.

Přidání trochy rozptýleného světla a přizpůsobení masky pomocí nástroje Rozmazání (Smudge).

Všechno je o náladě n Legrace může začít, neboť teď přidáme trochu nálady. Konkrétně mám na mysli pochodeň, která se nachází mimo snímek, a která by mohla scénu zalít trochou teplého světla. Řekněme, že je někde za obloukem vpravo. Takže pomocí mnohoúhelníkového výběru zhruba na zdi načrtněte obrysy oblasti, které by byly zasaženy světlem.

o Ujistěte se, že máte vybranou masku naší samostatné „noční“ vrstvy, a z nástrojů vyberte

Přechod (Gradient). Nastavte režim kruhového přechodu a nakreslete velký poloměr od našeho imaginárního světla nacházejícího se mimo obrazovku. Tím docílíme částečné průhlednosti našeho filtru ztmavení a umožníme původnímu obrázku prosvítat. Skvělé, co říkáte?

p Obrys stínu je teď poněkud tvrdý; ve skutečnosti by se do stínů rozlévalo trochu nepřímého světla. Takže musíme přidat rozlité světlo. Zrušte výběr, zvolte velký, měkký štětec a bílou


Zpracování obrazu HDR

217

‫ٻ‬q Tentýž postup použijte i pro lucernu. r‫ٿ‬ Přidejte kapku světla.

barvou nakreslete do černé masky trochu průhlednosti – velmi jemně, s nastavením krytí na 10 % nebo méně. Také můžete použít nástroj Rozmazání (Smudge) pro úpravu naší masky tak, aby lépe vyplnila pozadí. To provedete pomocí pár jemně se překrývajících rovných tahů k liniím stínů. Výhodným vedlejším efektem je zjemnění čáry; záměrně ji můžete více zjemnit diagonálně vedenými tahy štětcem.

q Dobrá, takže roh je hotový. Tutéž metodu použijme na malou lampu na opačné straně. Načrtněte přibližný výběr pomocí nástroje Mnohoúhelníkové laso (Polygonal Lasso) a použijte jej k nakreslení další průhlednosti v naší samostatné „noční“ vrstvě. r Posledním krokem je přidání trochy interaktivního světla na zeď v pozadí. Opět stejný postup – omezte oblast kreslení podle výběru a kreslete dovnitř této alfa masky pomocí měkkého štětce. Hotovo. Hladký průběh plavby Podobná technika by nepochybně fungovala i v 16bitovém režimu. Ale to by nebylo tak úžasně jednoduché. Abychom opět dosáhli

přirozeného vzhledu, potřebovali bychom samostatné vrstvy pro oblasti měsíčního svitu, oblasti s teplým světlem a všechna další vylepšení. Pusťme se do toho. Zkuste změnit režim na 16bitový. Já to zkusil a mohou vám říci, že výsledek vypadá ošklivě! Odmítl jsem jej zde vytisknout; budete si jej muset prohlédnout sami. A vzdal jsem pokus o jeho opravu, protože buď byly vybledlé stíny, nebo došlo ke ‫ څ‬Po úpravě.


Kapitola 7: Použití HDR v počítačových obrazech

V osmdesátých letech se poprvé objevil výraz fotorealismus vytvořený počítačem. Představoval věrohodný obraz fiktivních objektů; věci, které ve skutečnosti v hmotném světě neexistují. Jsou vytvořeny pomocí geometrických a matematických popisů, které jsou navrženy v 3D aplikacích nebo naskenovány. Renderovací algoritmy tvoří virtuální analogii fotoaparátu a umožňují pořízení snímků těchto dat.

Označovat obrazy za „vytvořené počítačem“ je poněkud nesprávné, protože nakonec je to stále jen člověk, kdo modeluje virtuální objekty a ovládá kamery a světla. Stále jde o „umělcem vytvořené“ obrazy, jediným rozdílem je, že všechny prostředky a nástroje se nachází uvnitř počítače. A to, jestli jsou tyto virtuální snímky dostatečně věrohodné, aby evokovaly iluzi toho, že se díváme na fotografii reálného objektu, závisí na umělci.


