Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/8515

Вход для пользователей Регистрация Корзина Найти

Расширенный поиск Улица 1905 года Магазины: Интернет-магазин Бабушкинская Владыкино Новости и статьи Товары и услуги Интернет-магазин Сервис-центр Компания Технология HDRI – что, зачем и почему Версия для печати Новости Hardware Глава 0. Введение Автор: Игорь Сиваков 13.02.2004 00:05: Глава 1. LDRI Новости Software Глава 2. Модель зрения человека Глава 3. Сопоставление Глава 4. Определение HDRI Статьи Hardware Глава 5. Источники данных HDRI Глава 6. Области применения HDRI Глава 7. Программы для работы с HDRI Процессоры Глава 8. Практическое использование на примере 3ds max Глава 9. Заключение Системы охлаждения Материнские платы Глава 0. Введение Видеокарты Начать наш разговор о HDRI хочу с того, что приведу один из самых эффектных и красивых примеров практического применения этой технологии – для реалистичного ("как в жизни") освещения синтетических изображений, созданных в компьютерных программах трехмерного моделирования и Жесткие диски анимации:

Приводы CD/DVD Звуковые карты Цифровое фото Модемы Ноутбуки Устройства ввода Мониторы Принтеры Сканеры Корпуса и блоки питания Технологии Мультимедиа Проблема выбора Итоги и прогнозы Другие материалы Статьи Software Гостевая книга Конференция Новости Ф-Центра 19.09 «Ф-Центр» подтвердил статус «Авторизованного дилера» по продажам продукции EPSON...

17.09 Добавь звука с Creative!...

14.09 Уезжай с ViewSonic!...

06.09 Новый уровень поддержки от корпорации Intel...

29.08 Edifier купил - телефон оплатил!...

Текущие акции 17.09 Technonews в подарок!...

Пресс-центр 18.07 Программа «Инициатива-2007» в действии: компания «Ф-Центр» развивает сеть региональных сервисных центров...

Пресса о нас 14.09 PC MAGAZINE/RE 8/2007...

Новости Hardware 15:55 Fujifilm передаёт производство цифровых фотокамер в Китай...

14:47 Настольный док для SATA "винчестеров"...

13:44 Thermaltake Soprano – клавиатура с Впечатляет, не правда ли? Однако, освещение – это далеко не все, что может HDRI.

"радиатором"...

Технология High Dynamic Range Image (HDRI) претендует на смену стандартов описания изображений для отображения и вывода на 12:24 Transmeta вновь получает денежную 16:09 Платы на RV670 - в октябре?...

19:45 MySQL 6.0.2 Alpha...

19:00 FileZilla Client версии 3.0.1...

18:42 Без Интернет - жизни нет...

18:18 Игры от EA - для Mac... формирующего изображение, реальными физическими величинами. Чтобы понять смысл и последствия этого принципа, необходимо вспомнить модель 17:43 Полугодовой отчёт по безопасности от описания изображений, принятую в настоящее время.

21.09 Обзор трех мобильных накопителей 20.09 Производительность и броский экстерьер:

Toshiba Satellite P100-437... принципе, довольно произвольно и появилось в результате компромисса между производительностью графической подсистемы компьютера, 18.09 Цифровые фоторамки Mustek требованием фотореалистичности изображений и двоичной природой компьютерных вычислений. В частности, в результате исследований было 14.09 NVIDIA Quadro FX 5600 и NVIDIA Quadro FX 4600: новые лидеры в цвет с максимальной интенсивностью трех основных цветов. Очевидно, что произвольный цвет в RGB описывается триадой целых чисел, профессиональной графике... использование вещественных чисел (чисел с плавающей запятой – например, 1.6 или 25.4) в рамках этой модели недопустимо, а сами числа Статьи Software являются "фиктивными", то есть, не имеют ничего общего с реальными физическими величинами освещенности. Еще одно интересное свойство 13.09 "Трансформеры"...

