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DRI

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Wenn der Motivumfang so groß ist, dass entweder nur die Schatten oder die Lichter in den Belichtungsumfang der Kamera passen, dann kommt man mit den im vorherigen Kapitel vorgestellten Methoden zur Helligkeitskorrektur nicht zu mehr einem befriedigenden Ergebnis.
Um den kompletten Kontrastumfang einzufangen, muss man aus mehreren, verschieden belichteten Fotos eines machen. Diese Methode kann man als virtuelle Erweiterung des Belichtungsumfangs bezeichnen und wird in Neudeutsach DRI bezeichnet. DRI heißt ausgeschrieben Dynamik Range Increase und bedeutet: Belichtungsumfangserweiterung.
In dem Zusammenhang hört man Begriffe wie:

Wie diese Begriffe zusammenhängen, wird in folgendem Diagramm gezeigt:

DRI-Schaubild - Zusammenhänge zwischen DRI, HDRI, LDRI und Tonemapping
DRI-Schaubild

Das obige Schaubild zeigt, welche Möglichkeiten es gibt, um ein DRI durchzuführen. Grob kann man das Vorgehen in zwei Arten unterteilen. Als Unterscheidungsmerkmal dient die Methode, mit der das endgültige Bild erzeugt wird:

Ausgangsbasis für beide Methoden ist im Normalfall eine Belichtungsreihe mit mindestens zwei Aufnahmen. Die Aufnahmen erzeugt man sich, in dem man das Motiv mit unterschiedlichen Belichtungszeiten von einem Stativ aus fotografiert. Die Brennweite, der Fokus, die Blende, die ISO-Einstellungen und die Position der Kamera sollten konstant bleiben, wobei man leichte Veränderungen der Position der Kamera fast nie ganz vermeiden kann. Diese sind aber beim Zusammensetzten der Bilder korrigierbar.
Man kann ein Tonemapping auch mit nur einer Aufnahme (RAW oder jpeg) durchführen. Dabei lassen sich ähnlich effektvolle Bilder erzielen, wie mit einer Belichtungsreihe, nur dass eben der Dynamikbereich kleiner ist. Für die folgenden Kapitel dienen zwei Belichtungsreihen als Beispiel.

1/1000s 1/2s
Das erste Bild zeigt das untere, das zweite das oberes Ende der Belichtungsreihe

Das erste der beiden Bilder zeigt ein fast vollständig unterbelichtetes Bild, nur die Glühbirne der Lampe ist zu sehen. Das zweite Bild zeigt das obere Ende der Belichtungsreihe. Im Bereich der Lampe ist eine deutliche Überbelichtung zu sehen, aber es sind auch noch unterbelichtete Bereiche vorhanden. Will man diesen vollständig vermeiden, sollte man noch eine weitere Aufnahme machen. Für das gewählte Motiv ist der unterbelichtete Bereich aber unwichtig und deswegen vernachlässigbar.
Insgesamt wurde eine Belichtungsreihe bestehend aus sechs Bildern aufgenommen. Alle Bilder wurden bei gleicher Blende und ISO-Einstellung fotografiert: das erste mit einer Belichtungszeit von 1/1000 s und das letzte mit 1/2 s. Das nächste Beispiel zeigt eine typische Situation: Motiv vor hellem Himmel. Diese beiden Bilder sind kurz vor Sonnenaufgang entstanden, wobei der Himmel schon stark beleuchtet ist.

hell dunkel
Zweites Beispiel: dunkles Objekt vor hellem Himmel

Um nun aus diesen Aufnahmen ein Bild mit erweitertem Dynamikbereich zu machen, hat man mehrere Möglichkeiten.

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Kombinieren

Die Methode, Bilder durch geschicktes Zusammensetzten verschieden belichteter Aufnahmen zu machen ist die klassische Methode einer DRI. Natürlich sind neben den drei hier vorgestellten Methoden auch noch weitere möglich. Dabei kommt es aber immer darauf an, um welches Motiv es sich handelt, welche Aufnahmen zur Verfügung stehen und welche Software eingesetzt wird.