Použití HDR v počítačových obrazech

287

7.1 Principy obrazů vytvořených počítačem Od osmdesátých let, kdy se jednalo o vizionářský koncept, se mnohé změnilo. Čím více byly algoritmy sofistikovanější, 3D programy přerostly v nejkomplexnější aplikace na světě. Dnes snadno převyšují kokpit Boeingu 747 co do množství tlačítek a ovládacích prvků. Je velmi jednoduché se ztratit, a proto je pro umělce zcela nezbytné pochopit principy algoritmů, které stojí v pozadí těchto nástrojů. Moderní doba: CGI, obrazy vytvořené počítačem (z ang. computer-generated imagery) jsou jednoduše skvělé. Jejich vytváření je opravdu velká zábava a obecně představují pro fotografická média značnou úlevu. Konečně jsou film a fotografie vysvobozeny z okovů materiálního světa a hranice toho, co lze vyjádřit, jsou posunuty do oblasti představivosti. Obrazy vytvořené počítačem vnesly tvůrčí potenciál do oblasti, která byla doménou malířství a literatury. Mystické pohádkové bytosti, imaginární krajiny a zcela smyšlené pohádky znovu spojily výtvarné umění, neboť jsou konečně dostupné v dominantním médiu naší doby. Dnes se obrazy vytvořené počítačem používají denně pro doplnění filmových dekorací, reklamní produkty, které ještě nebyly vytvořeny, a provádění nebezpečných kousků prostřednictvím virtuálních akrobatických kaskadérů. Režiséři a autoři si zcela uvědomují všechny možnosti a bezesporu si užívají novou svobodu. Důvěřují umělcům, že vytvoří cokoliv, co si vymyslí, a jednoduše očekávají hladké splynutí s reálnou filmovou stopáží. Fotorealismus je standardem, už nikoliv něčím výjimečným. Dokazuje to dokonce i televizní tvorba, kdy nová show musí obsahovat více než 20 záběrů se speciálními efekty každý týden. Divili byste

‫ٻ‬ Televizní show z roku 2004 o komunitě teenagerů z domku na pláži…

‫ٻ‬ ... až na to, že na pláži nikdy žádný dům nebyl. Vše bylo vytvořeno digitálně ve studiu EdenFX.

se, co všechno vidíte v televizi, a co ve skutečnosti vůbec neexistuje. Laťka je na plátně stanovena vysoko a dokonce i v produkci hraných filmů je trendem posun k požadavkům na perfektní kvalitu v co nejkratším možném čase. Takže je ten správný


288

Kapitola 7

n‫ٿ‬ Standardní osvětlení v aplikaci LightWave.

čas na důležitou poznámku k času potřebnému k vytvoření vizuálních efektů: čas se rozděluje na čas potřebný k renderování (strojový čas) a čas požadovaný umělcem k vytvoření scény a nastavení všeho potřebného. Strojový čas je prostředkem, který lze snáze a levněji rozšířit, zatímco čas umělce není nekonečným zdrojem. Alespoň by na něj tak nemělo být nahlíženo a firmy, které to vidí jinak, zažívají těžké časy, protože nemohou najít dobré umělce. Trik spočívá ve vyvážení těchto dvou faktorů použitím pokročilých technik při tvůrčím procesu a renderování. Takže hovořme o renderovacích technikách se zřetelem na tato dvě omezení: strojový čas a čas umělce. Uvidíte, že mezi klasickým renderováním a fyzikálně založeným renderováním je zásadní rozdíl. 7.1.1 Klasický fotorealistický rendering V klasickém renderingu nezáleží na tom, jak přesně je obraz vytvořen, pokud konečný vý-

sledek vypadá fotorealisticky. Typickými renderovacími metody v této třídě je tzv. scanline rendering a raytracing (sledování paprsku). Obě metody jsou založeny na zjednodušených stínových modelech, jako jsou Phongovo a Blinnovo stínování, a obecným výrazem používaným k popisu modelu osvětlení je přímé osvětlení (direct illumination). Byť je implementace těchto metod značně různorodá, všechny jsou založeny na stejném základu: zdroje světla jsou definovány odděleně od geometrie a mohou mít vlastnosti, které by byly ve fyzickém světě nemožné. Například bodová světla jsou definována jako jednodimenzionální položky, což znamená, že jsou zjednodušeny na nekonečně malý bod v prostoru bez jakéhokoliv fyzického rozměru. Rovněž způsob, jakým se světlo šíří ve 3D prostoru, je často charakterizován pomocí lineárního poklesu intenzity, na rozdíl od fyzicky správného poklesu se čtvercem vzdálenosti. Další oblíbenou definicí světla je paralelní světlo,


