Tone Mapping und HDR-Bildgebung

Die High Dynamic Range (HDR)-Bildgebung erfasst und repräsentiert den gesamten Lichtbereich einer Szene, und Tone Mapping komprimiert diesen Bereich, sodass er auf Displays und Ausdrucken mit begrenztem Kontrast dargestellt werden kann.

Definition

HDR-Bildgebung ist die Erfassung und Darstellung der Szenenleuchtdichte über ihren gesamten Bereich, und Tone Mapping ist die Transformation von HDR-Werten in den begrenzten Bereich eines Ausgabegeräts.

Scope

Dieses Thema behandelt die Wiederherstellung von HDR-Strahlungsverteilungen durch die Kombination unterschiedlich belichteter Fotografien, die Kodierung und Speicherung von HDR-Bildern sowie Tonwert-Reproduktionsoperatoren – sowohl globale als auch lokale –, die Werte mit hohem Dynamikbereich auf darstellbare Bereiche abbilden, während Details und der visuelle Eindruck erhalten bleiben.

Core questions

• Wie wird der volle Luminanzbereich einer Szene erfasst?
• Wie werden unterschiedlich belichtete Bilder zu einem HDR-Bild kombiniert?
• Wie wird ein Bild mit hohem Dynamikbereich auf einem Display mit niedrigem Dynamikbereich angezeigt?
• Wie bleiben lokale Details erhalten, während der Gesamtkontrast komprimiert wird?

Key concepts

• Dynamikbereich
• Mehrfachbelichtungsaufnahme
• Wiederherstellung der Kamerareaktion
• HDR-Bildkodierung
• Globales und lokales Tone Mapping
• Detailerhaltung

Key theories

HDR-Wiederherstellung aus Mehrfachbelichtungen

Durch das Fotografieren einer Szene mit mehreren Belichtungen und die Wiederherstellung der Kamerareaktionskurve kann die wahre Szenenstrahlung über den Bereich hinaus rekonstruiert werden, den eine einzelne Belichtung erfasst, wodurch ein Bild mit hohem Dynamikbereich entsteht.

Tonwert-Reproduktionsoperatoren

Die Abbildung von HDR-Werten auf ein Display erfordert eine Komprimierung des Kontrasts; globale Operatoren wenden eine Kurve auf alle Pixel an, während lokale Operatoren sich an Nachbarschaften anpassen, um Details zu erhalten, basierend auf fotografischen und perzeptuellen Prinzipien.

Clinical relevance

Tone Mapping und HDR sind zentral für die digitale Fotografie und Smartphone-Fotografie, HDR-Displays und -Fernseher, physikalisch basiertes Rendering und bildbasierte Beleuchtung in visuellen Effekten.

History

Die Methode von Debevec und Malik aus dem Jahr 1997 zur Wiederherstellung von HDR-Strahlung aus Fotografien katalysierte die HDR-Bildgebung; eine Reihe von Tonwert-Reproduktionsoperatoren folgte in den 2000er Jahren, und HDR-Erfassung und -Anzeige wurden später zu Standardfunktionen für Verbraucher.

Key figures

• Paul Debevec
• Jitendra Malik
• Erik Reinhard

Seminal works

• debevec1997
• reinhard2002

Frequently asked questions

Warum ist Tone Mapping erforderlich, wenn eine Szene in HDR aufgenommen wird?

Reale Szenen umfassen einen weitaus größeren Helligkeitsbereich, als Displays oder Ausdrucke darstellen können. Daher müssen die erfassten Werte mit hohem Dynamikbereich durch Tone Mapping komprimiert werden, um auf das Ausgabegerät zu passen, während das Bild natürlich aussieht.

Wie wird ein HDR-Foto mit einer normalen Kamera erstellt?

Mehrere Fotos derselben Szene werden mit unterschiedlichen Belichtungen aufgenommen, und Software kombiniert sie – wobei helle Belichtungen für Schattendetails und dunkle Belichtungen für Spitzlichtdetails verwendet werden – zu einem einzigen Bild mit hohem Dynamikbereich.