Podręcznik Grafika komputerowa i wizualizacja

10.7 Obrazy o zwiększonym zakresie tonalnym

Człowiek potrafi poprawnie rozpoznawać szczegóły przedmiotów oświetlonych blaskiem księżyca, a także czytać na plaży przy bardzo silnym oświetleniu południowym słońcem.

Można próbować analizować możliwości oka porównując wartości luminancji lub zakresy tonalne wybranych obiektów.

• Wartości luminancji wybranych obiektów
  • Tarcza słoneczna                                                1600000000 cd/m2
  • Błękit nieboskłonu                                                           5000 cd/m2 
  • Jasne pola ekranu monitora komputerowego       200 cd/m2
  • Powierzchnia oświetlonej kartki                                  100 cd/m2
  • Gwiazdy na nocnym niebie                                                 0,001 cd/m2
• Zakres tonalny (jako stosunek luminancji partii jasnych i ciemnych obrazu)
  • Oglądany, rzeczywisty krajobraz                     100000:1
  • Typowy monitor komputerowy                            1000:1
  • Druk barwny; poligrafia                                              500:1 (256:1)
  • Barwa zapisana przy użyciu  8 bitów                    256:1

 Zestawienie luminancji wybranych obiektów pokazuje, że zakres tonalny (rozumiany jako stosunek luminancji pól jasnych do ciemnych) naturalnych obiektów i ich zestawień może być bardzo duży.

Rys.10.24. Zakres „poprawnej pracy” receptorów siatkówki oka,
zakres widzenia skotopowego, mezopowego i fotopowego.

Opisując w tym rozdziale model RGB zwrócono uwagę na liczbę barw rozróżnianych przez człowieka  – człowiek jest w stanie rozróżniać dla każdej składowej maksymalnie od 100 do 200 różnych barw. Jednak takie rozważania nie uwzględniają zdolności adaptacyjnych oka do różnych warunków oświetleniowych. Zdolności te są związane z dwoma mechanizmami. Pierwszym jest praca mięśni tęczówki zmniejszających źrenicę. Pozwala to wielokrotnie zmniejszyć ilość światła docierającego do siatkówki oka. Drugim mechanizmem jest praca fotoreceptorów  w zakresie widzenia fotopowego i skotopowego (rys.10.24). Przyjmuje się, że oko pozwala poprawnie rejestrować szczegóły w zakresie tonalnym ok. 10000:1. Jednocześnie zakres pracy naszego zmysłu wzroku odpowiada natężeniu oświetlenia od 0,2 luksa (odpowiada to powierzchni Ziemi przy pełni Księżyca) do 100000 luksów (powierzchnia Ziemi oświetlona światłem słonecznym). Oczywiście oglądając krajobraz z różnie oświetlonymi obiektami nigdy  nie odbieramy obrazu jako całości – kierując wzrok na określony obiekt oko dostosowuje się do jego luminancji. Dopiero z tak zebranych informacji o fragmentach budujemy obraz całości pola widzenia. Dzięki temu dostrzegamy szczegóły obrazu niemożliwe do zarejestrowania aparatem fotograficznym i wydrukowania na papierze, niemożliwe także do pokazania na monitorze. Pod tym względem oko okazuje się o wiele lepszym instrumentem do rejestracji wrażeń barwnych niż film fotograficzny czy matryce cyfrowe

Można oczywiście mówić o różnicach indywidualnych oraz dowolnych przypadkach nieakceptowania słabego lub silnego oświetlenia. Jedno jest natomiast pewne. Żadne urządzenie; żadna współczesna technologia nie pozwala na uzyskanie zakresu pracy zbliżonego do zakresu pracy oka. Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów jest analiza możliwości rejestracji obrazów z wykorzystaniem zarówno tradycyjnej (analogowej) jak i współczesnej (cyfrowej) fotografii. Problem zakresu tonalnego (rys.10.25) jest znany praktycznie od początków fotografii. Okazuje się, że obserwując dany obiekt poprawnie postrzegamy jasne i ciemne pola. Natomiast robiąc zdjęcie mamy często po prostu do wyboru albo dobrze naświetlone pola jasne (wtedy cienie są nieoświetlone i nie widać w nich szczegółów), albo dobrze naświetlone pola ciemne (wtedy prześwietlone pola jasne są praktycznie niewidoczne). Pogodzenie tych warunków jest najczęściej niemożliwe.