31.08 Подробная информация о системе. Обзор 29.08 Ghost Recon Advanced Warfighter 2. Первые впечатления... чувствительности к градациям яркости) составляет 0,47 cd/m^2, если выкрутить регулировку яркости монитора на максимум и около 0,4 cd/m^2, если 19.08 Campus. Сага о студенчестве... регулировка яркости установлена на 70-80% яркости.

Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ – палочками и колбочками. Палочки регистрируют изменение интенсивности освещения и практически нечувствительны к цвету – это так называемое ахроматическое или "ночное" зрение. Палочки активны при малых интенсивностях цвета в диапазоне от 10^-6 до 10 cd/m^2, получившим название в литературе scotopic. Колбочки отвечают за чувствительность к цвету и очень слабо реагируют на изменение его интенсивности – это хроматическое, или цветное зрение, которое активно в диапазоне интенсивности освещения в пределах от 10^-2 до 10^8 cd/m^2. Этот интервал интенсивностей получил название photopic. И наконец, область, в которой активны оба типа рецепторов, а зрение одинаково хорошо фиксирует и цвет и его интенсивность, лежит в пределах от 0.01 до 10 cd/m^2 и называется mesopic. Таким образом, для человека цвет практически неразличим при темном освещении (помните – "ночью все кошки серы"?), а при ярком свете мы очень плохо различаем его интенсивность – это основная причина того, что мы не можем видеть звезды днем. Следует добавить, что зрение в области mesopic еще очень мало исследовано.

Еще одно важное свойство зрения – порог чувствительности, или минимальное изменение интенсивности освещения различаемое глазом (разрешающая способность по яркости). Величина порога чувствительности зависит от интенсивности света и возрастает с ее увеличением. В пределах от до 0.01 до 100 cd/m^2 отношение интенсивности к величине порога есть величина постоянная (закон Вебера), равная 0.02. То есть, для интенсивности света в 1 cd/m^2 порог чувствительности составляет 0.02 cd/m^2, для 10 – 0.2 cd/m^2, для 50 – 1 cd/m^2 и для 100 – 2 cd/m^2.

Для остальной части диапазона интенсивностей это, вообще говоря, не так и зависимость описывается более сложным законом.

Очевидно, что динамического диапазона монитора (и модели описания RGB) совершенно недостаточно для представления изображений реального мира или, по крайней мере, той его части, которая доступна зрению человека. Типичное следствие этого – обрезание интенсивностей в верхней или нижней части диапазона. В качестве примера можно привести отображение интерьера комнаты с открытым на улицу окном в яркий солнечный день. Монитор корректно отображает либо только комнату, либо только часть улицы, видимую через окно.

Низкое значение порога насыщения монитора приводит к тому, что все яркости, большие 100 cd/m^2, просто обрезаются. Это основная причина того, что программы компьютерной графики сталкиваются с большими трудностями при расчете свечения таких источников, как солнце, или свет прожектора, направленный прямо в объектив камеры. Кроме того, это приводит к серьезному уменьшению доступной цветовой гаммы (цветового охвата монитора), и как следствие – к цветовому искажению, что особенно губительно, учитывая высокую чувствительность зрения именно к цвету в верхнем диапазоне интенсивностей освещения. Обрезание диапазона может происходить и по нижней границе – когда все оттенки темнее некоторой заданной величины отбрасываются. Очевидно, это ведет к деградации изображения в темных тонах. Наконец, если не выполнять обрезание по верхней или нижней границе, а попытаться просто "втиснуть" все 10 000 градаций интенсивности изображения в 256 оттенков модели RGB (при помощи некоей процедуры сжатия тонов) – результат, скорее всего, также будет плачевным.