Mittelwert

Überlagern mit Ebenen
Mittelwert

Eine Methode, welche die meisten Bildbearbeitungsprogramme beherrschen ist, aus zwei Fotos ein mittleres zu berechnen. Dazu benötigt man entweder eine entsprechende Funktion im Programm oder man legt zwei Ebenen übereinander und stellt die Deckkraft der obersten Ebene auf 50%.
Das Ergebnis ist ein Bild, welches sowohl in den Lichtern, als auch in den Schatten Zeichnung hat.
Der Kontrast in beiden Bereichen leidet aber, da diese mit dem Gesamtkontrast des Motivs künstlich reduziert wurden.

Maskieren

Will man die Kontraste in den einzelnen Helligkeitsbereichen erhalten, kann man die jeweiligen überbelichteten Bereiche im Bild durch richtig belichtete Bereiche eines kürzer belichteten Bildes zu ersetzten.
Dadurch bleibt der Kontrast in den jeweils richtig belichteten Bereichen erhalten.
Dazu muss man als erstes alle Aufnahmen der Belichtungsreihe deckungsgleich in Ebenen übereinander legen. Man fängt dabei mit dem dunkelsten Bild an.
Ausrichten
Alle Aufnahmen der Belichtungsreihe
übereinander legen
Zum Ausrichten wird jeweils die Deckkraft der obersten Ebene reduziert, so dass die darunter liegende Ebene durchscheint. Jetzt kann die teilweise transparente Ebene so verschoben werden, dass sie deckungsgleich auf der unteren liegt.

Wenn dann die Ebenen ausgerichtet übereinander liegen, werden alle bis auf die untersten zwei ausgeblendet. Nun wird die zweite von unten ausgewählt und eine Maske erstellt, welche die hellsten Bereiche des Bildes umschließt. Dieses wird, je nach Software, mit dem Befehl "Farbereich" auswählen, "Farbmaske" oder ähnliches erreicht. Eine andere Möglichkeit ist das Maskieren mit dem Zauberstab. Durch Verändern der Toleranz wird mehr oder weniger ausgewählt. Wie groß die Maske tatsächlich sein muss, ergibt sich oft erst bei der Bearbeitung des Bildes. Deswegen sollte der Stand mit den ausgerichteten Ebenen auf jeden Fall in eine separate Datei gespeichert werden, damit ab diesem Bearbeitungspunkt wieder neu begonnen werden kann.
Bei der ersten Bearbeitung eines DRI-Bildes sollte man mit einer kleine Toleranz anfangen, denn es ist möglich, nachträglich weitere Bereiche zu maskieren. Ein guter Startwert liegt bei ca. 25.

Maskieren Löschen
Maskierung der Spitzlichter/ Glanzlichter,
anschließend werden die maskierten Bereiche der Ebenen gelöscht

Die Ränder der Maske sind jetzt noch hart, bei Löschen der überbelichteten Bereiche würde es deswegen zu unschönen harten Übergängen zwischen den einzelnen Ebenen kommen. fast fertig
Alle Ebenen sind bearbeitet
Um das zu vermeiden, wird eine Verlaufsmaske mit einem relativ großzügigem Übergangsbereich erzeugt. Wie groß der ist, hängt von der Größe des Ausgangsbildes ab. Auch hier kommt man mit ausprobieren weiter. Gute Startwerte liegen im Bereich von 50 bis 200 Pixel.
Nachdem die Auswahl nun einen weichen Übergang hat, wird der maskierte Bereich gelöscht, so dass die Ebene darunter sichtbar wird.
Jetzt kann die nächste Ebene ausgewählt, sichtbar gemacht und maskiert werden.
Das ganze Spiel geht jetzt so weiter, bis bei allen Ebenen die zu hellen Bereiche ausgeschnitten sind und die darunter liegenden Fotos sichtbar sind.
Ergebnis Maskieren
Das Endergebnis größer
Man sieht jetzt noch anhand Helligkeitsunterschiede, wo die einzelnen Ebenen durchschauen. Um das ein bisschen abzuschwächen kann an der Helligkeit der einzelnen Ebenen justiert werden. Dadurch werden die Helligkeitsunterschiede reduziert.