Rys.10.25. Jak na zdjęciu oddać rzeczywisty zakres tonalny ?

Dobrym rozwiązaniem problemu zakresu tonalnego jest skorzystanie z techniki generowania obrazów o zwiększonym zakresie tonalnym – HDRI (High Dynamic Range Imaging).

Można wyróżnić kilka metody pozyskiwania lub generowania  obrazów HDRI:

Obrazy o zwiększonym zakresie tonalnym (HDRI) są próbą oddania rzeczywistego zakresu tonalnego. Oczywiście należy wziąć pod uwagę możliwości urządzenia pozyskującego i prezentującego obraz. Pojawiają się w ostatnich latach specjalistyczne urządzenia wykorzystujące przestrzenie barw o zwiększonym zakresie tonalnym. Przykładem są kamery HDR stosowane w systemach zabezpieczenia i monitoringu. Pozwalają one pokazać jednocześnie szczegóły w miejscach oświetlonych i zacienionych, co dotychczas wymagało stosowania kilku urządzeń. Podobnie pojawiają się urządzenia wyświetlające HDR. Jednak cena tego typu urządzeń nie pozwala przypuszczać, że będą one w najbliższym czasie powszechnie wykorzystywanie. Z drugiej strony nie ma dzisiaj żadnego projektu drukowania obrazu HDR.

A zatem nawet jeśli uzyskamy obraz o zwiększonej skali tonalnej, to będzie on pokazywany na typowym urządzeniu, na przykład na typowym monitorze o bardzo ograniczonym zakresie tonalnym. Aby poprawić odbiór obrazu w takiej sytuacji dokonuje się rzutowania przestrzeni barw o zwiększonym zakresie tonalnym na przestrzeń o ograniczonym zakresie. Metody realizujące to zadanie są stratne i nieliniowe. Wykorzystuje się analizę właściwości odbiciowych powierzchni obiektów znajdujących się na obrazie oraz analizę właściwości percepcyjnych człowieka. Pozwala to zapewnić odpowiednie lokalne zmiany luminancji (szczegóły zarówno w światłach jak i w cieniach) mimo niedoskonałości technologicznych sprzętu.

Do zapisu zdjęć w aparatach cyfrowych jest także wykorzystywany sposób kodowania RAW. Sposób ten wykorzystuje właściwości matrycy danego aparatu bez żadnej dodatkowej obróbki obrazu. Powiązanie z właściwościami i konstrukcją matrycy powoduje, że zapis ten jest niestandardowy i zależny od producenta aparatu.  Najczęściej zapis ten wykorzystuje od 12 do 16 bitów dla składowej barwnej. Zapis RAW nie jest uznawany za kodowanie obrazu o zwiększonym zakresie tonalnym. Niemniej jednak fotografia zapisana jako RAW zawiera więcej informacji o barwie niż w standardowym zapisie 24-bitowym i może być „wywołana” do kilku, różnie naświetlonych obrazów. Daje to możliwość znacznej poprawy jakości zdjęcia.

Rys.10.26. Wnętrze Stanford Memorial Chuch. Obraz HDRI został wygenerowany na podstawie
16 różnie naświetlonych zdjęć. Jeden z najbardziej znanych przykładów
i jednocześnie jeden z pierwszych obrazów HDRI.  Obrazy ze strony www.debevec.org ©

Ciekawym przykładem możliwości uzyskania obrazów o podwyższonym zakresie tonalnym jest zastosowanie techniki wielokrotnej rejestracji ze zmianą stopnia naświetlania. Zestaw zdjęć pokrywa cały zakres tonalny (fragmentami na różnych zdjęciach). Docelowy obraz jest generowany programem składającym poszczególne zdjęcia z uwzględnieniem ich różnic tonalnych (rys.10.26).

Więcej informacji na temat obrazów HDRI można znaleźć w książce [5].