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

ISBN 978-80-7413-001-4KATALOGOVÉ ČÍSLO: ZR748DOPORUČENÁ CENA: 500 KČ

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

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

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

HDRIHDRI

/high dynamic range imaging / zobrazování vysokého dynamického rozsahu/

/high dynamic range imaging / zobrazování vysokého dynamického rozsahu/

pro fotografy a počítačové grafi ky

pro fotografy a počítačové grafi ky

Christian Bloch

HD

RI

high

dyn

amic

rang

e im

agin

g zo

braz

ován

í vys

okéh

o dy

nam

ické

ho ro

zsah

up

ro f

oto

gra

fy

a p

oč

íta

čov

é g

rafi

ky

]

]Christian

Bloch

Pod logem ENCYKLOPEDIE – GRAFIKA A DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE vycházejí pub likace určené pro všechny zájemce o grafi cké aplikace a fotografi i, zejména fotografi i digitální. Od ryze praktických příruček a průvodců až po komplexní publikace o všem, co potřebuje profesionální grafi k, ale také třeba fotograf amatér.

Doprovodný disk DVD ke knize obsahuje všechno, co pro za-

čátek potřebujete, například:

• různý software (trial i plné verze); • ukázkové obrazy HDR;• soubory snímků stupňovaných

expozic;• další výukový a zkušební materiál.

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

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 me-todou 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 po-souvá 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 vysvětlu-jících částí, na dvě skupiny uživatelů: na fotografy a na počítačové grafi ky.

Fotografům jsou určeny zejména kapi-toly o fotografování scén s vysokým dy-namickým rozsahem, jak HDR obrázek vytvořit a dále upravovat, a jak z něj při-pravit působivý obraz vhodný pro tisk nebo prohlížení na monitoru.

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

naučte se fotografovat scény s vysokým dynamickým rozsahem

seznamte se s technikami mapování tonality

objevte panoramatické HDR snímky

HDRIHigh Dynamic Range Imaging / zobrazení vysokého dynamického rozsahu

pro fotografy a počítačové grafi ky

Christian Bloch

Th e HDRI Handbook – High Dynamic Range Imaging for Photographers and CG ArtistsChristian 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 soft ware, s.r.o., 2008. Authorized translation of the English 1st edition © 2007 by Rocky Nook, Inc.

All Rights Reserved. Th is 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 grafi ky(High Dynamic Range Imaging / zobrazení vysokého dynamického rozsahu)

Autor: Christian Bloch.

Copyright © ZONER soft ware, s.r.o. Vydání první v roce 2008. Všechna práva vyhrazena.

Zoner PressKatalogové číslo: ZR748

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

Překlad: Bc. Pavel VaidaOdpovědný redaktor: Karel VlčekŠéfredaktor: Ing. Pavel KristiánDTP: 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 soft ware, 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 progra-mů pro prohlížení disků a složek, např. Průzkumník Win-dows apod. Výhodné je, pokud můžete zobrazovat náhle-dy souborů.

Obsahem přiloženého DVD je ve složkách Editing, HDR images, Panoramas a Tonemapping řada ukázko-vých obrázků, ať již zdrojových (tak jak byly vyfotogra-fovány) nebo vytvořených HDR, spojených panoramatic-kých HDR apod. Najdete zde většinu ukázek z knihy, ale také několik „bonusových“ snímků navíc. Většina obráz-ků je uložena v plném rozlišení, můžete je používat pro sledování v knize uvedených postupů nebo pro vlastní

experimentování. Obrázky není samozřejmě možné vy-užívat pro vlastní komerční činnost.

Ve složce Tools and Software najdete dvě plné apli-kace (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 – objek-ty a scény v několika různých formátech – pro testování v nejužívanějších aplikacích pro 3D počítačovou grafi ku. 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 8

Úvod 10

O autorovi a přispěvatelích 11Přehled kapitol 12

Kapitola 1: Zákulisí 14

1.1 Základní otázky 151.2 Jak vidíme svět 221.3 Jak skutečná je analogová fotografi e? 241.4 Výstupní média 281.5 Výstupní média 38

Kapitola 2: Nové nástroje 40

2.1 Formáty souborů 412.2 Porovnání formátů obrazů HDR 612.3 Software HDRI 64

Kapitola 3: Snímání obrazů HDR 92

3.1 Senzory pro HDR 933.2 Ruční práce 101

7Obsah

Kapitola 4: Mapování tónů 144

4.1 Techniky mapování tonality 1454.2 Postup mapování tonality 1684.3 HDR pro výtvarnou fotografi i 1714.4 Kreativní techniky mapování tónů 183

