HDR a panorama

V tomto cvičení se vás pokusíme seznámit s principy za některými pokročilejšími jasovými a geometrickými transformacemi obrazu. Konkrétně se podíváme na high dynamic range (HDR) fotografii a skládání několika snímků do jednoho panoramatického. Naším cílem není naučit vás používat určitý program, ale spíše to, co všechny dostupné programy schovávají za automatické zpracování a sadu šoupátek.

Lidské oko má díky adaptaci rozsah přes 20 EV, zrcadlovky ale většinou jen do 10 EV, podobně je to s monitory. Z toho je patrné, že čip fotoaparátu nemůže vyfotit scénu tak, jak jí vidí lidské oko, a monitor ji pak nedokáže v plném rozsahu zobrazit. Typickým příkladem je focení krajiny, kdy je obloha “přepálená” anebo naopak zem ve stínu “černočerně” temná.

Cílem HDR je získat snímek s detaily jak v jasných oblastech scény, tak i ve stínech v situaci, kdy jasy ve scéně pokrývají širší dynamický rozsah, než dokáže fotoaparát zachytit a přizpůsobit ho pro zobrazení na monitoru. Jedná se tedy o kompozici v jasové doméně.

Abychom pokryli širší dynamický rozsah, vyfotíme několik snímků téže scény s různou expozicí, které později složíme do jednoho snímku v počítači. Při samotném focení je dobré dodržovat následující pravidla (a občas je porušit, pokud máme nějaký umělecký záměr :) )

• Najděte velmi kontrastní scénu - pro málo kontrastní scény nebude efekt významný.
• Použijte stativ (moderní programy už umí snímky zarovnat i pokud je fotíte z ruky, ale musíte si dát pozor na dlouhé časy, pohyby ve scéně, …).
• Typicky se fotí tři expozice -2, 0, +2 expoziční stupně (0 zde znamená “správnou” expozici).
• Zafixujte clonu a ISO a White Balance, měnit se bude jen čas (viz poznámka o focení z ruky).
• Mezi snímky nepřeostřujte (např. přepnout ostření na manuální režim).
• Pro delší expozice zvedněte zrcátko a použijte dálkovou spoušť, abyste omezili chvění fotoaparátu.
• Ideální je fotit do raw, ale možno i JPG (s patřičnými následky, viz cvičení na formáty)

Před tím, než vůbec snímky začneme skládat, odstraníme napřed vady objektivu - vinětaci, geometrické zkreslení a chromatickou aberaci. To můžeme udělat při předzpracování raw snímků nebo to někdy umí přímo i HDR software.

Při skládání snímků do jednoho potřebujeme v principu provést dvě operace. Anglicky se jim říká Exposure Fusion a Tone Mapping. Obzvláště Tone Mapping umožňuje všemožné manipulace s jasy a kontrasty snímku. Výsledky tedy mohou být hodně různé.

Obecně se dá mluvit o dvou druzích zpracování - záměrech:

1. fotorealistické, tedy takové, kde chceme, aby výsledný snímek vypadal reálně a jde nám hlavně o získání detailů a barev v pod-přeexponovaných částech scény
2. kreativní, kde je dovoleno vše.

Jak jste si ale určitě všimli, internet je plný “uměleckých” HDR fotografií. Důvod je ten, že je jednodušší udělat HDR, který neodpovídá realitě a je hodně barevný a kontrastní, než HDR, které třeba na první pohled ani nerozpoznáte.

Jako první krok je třeba vůči sobě zarovnat posunuté jasy snímků. Příklad takového složení demonstruje následující obrázek:

Touto operací ale získáváme obrázek s mnohem větším dynamickým rozsahem (0 - N místo zobrazitelných 0 - 255). Abychom si obrázek mohli prohlédnout, je třeba zkompresit data do menšího, zobrazitelného, rozsahu.

Při mapování vysokého dynamického rozsahu na menší, ale zobrazitelný potkáte pravděpodobně nějakou kombinaci globálního a lokálního mapování.

Globální mapování je zobrazení intenzit na intenzit a často se znázorňuje podobně jako na následujícím obrázku, kde jsou barevně naznačena dvě možná globální mapování.

Lokální mapování se snaží zachovat kontrast lokálně v obrázku, ale může vést na to, že globálně bude změněn kontrast některých částí scény. Výsledný efekt je vidět na následující dvojici obrázků. První ukazuje skutečný kontrast (fotka místa, ne HDR) a druhý stejnou scénu zpracovanou jako HDR s lokálním mapováním. Všimněte si změny kontrastu levé dolní části a oblohy vpravo nahoře.

S výše nastíněným vysvětlením zpracování několika snímků do jednoho HDR snímku se na cvičeních podíváme na možnosti funkce Automate -> Merge to HDR Pro ve Photoshopu a ukážeme si, co dělají jednotlivá šoupátka.