Wenn man bei der Maskierung der Spitzlichter den Toleranzbereich klein gehalten hat, kann es sein, dass noch zu helle Bereiche in den einzelnen Ebenen vorhanden sind. Diese kann man mit einem Radierer mit wenig Deckkraft aus den Ebenen löschen. Mit dem Radierer kann man auch zu harte Übergänge noch weiter verbessern.
Das fertige Bild könnte dann so aussehen.

Die Nachteile dieser Methode sind schon anhand der Beschreibung zu erkennen. Man muss jeden Schritt von Hand machen und braucht oft mehrere Versuche, bis ein gutes Bild entsteht. Maskieren
Helle Bereiche gelöscht
Durch die Maskierungstechnik entstehen teilweiße sichtbare Übergänge zwischen den einzelnen Ebenen, vor allem, wenn große Flächen wie die Wand maskiert werden müssen.
Bei DRIs die nur aus zwei Aufnahmen bestehen ist die Methode mit der Maske aber trotzdem ein schneller Weg, um an ein effektvolles Ergebnis zu kommen, vor allem wenn sich das Motiv nur aus zwei unterschiedlichen Helligkeitsbereichen zusammensetzt, wie in dem Beispiel mit der Kapelle. Problematisch ist nur, wenn sich an der Grenze zwischen beiden Bereichen feine Strukturen wie Äste befinden. In diesem Bereiche ist dann Handarbeit mit dem Radiergummi nötig.

Addition

Als Ausgangsprojekt für diese Methode werden die deckungsgleich ausgerichteten Ebenen der vorherigen Methode verwendet. Dies bedeutet, dass wenn man die Additionsmethode von ganz vorne beginnt, dass man wieder mehrere Fotos mit unterschiedlichen Belichtungszeiten deckungsgleich in Ebenen anordnen muss.
Addition""
Alle Ebenen werden addiert
Nun wird als Verbindungsoption aller Ebenen "Hinzufügen" gewählt. Dadurch sieht das Bild vollständig überbelichtet aus. Um nun ein ansehnliches Bild zu bekommen, muss die Helligkeit einer jeden Ebene reduziert werden. Die obere auf die Hälfte, die zweite auf ein Viertel, die dritte auf ein Achtel usw. Dadurch wird erreicht, dass das Bild an keiner Stelle überbelichtet ist. In einem normalen Bild können 256 verschiede Helligkeitswerte gespeichert werden. Schwarz entspricht einer Helligkeit von 0 und Weiß einer 255. Diese Helligkeit von 255 kommt in den ersten vier Ebenen mit abnehmender Häufigkeit vor. Wenn diese Helligkeiten addiert werden, gibt es Bereiche im Gesamtbild, welche die Helligkeit 1020 haben müssten. Ergebnis Addition
Das Ergebnis größer
Dieser Wert ist viel zu groß. Durch die Reduzierung der Helligkeit wird 127+63+31+15 = 236 gerechnet und damit ist die Summe von bis zu acht Bildern darstellbar.

Das fertige Bild wirkt weniger unnatürlich, als bei der Bearbeitung mit Masken und es ist deutlich schneller angewendet. Das Verfahren an sich ist schon eine Art Tonemapping.
Das waren nun also drei Beispiele, wie man Bilder einer Belichtungsreihe miteinander kombinieren kann.
Eine andere Vorgehensweise ist das Tonemapping. Dafür benötigt man aber ein HDRI.