Kapitola 5: Zpracování obrazu HDR 212

5.1 Využití úplného dynamického rozsahu 2135.2 Efekty fi ltrují efektivněji 227

Kapitola 7: Použití v počítačových obrazech 286

7.1 Principy obrazů vytvořených počítačem 2877.2 Studie proveditelnosti 2977.3 Pokročilé techniky nastavení 3027.4 Chytrá simulace osvětlení reálným prostředím 3237.5 Kreativnější aplikace 329

Poslední strana 343Rejstřík 344

Kapitola 6: Panoramatické HDR obrazy 234

6.1 Panoramatický žargon 2356.2 Technika jednoho snímku 2416.3 Zrcadlová koule 2436.4 Zachycení po částech 2586.5 Skydome (obloha) 2806.6 Srovnání 285

Kapitola 1: Zákulisí

Než budeme moci zvednout oponu a předsta-vit 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

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

15Zákulisí

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 pomě-ru, ovšem tento pojem je méně výstižný a ne-zní 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 stup-nice 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. Podí-vejme se nejprve na nejmenší kontrast v obra-zu. Nakreslil jsem velmi jednoduchý testovací obrázek. Pokud pruh zcela vlevo značí náš nu-lový 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 ob-rázku – tedy jeho dynamický rozsah – je 10:1.

Důležité je si zapamatovat, že DR (dyna-mický rozsah) vždy závisí na dvou faktorech: na celkovém rozsahu jasů a na jejich nejmen-ším 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 defi nice dynamického rozsahu, založená na prosté logice. Budeme ji potřebovat později, kdy budeme mluvit o tom, jak počítač vidí obraz. Fotografové a kamera-mani dávají přednost jinému vyjádření: měřili by dynamický rozsah pomocí rozdílu expozič-ních hodnot různých míst v obrazu, pomocí stupňů expozice.

Jaké stupně expozice zase? Expoziční hodnota ( EV, Exposure Value), je fotografi cké měřítko pro množství světla, které se dostane objektivem a zasáhne fotocitlivou vrstvu fi lmu nebo snímače. Toto množství světla závisí na rychlosti závěrky a velikosti clony. (Ke změně množství světla mohou být také použity neut-rální fi ltry, takže i ony expozici ovlivňují.) Změ-na expozice o jeden stupeň (1 EV) znamená změnu množství světla na polovinu (případně obráceně na dvojnásobek).

V praxi se místo stupně expozice velmi čas-to říká „o jednu clonu“ (a obvykle se ale udává „ clonové číslo“). Ovšem expozice je záležitostí i rychlosti závěrky. Abychom se vyhnuli mož-ným nedorozuměním, budu v celé knize použí-vat stupně expozice, např. 1 EV.

Testovací obrázek s kontrastním poměrem 10:10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

16 Kapitola 1

Mezinárodní standardizační organizace (ISO) defi nuje 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 sekun-dy. 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 defi novány pro fi lm s cit-livostí 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 při-způsobení 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 opo-minuta. Dnes vám nastavení pevné expoziční hodnoty EV, a tedy i množství přímo zachyce-ného světla, umožní pouze profesionální foto-aparáty. Bohužel tato těžkopádná manipulace se nevyhnula ani HDRI. Se zavedením HDRI

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/64E

xp

oz

ičn

í č

asy

[s]

15 -4 -3 -2 -1 00 1 2 3 4 5 6 7 8

8 -3 -2 -1 00 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4 -2 -1 00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2 -1 00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 00 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

17Zákulisí

by bylo velmi jednoduché opět zavést toto mě-řítko 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 veške-rý software pro práci s HDR by byl zkalibro-ván podle stejného měřítka, bylo by mnohem snazší posouvat se podle něj směrem nahoru i dolů. Vlastně duchovní otec HDRI, Greg Ward, kdysi defi noval nominální expoziční hodnotu jako hodnotu, která by byla vložena v jednodu-chém stylu s metadaty v každém obrazu HDR. Ovšem myšlenka implementace této vlastnosti do většiny softwaru pracujícího s HDR jedno-duše upadla v zapomnění, neboť programátoři se nestarali o tento drobný fotografi cký detail.