Порог яркости монитора с учетом гамма-коррекции постоянен в пределах его динамического диапазона и составляет 100/256=0.4 cd/m^ (приблизительно). Порог чувствительности зрения человека в диапазоне 1-100 cd/m^2 колеблется в пределах от 0.02 до 2 cd/m^2. Таким образом, для интенсивности свечения вплоть до 20 cd/m^2 (0 - 50 в модели RGB) порог яркости монитора недостаточен (меньше) порога чувствительности зрения. Это приводит к потере деталей при отображении темных областей изображения и губительно в отношении тонких тоновых переходов малой интенсивности. Начиная с уровня светимости в 40 cd/m^2 и выше (100 в RGB), разрешение монитора по яркости становится излишним по отношению к зрению человека, т.е. вдвое превышает его порог для этой интенсивности (все те же 0,4 против теперь уже 0,8 cd/m^2). А это может приводить к тому, что в модели RGB будут присутствовать оттенки, неразличимые зрением при представлении изображения на мониторе. Таким образом, 256 уровней интенсивности модели RGB также далеко недостаточно.

Практически, монитор и модель RGB могут корректно представлять только изображения с динамическим диапазоном от 20 до 40 cd/m^2, что это по И наконец, использование фиктивных целочисленных значений интенсивности цветовых каналов в модели RGB не позволяет использовать их в расчетах динамики освещенности на основе корректной физической модели, например, методами GI – ray tracing, radiosity или photon mapping.

Что касается компьютерного монитора, то здесь, пожалуй, сделать ничего нельзя. Увеличивать диапазон за счет увеличения яркости?

Представляете себе монитор с яркостью солнца? Бр-р-р! Понизить нижний порог яркости? Тогда придется работать в абсолютно темной комнате и "белое не одевать", дабы не отсвечивать. Так что, монитор лучше пока оставить в покое, по крайней мере, до появления принципиально новых технологий отображения (хотя некоторым так не кажется – например, существуют разработки, существенно увеличивающие яркость монитора).

Но если с монитором мы еще ничего сделать не можем, то отказаться от модели RGB мы уже можем, притом – вполне безболезненно. Давайте описывать изображение реальными физическими величинами интенсивности и цвета освещенности, а монитор пусть показывает что сможет, все равно – хуже чем есть, не будет :). Это и есть суть представления HDRI – для точек, образующих изображение, указывается интенсивность и цвет в реальных физических величинах или велчинах, линейно им пропорциональных. Другими словами, если реальные интенсивности в двух точках изображения отличаются по величине в два раза, то и фиктивные величины, им соответствующие, также должны отличаться в два раза.

Естественно, реальные (и фиктивные) значения освещенности указываются уже не целыми, а вещественными числами и обойтись 8 битами на канал не удастся. Такой подход разом снимает все ограничения модели RGB – т.е. динамический диапазон изображения теоретически вообще никак неограничен, полностью снимается вопрос о дискретности и количестве градаций яркости, решается проблема недостаточного цветового охвата.

Можно утверждать, что появление HDRI впервые позволило разделить и сделать независимым друг от друга описание, как числовое представление информации об изображении в рамках модели HDRI, и отображение этого описания на том или ином техническом устройстве вывода, например – на компьютерном мониторе, струйном принтере или фотонаборном аппарате. Таким образом, представление и отображение этого представления стали двумя самостоятельными процессами, а само HDRI-описание аппаратно независимым. Именно это и позволяет модели HDRI претендовать в качестве кандидата на новый стандарт описания. Любое конкретное изображение в формате HDRI, в силу полноты описания формата, будет сохранять свою актуальность и через, скажем, 50 или 100 лет, когда средства отображения сильно эволюционируют. То есть, вполне может быть, что через 50 лет человечество будет смотреть в совсем другие мониторы, но на те же HDR изображения. Простота практической реализация получения HDR изображений (об этом чуть позже) позволяет, например, создавать архивные цифровые копии произведений изобразительного искусства, причем файл будет содержать об оригинале всю информацию, без потерь, по крайней мере, в видимой части спектра.