Použití HDR v počítačových obrazech

výplňové světlo

289

výplňové světlo zadní světlo

zadní světlo

‫ ٻ‬o Výplňové (pomocné, fill light) a zadní světlo (rim light) jsou celkem běžnými doplňky.

svítící z nekonečné vzdálenosti na scéně všude se stejnou intenzitou. Nebo si vezměte okolní světlo, které pravděpodobně pochází odnikud a osvětluje všechny povrchy stejně. Všechny tyto definice jsou abstraktními modely, jejichž jediným účelem je zjednodušení výpočtů a snížení potřebného strojového času. Zfalšování všeho dohromady

n Zde je jednoduchá vzorová scéna. Na počátku nevypadá vůbec fotorealisticky. o Vytvořit věrohodnou světelnou situaci ručně vyžaduje spoustu času a vynaloženého úsilí. Prvním krokem je obvykle úprava, rozptýlení (fuzzy up) stínů a přidání zbarveného výplňového světla. Potom musíme zohlednit odrazy světla od zdi, odrážející světlo zpět na pomeranče. Takže umístíme zadní světlo, které neovlivní rozptýlené stínování a nevrhá vůbec žádné stíny, pomáhá ale vytvářet obrysy a generuje odlesky. Tato dvě světla jsou poměrně běžnou záležitostí. Co je však obtížnější na vytvoření, je jemný efekt nepřímého světla v zákoutích a rozích.

odečtené světlo

‫ٻ‬p Negativní světla světlo ubírají.

Oblíbeným trikem je distribuovat do strategických oblastí negativní (záporné) světlo. Negativní (záporná) světla p Já vím – asi se divíte, co je kruci zač to negativní světlo. Pokud nastavíte intenzitu světla na negativní hodnotu, bude se světlo ze scény odečítat, místo aby se přidávalo. V podstatě jde o nezávislý měkký stín, který lze snadno kamkoliv umístit. Aby tento postup fungoval správně, stíny a odlesky musí


290

Kapitola 7

Negativní světlo uvnitř kbelíku ‫ ٻ‬p Strategicky umístěné negativní světlo.

Namapované stíny Bodová světla

Drobné stíny

Další okolní světlo

‫ ٻ‬q Bodová světla s mapovanými stíny.

být vypnuty, a tento stín by měl mít malý akční rádius, aby byl zachován jako lokální. Případně lze jeho vliv rovněž omezit na konkrétní objekty. Mapování stínů q Také byste mohli vytvořit měkké stíny pomocí několika bodových světel s namapovanými stíny. Stínové mapy se generují před generováním vlastní scény a lze je uměle vyhladit pomocí faktoru rozostření. Když na některé stínové mapy posvítíte z různých úhlů, tyto stíny se vzájemně prolnou a budou ještě měkčí.

Textury a přechody r Nicméně scéna stále nevypadá realisticky. Chybí jí odražené světlo, které se odráží od červené podlahové lišty. Trocha tohoto světla by měla být vržena zpět na zem a vrhat kousek od rohu načervenalý odraz. Takže musíme použít další trik. Světelným trikem číslo 3 je nakreslení tohoto efektu do textury daného objektu. To lze provést v kreslícím programu nebo přímo v 3D aplikaci pomocí přechodů. Přechod je definován středem a slábnutím (poklesem). V tomto případě je slábnutí nastaveno na jednoduchý směr Z. Umístíte-li


Použití HDR v počítačových obrazech

291

Středový bod

Směr slábnutí

‫ٻ‬r Textury a přechody.

‫ډ‬s Výsledný obraz s ručním nastavením osvětlení.

středový bod přímo do tohoto rohu, bude zde maximálně zbarven. Ve vzdálenosti jeden metr bude můj přechod průhledný a zbarvení zeslábne do průhlednosti. s Po přidání pár přechodů a negativních světel už scéna vypadá jako na obrázku s. Nastavení mi trvalo asi tři hodiny, ale vyrenderování trvalo 3 minuty. Zkušenější mistři

osvětlování jsou rychlejší. Ovšem není to nic jednoduchého. Všechny drobné nuance, které k reálnému osvětlení neodmyslitelně patří, musí být umělcem interpolovány a nějakým způsobem ručně vytvořeny. Je to zdlouhavá práce – a ne každý ji zvládne. Všechny 3D aplikace, které se v produkci běžně používají, jsou v zásadě založeny na


HDRI pro fotografy a počítačové grafiky