A třebaže to nezní jako velký problém, ná-sledkem jsou zásadní nedostatky, a proto fi lma-ři a profesionální fotografové stále spoléhají na ruční měření světla. Automatické expozimetry jsou připojeny k fotoaparátu, takže nikdy ne-změří 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 fi lmové 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 ruč-ní expozimetr; poté sdělí správnou expozič-ní hodnotu do své vysílačky. To je údaj, který musí dodržet každý kameraman, a podle kte-rého musí všichni nastavit své kamery. Tím je zajištěno, že se mohou vracet či posouvat ve scéně s dialogem, aniž by museli měnit nasta-vení. Všechny kamery jsou synchronizovány. Pokud máte ale na starosti pořizování HDR obrazů na scéně, automaticky o tuto synchro-nizaci přicházíte. I když byste mohli zachytit více světla než všechny kamery současně, váš obraz se automaticky nepřizpůsobí tomu, co skončí na fi lmu. Teoreticky má technologie HDR potenciál, ale v praxi ji většina programů nepoužívá. Provádí pouze kalibraci obrazových hodnot v obrazu HDR na danou expozici. Tak-že byste měli pozorně poslouchat vaši vysílač-ku 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 ješ-tě naděje na jednotný světelný prostor, který odpovídá skutečnému světu.

V kinematografi i a profesionální

fotografi i lidé stále spoléhají na

ruční měření světla.V běžných fotoaparátech je absolutní expoziční hodnota zcela

opomenuta.

0

0

0

0

0

18 Kapitola 1

Jak mohu použít expoziční hodnoty k ur-čení dynamického rozsahu? Mluvili jsme o kontrastním poměru jako standardním způ-sobu měření dynamického rozsahu. Ovšem jed-ná 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 rozu-mí. Když řeknu, že můj obraz HDR pokrývá cel-kem 12 expozičních stupňů světel dané scény, vše je jasné. Okamžitě rozumíte tomu, jak dale-ce jsou nejhlubší detaily stínů vzdálené od nej-jasnějších odlesků. A znáte vztah skutečného světa ke všem zachyceným mezilehlým tónům.

Takže podívejme se na převodní jednotku mezi kontrastním poměrem a expoziční hodno-tou.

Kontrastní poměr se přímo vztahuje k roz-dílu v intenzitě světla. Zdvojnásobení této hodnoty znamená zdvojnásobení světla. Takže máte lineární jednotku.

Expoziční hodnoty jsou v logaritmickém měřítku: každé zvýšení o jednotku světlo zdvoj-násobí, 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 kon-trastní poměr přibližně 4000:1.

Převod v opačném směru je poněkud slo-žitější. Musíte spočítat logaritmus o základu 2, nebo chcete-li dvojkový logaritmus, jak jej nazývají matematici. Je pravděpodobné, že váš stolní kalkulátor nemá tlačítko „log2“. Ten můj nemá, dokonce ani ten v počítači. Je zde známá klávesa „log“, ta se ovšem vztahuje k log10, ni-koliv k log2. Ovšem šťastnou matematickou ná-hodou je zde jednoduchá převodní konstanta. Vlastně existuje matematické pravidlo, které říká, že log2x = (1/log102) × log10x a lze tedy pro převod použít hodnotu 1/log102 = 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 log10(4000) × 3,32 ≈ 12 expozičních stupňů.

Pokud vůbec nemáte chuť zaobírat se ma-tematikou, můžete použít i převodní stupnici. Tato stupnice rovněž velmi přehledně znázor-ňuje, jak citlivější rozsah expozičních hodnot tvoří měrnou jednotku dynamického rozsahu. Expoziční hodnoty se prostě porovnávají mno-hem 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 jed-né zóně. V zásadě byste mohli tyto výrazy na-

Kontrastní

poměr 1 : 10 100 1 000 10 000 100 000 1 milion

Rozsah EV

Převodní stupnice: Dynamický rozsah měřený jako kontrastní poměr a rozsah EV.

19Zákulisí

hradit v celé knize. Ovšem jelikož zónový sys-tém je přesně uzpůsoben omezením kinofi lmu, 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 obo-ru zpracování signálů. Pro techniky digitálního zpracování obrazu je důležitým měřítkem kva-lity čipů senzoru.

Technický dynamický rozsah je defi nován jako logaritmický poměr mezi největším čitel-ným signálem a šumem v pozadí, a jeho jednot-

kou je decibel. Takže se jedná o velkého bratra starého dobrého poměru signálu vůči šumu; je-diným 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? Mů-žete 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 rozechvě-lou čáru. Je zde spousta drobných detailů, ale celkově je obraz tmavý a málo kontrastní.

Obraz jako signál.

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

Svě

t lo

st t

éto

řad

y p

ixe

l ů

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

Foto: Uwe Steinmüller

Kapitola 3: Snímání obrazů HDR

93Zachycení 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 32bitový-mi hodnotami v pohyblivé řádové čárce. Takže data existují až do chvíle, než se fi nální obrá-zek uloží na disk. Častým zvykem je ukládání 8bitového obrázku, čímž však jednoduše zaho-díme většinu drahocenného renderování. A to je opravdu škoda, neboť získání plného dyna-mického rozsahu renderovaného obrázku už nemůže být snazší: prostě jej uložte ve formátu EXR! (Což je rozsáhlé téma samo pro sebe, do-staneme se k němu později v kapitole 7 o ren-derování obrazů vytvořených počítačem.)