Впрочем, аппаратная независимость может дать и другую, вполне конкретную выгоду – упростить процесс управления цветом и гамма - коррекции при переносе изображений между различными устройствами. Кроме того, многие манипуляции с изображением, например – "размытие в движении" (motion blur) или цветокоррекцию лучше выполнять именно в HDR-представлении, поскольку они дают правильные результаты.

Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ В левой колонке представлены обычные (LDRI) изображения в RGB, в правой – HDRI (точнее, их RGB-образы после tone mapping).

Представлены результаты уменьшения яркости оригинала в 64 раза и увеличения яркости оригинала в 32 раза. Для HDRI сначала выполнялась операция изменения яркости, затем результат преобразовывался в RGB-представление.

Слева-направо: применение фильтра motion blur к обычному изображению, HDRI и реальное размытие, полученное смещением фотокамеры во время экспозиции. Очевидно, применение фильтра к HDRI дает результат, гораздо более близкий к реальности.

По крайней мере в настоящее время отображение HDR изображения на мониторе или его вывод на печать требует преобразование динамического диапазона и цветового охвата HDRI в динамический диапазон и цветовой охват устройства отображения – RGB для мониторов, CMYK для печати, CIE Lab, Kodak CYY и других. Поскольку все эти модели являются LDRI, выполнить такое преобразование без потерь невозможно. Процедура преобразования получила в литературе название tone mapping и в общем случае использует свойства человеческого зрения для минимизации потерь при преобразовании. Поскольку в настоящее время нет математической модели полно и корректно описывающей зрение человека, нет и общего алгоритма tone mapping, всегда дающего качественные результаты. Однако, исследования в этой области ведутся довольно интенсивно и уже имеется целый ряд алгоритмов (или операторов, в терминах tone mapping), дающих неплохие результаты в конкретных ситуациях.

Обзор по состоянию дел в этой области можно прочесть, например, в этой работе. Я далее подробно опишу практическое использование одного из Если использовать аналогии, здесь мы имеем ситуацию, хорошо знакомую фотографам. HDRI выступает в роли фотонегатива (динамический диапазон которого может составлять 1000:1), а его отображение (преобразование в LDRI) является отпечатком негатива на фотобумагу, динамический диапазон которой составляет всего лишь 100:1. То есть фотографы постоянно занимаются "тонемаппингом" и наличие хороших фотографий позволяет надеяться, что этот процесс может давать неплохие результаты.

Вернемся к числовому представлению описания HDRI. Бесконечный динамический диапазон – это хорошо, но компьютер не может оперировать бесконечностью. Поэтому, на практике динамический диапазон ограничивается сверху и снизу. Хорошим приближением для такого ограничения можно считать диапазон зрения человека, т.е от 10^-6 до 10^8. Возникает дилемма. Чем шире динамический диапазон представления, тем лучше. С другой стороны, необходимо экономить ресурсы компьютера, поскольку расширение диапазона приводит к увеличению размера файла описания изображения. Как средство решения этой проблемы были разработаны несколько форматов числового представления HDRI.

В этом формате для числового представления трех основных каналов R, G, B в формате с плавающей запятой отводится по 4 байта на канал, всего 12 байт (96 бит) на каждый пиксел изображения. Из этих 96 бит один бит отводится под знак, 8 бит для показателя экспоненты и 23 бита для представления мантиссы (или семь значащих цифр). Таким образом, формат.pfm обеспечивает динамический диапазон в 76 порядков. Однако, это приводит к четырехкратному увеличению размера файла, по сравнению со стандартным RGB, причем обычные алгоритмы сжатия информации Это формат разработан Pixar для целей кинопроизводства и использует log-кодирование значений RGB. Позволяет описать цвет пиксела битами. Эта кодировка покрывает малый динамический диапазон приблизительно в 3.5 порядка величины, чего вполне достаточно для кинопленки, Идея этого формата предложена Greg Ward и заключается в выделении общей экспоненты для трех основных цветов. Мантисса каждого из трех основных цветов описывается 1 байтом, еще один байт – для записи показателя экспоненты, а всего на описание одного пиксела изображения потребуется 4 байта или 32 бита. Размер HDRI файла в такой кодировке всего лишь на треть больше по сравнению с обычным RGB и равен размеру файла в CMYK-представлении. Алгоритм кодирования следующий. Вещественные числа, описывающие реальные значения основных цветов R, G, B представляются в виде произведения некоторого множителя на степени двойки. Обязательное требование – такой множитель для цвета с наибольшим вкладом должен попадать в пределы от 0.5 до 1 (нормализация). Далее, множители кодируются двоичным представлением и записываются в байты мантисс цветов, а степенной показатель – в байт общей экспоненты.