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HDRI

HDRI heißt high dynamic range image, also Bild mit hohem Kontrastumfang. Im Gegensatz dazu ist ein LDRI ein Bild mit einem geringen Kontrastumfang. LDRI sind Bilder, welche mit technischen Geräten dargestellt werden können. Ein Jpeg, welches am Monitor betrachtet oder ausgedruckt werden kann, ist also ein LDRI. Ein LDRI kann nur einen kleinen Ausschnitt der real vorkommenden Helligkeiten abbilden.
Ein HDRI speichert die reale Lichtsituation des Motivs ab, d.h. die für jeden Pixel abgelegten Werte quantifizieren die tatsächliche Helligkeit. Bei einem LDRI stehen die Werte der einzelnen Pixel nur relativ zu einander im Bezug. Den Zusammenhang zur Realität stellen die Größen Belichtungszeit, Blende und Empfindlichkeit dar.
Bei einem LDRI werden Helligkeitswerte als binäre Zahlen in einem 8-Bit-System abgelegt. Dadurch gibt es 256 Abstufungen zwischen Schwarz (0) und Weiß (255). Bei einem HDRI werden die Helligkeitsinformationen in einem 16 oder 32 Bit großen Fließkommaformat gespeichert, welches aus Mantisse, der Basis 10 und einem Exponenten besteht. Dadurch ist ein sehr großer Bereich an Helligkeiten speicherbar.
HDRIs werden auch bei der rechnerischen Erzeugung von Bildern, z.B. beim light sourcing, verwendet. Um ein fotografisches HDRI zu erhalten, muss man ein LDRI umrechnen. Dazu nimmt man die im LDRI gespeicherten Informationen über die Helligkeit eines jeden Pixels und rechnet aus dieser Helligkeit, der Blende, der Belichtungszeit und der Empfindlichkeit auf die tatsächliche Helligkeit zurück. Weiterhin muss noch die Gammakorrektur der Kamera berücksichtigt werden.

Wenn man das nun mit jedem Pixel eines LDRIs macht, erhält man ein HDRI. Dieses HDRI enthält natürlich nur in den Pixeln sinnvolle Informationen, in denen das ursprüngliche LDRI richtig belichtet war. In ehemals über- oder unterbelichtet Pixeln ist keine verwertbare Information gespeichert.
Wenn man nun aber die LDRIs einer Belichtungsreihe in HDRIs umwandelt, erhält man auch in diesen Bereichen sinnvolle Informationen. Durch die Kombination mehrerer einzelner HDRIs zu einem, kann man diese Lücken schließen und erhält ein Bild mit der gesamten Information über die tatsächlichen Helligkeiten während der Belichtung.
Dazu sollten die Bilder der Belichtungsreihe möglichst denkungsgleich sein. Um dies sicher zu stellen und unter Umständen lange Belichtungszeiten ohne zu Verwackeln aufzeichnen zu können, sollte man ein stabiles Stativ verwenden. Die einzelnen Bilder der Belichtungsreihe sollten mit der gleichen Blende und Fokus aufgezeichnet werden. Zur Variation der Belichtung kann die Belichtungszeit und die ISO-Empfindlichkeit verändert werden.

Jede Art von Bild lässt sich in ein HDRI umwandeln, wobei der tatsächliche Kontrastumfang im HDR-Raum vom Kontrastumfang und Dynamikumfang des Ausgangsbildes abhängt.
Um nun so ein Bild auf einem Monitor, Ausdruck usw. darstellen zu können, muss der sehr große Dynamikumfang wieder auf einen kleinen heruntergerechnet werden. Diesen Vorgang nennt man Tonemapping.

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Tonemapping

Um aus einem HDRI wieder ein LDRI zu erzeugen, welches auf einem Monitor dargestellt werden kann, gibt es verschiede Möglichkeiten. Grundsätzlich kann man die Verfahren in zwei Gruppen unterteilen. Die einen Methoden rechnen jeden Pixel für sich alleine mit einer Formel um (globale Verfahren) und die anderen beziehen die Pixel in der Nachbarschaft mit ins Ergebnis ein (lokale Verfahren).