Druhým možným způsobem je vyfotogra-fování obrázku HDR přímo pomocí fotoaparátu s podporou HDR. Ano, i takové existují. Vím, co si myslíte, ale bohužel musím říci ne, ne-můžete si jej dovolit. Alespoň prozatím. Pokud však nemáte přebytečných zhruba 900 tisíc ko-run. Taky byste se mohli vrátit zpět na fakultu a zapsat se do kurzu elektrotechniky. Pak byste mohli mít šanci zapojit se do práce na prototy-pu 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 fotoapará-tu, 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 sta-tické 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 obráz-ky 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 úrov-ně, která je více než dostačující; již převyšují rozlišení, která bychom mohli dosáhnout u ki-nofi lmu. 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 testo-vací kritérium, využívající určené testovací na-stavení s podsvíceným grafem ve stupních šedi.

Senzorová technologie je motorem této inovace a snímací zařízení obrazu (obrazový senzor, CCD) této oblasti dominovaly od osm-desátých 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 ProblémZ hlediska hardwaru problém pramení přímo z technické defi nice dynamického rozsahu. Jak jsme zmínili již v úvodu, dynamický rozsah je defi nován jako logaritmický poměr mezi nej-větším (nejsilnějším) a nejmenším (nejslab-ším) čitelným signálem.

94 Kapitola 3

Dosazením do vzorce dostáváme:

DR = 20 × log10 Max SignalMin Signal

Ano, já vím, slíbil jsem, že nebudou žádné dal-ší 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 náso-bitele, který mění výsledek do čitelnější číselné hodnoty. Výsledek bude udán v jednotkách de-cibel (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 troš-ku jasnější, prostě by se „ořízl“. Jednou mož-ností, jak zvýšit dynamický rozsah, by bylo zvý-šení 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: opro-ti 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 materiá-lu. Od těchto elektronů se očekává, že čekají na nějaké světlo, které je uvolní, přesto však vždy existuje pár elektronů, které jsou vybuzené pří-liš a stejně se uvolní.

Tato situace má několik příčin a některé z nich souvisí se skutečností, že potřebujeme elektrony spočítat, a to pomocí jiných elektro-nů. To už však zabředáváme do zákonů kvan-tové 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 efektiv ního snížení úrovně šumu v běžných či-pech CCD – můžete je zchladit. Chladné elektro-ny začnou být líné a s menší pravděpodobností se z nich stanou zběhové. Tuto techniku použí-vají profesionální digitální stěny a nutno říci, že funguje skvěle. Není to však levná záležitost, neboť tichý a efektivní chladící systém vyžadu-je spoustu technické dovednosti. Ti, kteří poři-zují 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 dyna-mického rozsahu, který můžete pomocí daného senzoru zachytit. Právě teď přichází první vlna dostupných řešení, která jsou nám k dispozici. Současné řady digitálních zrcadlovek již zvláda-jí 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 před-určuje 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 vy-tváří ve svých laboratořích!

95Zachycení obrazů HDR

3.1.2 Čas na naplněníZačneme poněkud nekonvenčním přístupem ke zvýšení dynamického rozsahu. Místo čtení aktuálního stavu každého pixelu po zadaném expozičním čase bychom si na něj mohli pou-ze 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 po-sunuta 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 přijatel-ný expoziční čas.

Tento koncept zní dobře, ovšem implemen-tace je obtížná. Jedním problémem je opotře-bení čipu, neboť senzory by se stále plně na-bíjely. Rovněž navržení radikálně nové logiky načtení hodnot, která dokáže registrovat čas naplnění, se ukázalo být téměř nemožné.

3.1.3 Logaritmické senzory CMOSPohádka o senzorech CCD a pomerančov-nících: obyčejný senzor CCD funguje stejně jako pomerančovníková plantáž. Jakmile je pixel zasažen světlem, vyroste pomeranč, nebo jak mu říkají vědci, náboj. Čím více světla rost-lina dostane, tím více pomerančů vyroste. Ved-le každého stromu umístíme pomocníka. Když nastane čas sklizně, otrhají pomeranče do kbe-líku a srovnají je do řady jako kbelíkovou armá-du. 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 ja-kém 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).

Běžný senzor CCD funguje jako

pole pomerančovníků.

96 Kapitola 3

Pomeranče jsou náboje shromážděné fotodio-dami a pomocníci jsou řetězy kondenzátorů.