Základní postup je provést v HDR Pro exposure fusion i tone mapping a získat výsledek na 16 bitech, který je možné ještě dále v určitých mezích lokálně dolaďovat ve Photoshopu či Lightroomu.

Stále více populární variantou je provést v HDR Pro pouze exposure fusion do plných 32 bitů a následně provést tone mapping přímo ve Photoshopu, kde je možné bez ladit bez omezení. V tomto režimu ale umí pracovat až poslední verze aplikací.

• cvičení předmětu DZO na HDR
• Interiérová a produktová fotografie - většina těch snímků je HDR, přestože byste to u většiny asi neřekli
• Interiéry - další ukázka HDR, které není vidět
• HDR v počítačové grafice
• Photomatix - populární HDR software

Panoramatická fotografie zobrazuje scénu (celek) s velkým pozorovacím úhlem. Takovou scénu nelze prakticky vyfotit najednou, je tedy třeba složit několik snímků dohromady. Širokoúhlé objektivy mají sice zorný úhel i přes 180°, zde však již dochází k silnému zkreslení. Skládáním více fotografií získáme vysoké rozlišení (až gigapixely).

V tomto případě se jedná primárně o prostorovou (geometrickou) kompozici, nevyhneme se však ani jasovým operacím.

Panoramatická fotografie není nic nového, existuje vice panoramatických fotoaparátů, například Kodak Panoram. Typicky využívají otočnou čočku a válcovou dráhu filmu.

Abychom pokryli široký záběr, vyfotíme několik snímků celé scény se stejnou expozicí, které později složíme do jednoho snímku v počítači. Na příkladu panoramatu krajiny si ukážeme, jak dobré postupovat:

1. Najděte místo s dobrým rozhledem, ve kterém nic neruší.
2. Použijte stativ, který umožňuje nezávisle otáčet podél svislé osy.
3. Zkušebně prohlédněte v hledáčku celou šířku záběru a nastavte podle něj horizont. Toto je důležité ještě víc pokud stativ nemáte, pak musíte horizont stále hlídat a neměnit výšku.
4. Nafoťte postupně v jednom směru řadu navazujících fotografií s překryvem asi 1/3 šířky snímku.
5. Zafixujte expoziční parametry a White Balance, měnit se bude jen směr. Exponujte zejména s ohledem na nejsvětlejší směr
6. Mezi snímky nepřeostřujte (např. přepnout ostření na manuální režim) ani neměňte ohniskovou vzdálenost (zoom).
7. Ideální je fotit do raw, ale možno i JPG (s patřičnými následky, viz cvičení na formáty).

Postup můžeme přizpůsobit dalším cílům, např. skládat vertikální řadu nebo všesměrové panorama, případně vytvářet kompozice na základě mřížky (v rovině nebo na kouli) s obvyklým poměrem stran, ale exrémním rozlišením, pak hovoříme o tzv. gigapixelových fotografiích.

Snímky je možné skládat dohromady přímo po vrstvách ve Photoshopu (po odstranění zkreslení objektivu), ale v případě velkého množství snímků je to minimálně časově náročné a dosažení ideálního výsledku vyžaduje velkou praxi. Naštěstí jsou dostupné poměrně spolehlivé algoritmy, které to udělají za vás. Postupují asi takto:

1. Kompenzace zkreslení objektivu - podle databáze nebo automatickým hledáním parametrů, (viz další kapitola)
2. Detekce reprezentativních a unikátních bodů v obraze
3. Nalezení korespondencí mezi body
4. Volba modelu pro projekci (rovina, válec, koule)
5. Nalezení modelových parametrů pro jednotlivé snímky (poloha, orientace) - optimalizace s geometrickou chybou jako minimalizovaným kritériem
6. Vyrovnání snímků do roviny podle modelu, interpolace
7. Blending - výběr pixelů z jednotlivých snímků pro výsledné panorama, cílem je návaznost jasů (plynulé přechody) a hran, je možný podobný přístup jako v HDR.
8. Ořez - největší obdelník vepsaný do průniku projekcí, ručně možno rozšířit a mezery na okraji vyplnit např. pomocí Content-aware výplně

Detekci reprezentativních a unikátních bodů a nalezení korespondencí si ukážeme v programu Hugin. To, jak funguje blending, je možno demonstrovat ve Photoshopu odečtením vrstev od sebe a nakreslením jejich hranice jako na následujícím obrázku. Na cvičení si povíme něco o tom, jak to Photoshop pravděpodobně dělá.

Funkce pro skládání panoramat najdete pod Automate -> Photomerge. Výsledkem plně automatického procesu je projekt s více vrstvami, do kterých jsou umístěny jednotlivé vyrovnané fotky a blending je proveden pomocí tvrdé masky.

• Hugin (zdarma), český tutorial
• Autopano
• Se základními principy a jejich implementací se můžete seznámit ve cvičení předmětu Gemotetrie počítačového vidění (GVG).
• Související problematikou zabývá předmět Metody počítačového vidění (MPV)

Udržuje R.Tyleček.