Число 128 вводится для кодирования отрицательных степеней экспоненты, поскольку место для представления знака не предусмотрено. Таким образом, значение n' от 1 до 127 соответствуют отрицательным степеням, 128-256 – положительным.

Таким образом, с динамическим диапазоном представления в формате Radiance все хорошо – он составляет 76 порядков (от 10^-38 до 10^38). А вот мантисса представления ограничена всего тремя значащими цифрами. Кроме того, ее нормализация может приводить к обнулению значений основных цветов, чей вклад невелик. Впрочем, это оказывается несущественным, поскольку в этом случае основной цвет с наибольшим значением и будет определять общий цвет с погрешностью, нечувствительной для зрения. Относительная ошибка представления составляет не более 1%, а еще одним достоинством формата Radiance является возможность его сжатия.

Фактически формат Radiance RGBE (.pic,.hdr) в настоящее время стал стандартом кодировки "де-факто". Например, большая часть коммерческих библиотек HDRI и общедоступных библиотек в Интернет составлена из изображений в этом формате. Шестая версия 3ds max, как и многие другие программы компьютерной графики, также использует формат Radiance в качестве основного для представления HDRI.

Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ Наиболее новый и прогрессивный из перечисленных форматов HDRI, разработан в SGI все тем же Грегом Вардом (Greg Ward) и реализован в виде расширений стандартной библиотеки TIFF. За этим стандартом будущее, так например поддержка просмотра LogLuv TIFF реализована даже в ACDSee. Использует для описания 32 бита на пиксел и основывается на модели восприятия цвета человеком (модели CIE XYZ). LogLuv использует кодирование интенсивности цвета (16 бит) и описание его хроматической (цветной) составляющей в виде координат цветового пространства CIE (u', v') – модифицированного CIE XYZ, по 8 бит на координату. Динамический диапазон представления охватывает 38 порядков величины (более точно: min=5.44*10^-20, max=1.84*10^19), а цветовой охват – весь видимый человеком спектр. Относительная погрешность представления не Существует более старый вариант этой кодировки, использующей 24 бита – 10 для интенсивности и по 7 на хроматические координаты. За экономию места приходится платить усложнением алгоритма кодирования и сужением динамического диапазон всего до пяти порядков величины.

Еще один новый формат, разработан ILM (Industrial Light and Magic). Также использует логарифмическое кодирование интенсивности цвета (L) и его хроматической составляющей (u, v). Имеет две разновидности, 32- битную и 16-битную. Последняя интересна тем, что представляет значения цветов в формате half, разработанном nVidia для языка CgFX и аппаратно поддерживается графическими видеокарт серии FX – как GeForce FX, так и Quadro FX. Таким образом, представление HDRI в этом формате делает возможным их использование в аппаратных шейдерах. В 16-битном описании OpenEXR один бит отводится под знак показателя экспоненты, пять битов для значения показателя экспоненты и десять бит для представления мантисс хроматических координат цвета (u, v) по пять бит на координату. Динамический диапазон представления составляет девять порядков величины – от 6.14*10^-5 до 6.41*10^4. Для OpenEXR разработаны алгоритмы сжатия, лучшие из которых позволяют достичь степени Каким образом можно получить изображения высокого динамического диапазона?