V čem je technologie CMOS jiná: logarit-mické senzory jsou pro srovnání tvořeny jinak. Jejich architektura je založena na mikroproce-sorové 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 ze-sílení náboje, který se vytváří během expozice, používají dodatečné tranzistory na každý pixel. Tyto tranzistory lze přímo číst, neboť jsou pro-pojeny do sítě. V podstatě se jedná o paměťové čipy s fotodiodou vedle každé paměťové buň-ky. 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 libo-volném pořadí. Farma by také mohla být men-ší, protože v logaritmickém senzorovém čipu bychom pěstovali pomerančovníky přímo na střeše naší farmy. V podstatě by bylo vedle kaž-dého stromu schodiště a pomocníci by pouze chodili o patro níž.

Tento senzor je vysoce integrovaný; někdo jej nazývá fotoaparátem na čipu. Může být vy-roben ve stejné továrně jako běžné paměťové čipy, takže jeho výroba je levnější. Jelikož pro-ces 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 po-užití ve spotřebitelských produktech.

Na rozdíl od lineární reakční křivky typické pro čipy CCD tyto čipy reagují na světlo loga-ritmicky. To proto, že tranzistory tvoří náboj logaritmicky. Toto chování je velmi podobné charakteristické křivce fi lmu, a proto může tento čip dosáhnout podobného dynamického rozsahu. Trpí však stejnými nedostatky jako

fi lm: nelinearita umožňuje dobrou reproduk-ci 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 mar-kantně deformovat.

Slabé místo: s touto technologií je spojena další skutečnost: potřebujeme místo na povr-chu těchto tranzistorů. Pokrytí fotodiodami, které všechny dohromady tvoří skutečnou světlocitlivou oblast, je pouze asi 30 %. To zna-mená, že pouze jedna třetina dostupného svět-la se použije pro obraz; zbytek pouze zasáhne tranzistory a zahřeje je, což není nijak dobré, neboť tím vzniká další šum. Takže máme dvo-jitý 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 zod-povědná za zachycení veškerého světla a jeho nasměrování na fotodiodu. To vyžaduje spous-tu úsilí, které je třeba věnovat samotnému ná-vrhu.

Přesto je tento typ architektury senzoru nejen velmi slibný, ale už zasáhl i masový trh. Senzory CMOS potřebovaly trochu času k do-sažení úrovně kvality a rozlišení vyvinutější technologie CCD, ale dnes ji již zcela dostih-ly. 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 pře-chodovým hradlem (z ang. junction-fi eld-ef-fect-transistor), díky kterým si Nikonu vystačí s pouze třemi tranzistory.

97Zachycení obrazů HDR

3.1.4 Digitální senzor pixelů/ HDRCPrincip logaritmických senzorů CMOS byl dal-ším krokem směrem k projektu programovatel-ných digitálních fotoaparátů, který zpracovala Stanfordská univerzita. Pod vedením Abbase El Gamala členové jeho pracovní skupiny vy-tvořili 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 do-cílili efektivního zdokonalení senzoru; základ-ní kroky předzpracování mohou být provedeny už v hardwaru samotnými pixely.

V naší analogii bychom sběrače pomeran-čů vybavili mobilním telefonem a kalkulačkou místo jednoduchého pageru. Ano, mohou mít také iPhone. Jsou to teď opravdu „šikovní“ lidé dvacátého prvního století. Nemusí už pome-ranče 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 pro-vádět svůj vlastní analogově-digitální převod (potažmo počítání pomerančů), máme téměř okamžitě k dispozici digitální obraz. Proto do-káže prototyp ze Stanfordu fotografovat ohro-mující 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 vyš-ší snímkové frekvenci, než je současná genera-ce zobrazování. Máme spoustu času vyfotogra-fovat několik expozic každého záběru a stále bychom získali plynulé video s 30 snímky za vteřinu. Jednotlivé expozice lze slučovat do ob-razu HDR na nejnižší úrovni v každém jednom pixelu. Jelikož architektura tohoto čipu je zalo-žena 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 grafi ckých karet. Takovéto předzpracová-ní na čipu má rovněž hezký vedlejší efekt spočí-vající v redukci šumu, neboť výsledné hodnoty pixelu jsou průměrem více vzorků. Také by-chom mohli v této předzpracující fázi provádět složitější výpočty – například snížení rozostře-ní pohybem nebo detekci hran a tvarů.