Quellen im Netz:
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Die besten Ergebnisse erzielt man mit den Verfahren der zweiten Gruppe, wobei diese sehr viel Rechenzeit beanspruchen.

Globale Verfahren

Eine Art, ein HDRI darzustellen ist, es zu beschneiden, d.h. es werden nur die möglichen Helligkeiten dargestellt, alles andere wird abgeschnitten. Im Endeffekt hat man dadurch nichts gewonnen.
Besser ist es da schon, wenn man die Helligkeiten des HDRIs durch einen Dividenden teilt, so dass alle Bereiche darstellbar sind. Wenn man noch die maximal im HDRI vorkommende Helligkeit mit berücksichtigt, dann ergibt sich diese Formel:
LD=LW/LW,max,
wobei LD die Helligkeit des darstellbaren Bilder, LW die reale Helligkeit (World) und LW,max die maximale Helligkeit ist.
Dieses Verfahren nennt man auch max-linear, da es eine lineare Reduzierung unter Berücksichtigung des Maximalwertes ist.

Ausschnit max linear
8-Bit-Ausschnitt und max-linear

Beim linearen Verfahren wirken die Ergebnisse noch zu dunkel, Dies wird auch aus dem Histogramm ersichtlich, es sind viele dunkle Pixel vorhanden. Dieses Verfahren eignet sich nur, um schnell einen Überblick zu gewinnen.
Da das menschliche Empfinden selten in einem linearen Zusammenhang mit einer physikalischen Größe steht, werden häufig logarithmische Formeln angewandt, um Empfindungen zu quantifizieren. So wird auch der Schallpegel in der logarithmischen Einheit dB angegeben.
Auch beim Tonemapping kann man mit logarithmischen Formeln arbeiten. Eine einfache z.B. ist:
LD=logb(LW+1)/logb(LW,max+1),
wobei LD, LW und LW,max die selbe Bedeutung haben wie bei der linearen Variante und b die Basis des Logarithmus darstellt. Durch Veränderung der Basis im Bereich zwischen 2 und 10 erhält man eine realistisch wirkende Kompression der HDR-Daten, um sie auf einem LDR-Ausgabegerät darzustellen.
Eines der besten Verfahren zum pixelweisen Tonemapping ist Photoreceptor Physiologie.

Logarithmic Photoreceptor Physiologie
Logarithmic und Photoreceptor Physiologie

Mit den Verfahren, welche jeden Pixel gleich umwandeln, kann man schon recht gute Ergebnisse erzielen, nur dass etwas von der Stimmung des großen Motivumfangs verloren geht, weil dieser dadurch komprimiert wird.

Lokale Verfahren

Viel beeindruckendere Ergebnisse größer kann mit Verfahren erzielen, welche lokal arbeiten und dadurch den Kontrast zwischen benachbarten Pixeln erhalten, während der globale Kontrast reduziert wird. Dabei gibt es verschiedenste Verfahren und je nach verwendeter Software wird das eine oder andere angewandt. So unterschiedlich die einzelnen Verfahren sind, so unterschiedlich sind auch die Ergebnisse.

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verschiedene lokale Verfahren

Was bei allen Varianten auffällt ist, dass sich die Tonwertkurve immer mehr in der Mitte sammelt und dort einen Peak mit auslaufenden, symmetrischen Kanten bildet. Dies bedeutet, dass die globalen Helligkeitsunterschiede minimiert und die lokalen Kontraste maximiert werden. Das kann man auch erkennen, wenn man sich die Helligkeitsverteilung in zwei Bildern anschaut
Das erste wurde mit einem globalen und das zweite mit einem lokalen Verfahren erzeugt.

global lokal
Helligkeitsverteilung zweier Tonemappings: global und lokal

Das nächste Unterkapitel beschäftigt sich mit dem Thema Farbe.

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