Одним из источников являются программы компьютерной графики, и прежде всего, рендер-программы пакетов трехмерного моделирования, использующие алгоритмы расчетов на основе корректных физических моделей динамики света, например mental ray.

Другим, гораздо более очевидным и естественным источником является окружающий нас реальный мир. Удивительно, но факт – для получения HDRI в этом случае вполне достаточно обычного фотоаппарата. Теоретические основы процесса получения HDRI из обычных фотографий рассмотрены в статье Пола Дебевека еще в 1997 году и основываются на принципе reciprocity (взаимности) для регистрирующего устройства, согласно которому увеличение времени экспозиции для меньших освещенностей дает то же значение экспозиции, что и большее освещение при соответственно уменьшенном времени экспозиции. То есть, E*t=(E/k)*(k*t). Можно сказать и так: устройство с ограниченным динамическим диапазоном может зарегистрировать сколь угодно малую или большую величину освещенности, если соответствующим образом увеличить или уменьшить время С практической точки зрения суть этого метода состоит в получении серии фотографий с различными временами экспозиции для захвата освещенности из всего динамического диапазона реальной сцены. Далее строится функция отклика регистрирующего устройства (в нашем случае – фотоаппарата), описывающая его нелинейность. Такая функция отклика получила еще одно название – характеристическая кривая устройства. И наконец, различные значения освещенности, измеренные по серии фотографий, с учетом характеристической кривой восстанавливаются к истинным значениям реальной освещенности и комбинируются в одно HDR изображение. Математические расчеты могут быть выполнены при помощи бесплатной для некоммерческого использования программы HDRShop, разработанной Полом Дебевеком.

Характеристическая кривая описывает нелинейность регистрирующего устройства, его нижний порог чувствительности и порог насыщения. В самом общем случае величина освещенности или экспозиции (для фотоаппарата X=E*t, где X – величина экспозиции, E – энергия реального светового потока, t – время экспозиции), поступающая на регистрирующее устройство из внешнего мира и соответствующее измеренное устройством значение этой величины F(X) связаны нелинейно. Другими словами, если в реальном мире освещенность двух каких-либо объектов отличается в два раза, то на фотографии освещенность этих объектов будет отличаться не в два, а скажем, в 1.8 раз. Основная причина этого заключается в ограниченном динамическом диапазоне чувствительности самого устройства, а также – в физических, химических или иных особенностях протекающих в устройстве регистрирующих процессов. Например, накапливаемый на светочувствительных элементах (CCD) цифровых камер и фотоаппаратов заряд пропорционален величине падающего света, однако, в этих устройствах используются различные нелинейные преобразования полученных данных Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ Диаграмма false-color, показывающая относительные значения освещенности в черно – белой (grayscale) версии HDR изображения, полученного при помощи обычного LDR фотоаппарата. Различие в интенсивностях составляет 250 000:1.

Хотя описанный способ рассчитывает освещенность пикселов изображения в относительных единицах, с его помощью вполне возможно восстановить и реальные радиометрические значения освещенности и даже выполнить калибровку характеристической кривой по калибровочным Описанная технология также нашла свое воплощение и в программно-аппаратных комплексах класса high-end. В качестве примера можно привести Эта камера с линзой типа fish eye позволяет получать сферические панорамные HDRI (180х360 градусов) с разрешением вплоть до 5 000 х пикселов (к слову сказать, одно такое изображение в формате.pfm займет около 780 Мб). Замечательной особенностью комплекса является динамический диапазон камеры, составляющий 10^7:1, что обеспечивает изменение времен экспозиции в пределах 26 f-stops (2^26) и полностью автоматический режим работы – достаточно развернуть комплекс в нужном месте и запустить систему, она сама выполнит съемку с указанным шагом поворотного механизма и экспозиции. Фирменное программное обеспечение, опять же, в автоматическом режиме рассчитает HDRI (за 1 - 30 минут, в зависимости от освещенности) из серии сделанных камерой снимков и выведет результат на экран laptop'a, входящего в состав системы. Никакой возни с установкой экспозиции вручную и характеристической кривой. Стоит это удовольствие соответственно, но и результат на уровне.