Nad rámec oboru fotografi e: s takový-mi možnostmi zpracování se tato senzorová technologie velmi blíží napodobení tomu, co dokáží naše oči. Jedná se o opravdu chytrý fotoaparát na čipu. Možnosti aplikace přesa-hují rámec oboru fotografi e; například existuje možnost umělého zraku. Již byly vymyšleny prototypy implantátů umělé sítnice, které mají slepým lidem vrátit jejich zrak. Z tohoto hle-diska se výzkum v oblasti zobrazování posunu-je 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 nazý-vá „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 podob-ný senzor založený na technologii CMOS s lo-gikou načítání po pixelu. Jeho verze se nazývá High Dynamic Range CMOS ( HDRC®). Symbol registrované obchodní známky se vztahuje k jeho patentované architektuře, která připomí-ná vrstvený sendvič. Všechny tranzistorové ob-vody jsou ukryty pod bezešvým, jako fi lm ten-kým povrchem z fotodiod. Ten zvyšuje faktor plnění na téměř 100 %, což eliminuje potřebu mikročoček. Senzor běží stejnou neuvěřitelnou

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.

213Zpracování obrazu HDR

Být „nedigitální“ s digitálními obrázky – takový byl nadpis jednoho z prvních článků o zobrazování s vysokým dynamickým rozsa-hem, napsaný v roce 1995 vizionáři Mannem a Picardem. A o tom to celé je. Práce přímo v prostoru pohyblivé řádové čárky vrací úpra-vu obrázků zpět do světa, ve kterém přemýšlíte o clonových číslech, přechodových ND fi ltrech a o přidávání nebo odebírání světla, aniž byste se starali o digitální degradaci vašeho obra-zu 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, vy-chází z digitálního skládání. Pouze před pár lety byly nesmyslně drahé balíky pro fi lmovou 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 mon-táž a střih totéž, třebaže ne tak rychle. Takže tyto techniky fungují v softwaru After Eff ects, Fusion, Combustion, a mohli bychom pokračo-vat dále.

Ovšem já je budu demonstrovat na Photo-shopu. Proč? Protože můžu. Nové funkce vrstev a kreslení ve verzi CS3 Extended mi umožňují totéž. Už jste viděli, jak funguje nastavení se-lektivní expozice. Nazval jsem jej lidskou tech-nikou mapování tonality. A to byl jen zlomek toho, čeho jsme schopni dosáhnout.

5.1.1 Záměna světla: denního za nočníTohle je dobrý příklad – klidně pracujte se sou-borem Egyptian.exr z přiloženého disku. Na tento obrázek použijeme jisté fi lmové kouzlo,

které třeba profesionální malíři používají den-ně. Změníme obrázek na noční snímek.

Sluneční světlo na měsíční svit Začneme stejně, jako bychom pracovali

s foto aparátem: umístíme před objektiv modrý fi ltr. V digitální terminologii řečeno, použije-me samostatnou novou vrstvu výplně s tmavě modrou barvou.

Vybraná barva je zvolena s ohledem na to, jak by podle mě měly vypadat nejtmavší stíny.

Potom nastavíme režim prolnutí dané vrstvy na Násobit (Multiply). Tím z této vrstvy udě-lám přímý ekvivalent fi ltru před objektivem. Ten zakryje světlo, v tomto případě spoustu světla.

Je to opravdu velmi brutální fi ltr. Ale ne-bojte se, všechno je jak má být. Pouze musíme přizpůsobit expozici virtuálního fotoapará-tu ve Photoshopu, stejně jako u skutečného fotoaparátu, fotografujeme-li přes fyzický fi ltr před objektivem.

Před

214 Kapitola 5

Základem je plná modrá

vrstva.

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 na-bídce Obraz (Image) a změnit novou expozici

Režim prolnutí Násobit (Multiply) změní plnou modrou barvu na

fotografi cký fi ltr objektivu.

Permanentní nastavení virtuální expozice.

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

215Zpracování obrazu HDR

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

Abychom opravili oblohu, musíme ji nejprve vybrat. Z nějakého důvodu Kouzelná hůlka ( Ma-gic 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 Ex-pozice (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.

To je naše základní kompozice s vysokým dynamickým rozsahem. Pokud zapnete a vy-pnete 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 odpoví-dá 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.

Oprava oblohy.

Plně modrá vrstva odvede celou práci.

216 Kapitola 5

Všechno je o náladě Legrace může začít, neboť teď přidáme tro-

chu nálady. Konkrétně mám na mysli pocho-deň, která se nachází mimo snímek, a která by mohla scénu zalít trochou teplého světla. Řek-něme, že je někde za obloukem vpravo. Takže pomocí mnohoúhelníkového výběru zhruba na zdi načrtněte obrysy oblasti, které by byly za-saženy světlem.

Ujistěte se, že máte vybranou masku naší sa-mostatné „noční“ vrstvy, a z nástrojů vyberte

Přechod ( Gradient). Nastavte režim kruhového přechodu a nakreslete velký poloměr od naše-ho imaginárního světla nacházejícího se mimo obrazovku.

Tím docílíme částečné průhlednosti našeho fi ltru ztmavení a umožníme původnímu obráz-ku prosvítat. Skvělé, co říkáte?

Obrys stínu je teď poněkud tvrdý; ve skuteč-nosti by se do stínů rozlévalo trochu nepřímé-ho světla. Takže musíme přidat rozlité světlo. Zrušte výběr, zvolte velký, měkký štětec a bílou

Načrtnutí přibližného výběru pomocí nástroje mnohoúhelník (polygon).

Přechod v masce vrstvy umožní prosvítání

původního obrázku.

Přidání trochy rozptýleného světla a přizpůsobení masky pomocí

nástroje Rozmazání (Smudge).

217Zpracování obrazu HDR

barvou nakreslete do černé masky trochu prů-hlednosti – 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 jem-ně se překrývajících rovných tahů k liniím stí-nů. Výhodným vedlejším efektem je zjemnění čáry; záměrně ji můžete více zjemnit diagonál-ně vedenými tahy štětcem.

Dobrá, takže roh je hotový. Tutéž metodu použijme na malou lampu na opačné straně. Načrtněte přibližný výběr pomocí nástroje Mnohoúhelníkové laso ( Polygonal Lasso) a po-užijte jej k nakreslení další průhlednosti v naší samostatné „noční“ vrstvě.

Posledním krokem je přidání trochy inter-aktivního světla na zeď v pozadí. Opět stejný postup – omezte oblast kreslení podle výběru a kreslete dovnitř této alfa masky pomocí měk-kého štětce.

Hotovo.

Hladký průběh plavbyPodobná technika by nepochybně fungova-la i v 16bitovém režimu. Ale to by nebylo tak úžasně jednoduché. Abychom opět dosáhli

přirozeného vzhledu, potřebovali bychom sa-mostatné vrstvy pro oblasti měsíčního svitu, oblasti s teplým světlem a všechna další vylep-šení. 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, pro-tože buď byly vybledlé stíny, nebo došlo ke

Tentýž postup použijte i pro lucernu.

Přidejte kapku světla.

Po úpravě.

Kapitola 7: Použití HDR v počítačových obrazech

V osmdesátých letech se poprvé objevil výraz fotorealismus vytvořený počítačem. Před-stavoval věrohodný obraz fi ktivních objektů; věci, které ve skutečnosti v hmotném světě ne existují. Jsou vytvořeny pomocí geomet-rických a matematických popisů, které jsou navrženy v 3D aplikacích nebo naskenovány. Rende rovací algoritmy tvoří virtuální analogii fotoaparátu a umožňují pořízení snímků těch-to dat.

Označovat obrazy za „vytvořené počítačem“ je poněkud nesprávné, protože nakonec je to stále jen člověk, kdo modeluje virtuální objek-ty a ovládá kamery a světla. Stále jde o „uměl-cem 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 fotografi i reálného objektu, závisí na umělci.

287Použití HDR v počítačových obrazech

7.1 Principy obrazů vytvořených

počítačem

Od osmdesátých let, kdy se jednalo o vizio-nářský koncept, se mnohé změnilo. Čím více byly algoritmy sofi stikovanější, 3D programy přerostly v nejkomplexnější aplikace na světě. Dnes snadno převyšují kokpit Boeingu 747 co do množství tlačítek a ovládacích prvků. Je vel-mi jednoduché se ztratit, a proto je pro umělce zcela nezbytné pochopit principy algoritmů, které stojí v pozadí těchto nástrojů.

Moderní doba: CGI, obrazy vytvořené po-čítačem (z ang. computer-generated image-ry) jsou jednoduše skvělé. Jejich vytváření je opravdu velká zábava a obecně představují pro foto grafi cká média značnou úlevu. Koneč-ně jsou fi lm a fotografi e vysvobozeny z okovů ma teriálního světa a hranice toho, co lze vyjá-dřit, jsou posunuty do oblasti představivosti. Obrazy vytvořené počítačem vnesly tvůrčí po-tenciál do oblasti, která byla doménou malíř-ství a li teratury. Mystické pohádkové bytosti, ima ginární krajiny a zcela smyšlené pohádky znovu spojily výtvarné umění, neboť jsou konečně dostupné v dominantním médiu naší doby.

Dnes se obrazy vytvořené počítačem použí-vají denně pro doplnění fi lmových dekorací, re-klamní produkty, které ještě nebyly vytvořeny, a provádění nebezpečných kousků prostřed-nictvím virtuálních akrobatických kaskadérů. Režiséři a autoři si zcela uvědomují všechny možnosti a bezesporu si užívají novou svobo-du. Důvěřují umělcům, že vytvoří cokoliv, co si vymyslí, a jednoduše očekávají hladké sply-nutí s reálnou fi lmovou 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

se, co všechno vidíte v televizi, a co ve skuteč-nosti vůbec neexistuje.

Laťka je na plátně stanovena vysoko a do-konce i v produkci hraných fi lmů je trendem posun k požadavkům na perfektní kvalitu v co nejkratším možném čase. Takže je ten správný

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

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

288 Kapitola 7

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 fi rmy, které to vidí jinak, zažívají těžké časy, protože nemohou najít dobré umělce. Trik spo-čívá ve vyvážení těchto dvou faktorů použitím pokročilých technik při tvůrčím procesu a ren-derování.

Takže hovořme o renderovacích technikách se zřetelem na tato dvě omezení: strojový čas a čas umělce. Uvidíte, že mezi klasickým rende-rováním a fyzikálně založeným renderováním je zásadní rozdíl.

7.1.1 Klasický fotorealistický renderingV klasickém renderingu nezáleží na tom, jak přesně je obraz vytvořen, pokud konečný vý-

Standardní osvětlení v aplikaci

LightWave.

sledek vypadá fotorealisticky. Typickými ren-derovacími metody v této třídě je tzv. scanline rendering a raytracing ( sledování paprsku). Obě metody jsou založeny na zjednoduše-ných stínových modelech, jako jsou Phongovo a Blinnovo stínování, a obecným výrazem po-užívaným 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 defi novány odděle-ně od geometrie a mohou mít vlastnosti, které by byly ve fyzickém světě nemožné. Například bodová světla jsou defi nována jako jednodi-menzionální položky, což znamená, že jsou zjednodušeny na nekonečně malý bod v pro-storu bez jakéhokoliv fyzického rozměru. Rov-něž způsob, jakým se světlo šíří ve 3D prosto-ru, je často charakterizován pomocí lineárního poklesu intenzity, na rozdíl od fyzicky správ-ného poklesu se čtvercem vzdálenosti. Další oblíbenou defi nicí světla je paralelní světlo,

289Použití HDR v počítačových obrazech

Výplňové (pomocné, fi ll light) a zadní světlo (rim light) jsou celkem běžnými doplňky.

Negativní světla světlo ubírají.

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 defi nice jsou abstraktními modely, jejichž jediným účelem je zjednodušení výpočtů a sní-žení potřebného strojového času.

Zfalšování všeho dohromady

Zde je jednoduchá vzorová scéna. Na počát-ku nevypadá vůbec fotorealisticky.

Vytvořit věrohodnou světelnou situaci ruč-ně vyžaduje spoustu času a vynaloženého úsilí. Prvním krokem je obvykle úprava, rozptýlení ( fuzzy up) stínů a přidání zbarveného výplňo-vého světla. Potom musíme zohlednit odrazy světla od zdi, odrážející světlo zpět na pome-ranče. Takže umístíme zadní světlo, které ne-ovlivní rozptýlené stínování a nevrhá vůbec žádné stíny, pomáhá ale vytvářet obrysy a ge-neruje odlesky. Tato dvě světla jsou poměrně běžnou záležitostí.

Co je však obtížnější na vytvoření, je jemný efekt nepřímého světla v zákoutích a rozích.

Oblíbeným trikem je distribuovat do strategic-kých oblastí negativní (záporné) světlo.

Negativní ( záporná) světla Já vím – asi se divíte, co je kruci zač to ne-

gativní 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

výplňové světlovýplňové světlo

zadní světlo

zadní světlo

odečtené světlo

290 Kapitola 7

Negativní světlo

uvnitř kbelíku

Namapované stíny

Bodová světla

Drobné stíny Další okolní světlo

Strategicky umístěné negativní světlo.

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 objek-ty.

Mapování stínů Také byste mohli vytvořit měkké stíny po-

mocí několika bodových světel s namapovaný-mi stíny. Stínové mapy se generují před gene-rováním vlastní scény a lze je uměle vyhladit pomocí faktoru rozostření. Když na některé stínové mapy posvítíte z různých úhlů, tyto stí-ny se vzájemně prolnou a budou ještě měkčí.

Textury a přechody 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 kou-sek 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 defi nován středem a slábnu-tím (poklesem). V tomto případě je slábnutí nastaveno na jednoduchý směr Z. Umístíte-li

291Použití HDR v počítačových obrazech

Středový bod

Směr slábnutí

Textury a přechody.

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 ze-slábne do průhlednosti.

Po přidání pár přechodů a negativních světel už scéna vypadá jako na obrázku .

Nastavení mi trvalo asi tři hodiny, ale vy-renderování trvalo 3 minuty. Zkušenější mistři

osvětlování jsou rychlejší. Ovšem není to nic jednoduchého. Všechny drobné nuance, kte-ré 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 produk-ci běžně používají, jsou v zásadě založeny na