Автомобиль – компьютерная модель, задний план – обычная фотография высокого качества, освещение, отражение и цвет – HDRI, полученные с 1. Реальные значения освещенности, полный цветовой охват и весь динамический диапазон, доступные зрению человека в сочетании с относительной простотой технологии получения HDR изображений делают их уникальным средством для длительного сохранения без потерь любой визуально ценной информации. Например, фотографий произведений искусства.

2. Аппаратная независимость. Описание информации об изображении в реальных значениях освещенности означает аппаратную независимость формата HDRI. Так например, цветокоррекция в RGB меняет сами значения интенсивностей каналов в зависимости от гамма-характеристики и цветового охвата монитора, на котором выполнялась цветокоррекция, и сохраняет эти изменения в исходном файле. При переносе на другой монитор, с другими индивидуальными характеристиками, это же изображение будет выглядеть совсем иначе. Другой пример – преобразование между разными цветовыми моделями, например, между RGB и CMYK, которое принципиально не может быть выполнено без потерь в силу различий цветовых охватов. Можете себе представить, что останется от исходного изображения после нескольких преобразований. HDRI позволяет Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ реализовать принципиально иной подход – файл содержит полную и потому не нуждающуюся в изменении информацию об изображении. А задача аппаратного устройства заключается в том, чтобы взять максимум того, что оно может взять из такого описания. Таким образом, перенос изображения для отображения или вывода на самых разных устройствах не требует изменения информации об изображении, а только регулирования возможностей 3. Графическая обработка изображений. HDRI предоставляет беспрецедентные возможности по цветокоррекции. То есть, широкий динамический диапазон, сравнимый с диапазоном человеческого зрения, и полный цветовой охват дают в руки художника ВСЕ возможности цветокоррекции. Кроме того, обычные графические манипуляции общего характера над изображениями широкого диапазона, такие как применение различных фильтров (например, размытия, edge detection, и других), дают более корректные результаты, нежели над их LDRI-аналогами. Я не хочу сказать, что Photoshop'у пора на покой. Нет, но если редакторы подобного рода останутся в прежнем виде, они неизбежно превратятся только в средство доводки LDRI - представлений HDRI. На рынке должны появиться (и уже появились, например – Photogenics HDR или CinePaint) и обрести популярность графические программные инструменты для обработки изображений HDR. Скорее всего, благополучие будущего современных пакетов графического редактирования напрямую будет связано с успешностью их эволюции именно в этом направлении.

4. Применения в области трехмерной компьютерной графики, анимации и спецэффектов для кино обусловлены реальными значениями освещенности пикселей, хранимых HDR изображениями. Панорамные изображения широкого диапазона успешно используются в качестве источника реалистичного окружающего освещения, отражений и преломлений для синтетических компьютерных объектов. Примеры смотрите в начале статьи.

Реалистичность освещения компьютерных объектов позволяет, в свою очередь, естественно и просто встраивать их в "живые" съемки. И эта возможность уже довольно интенсивно и успешно используется в кино для создания спецэффектов и соединения компьютерной анимации и кино.

Пример "синтетической" сцены. Задний план и освещение заданы растровым HDR изображением реально существующего места. Ближний план и автомобиль – компьютерные объекты. Расчет сцены выполнен методом "дифференциального рендеринга", разработанным Полом Дебевеком и описанным в его работе "Rendering Synthetic Objects into Real Scenes: Bridging Traditional and Image-based Graphics with Global Illumination and 5. Я уже говорил о возможностях сохранения всей визуально ценной информации в HDRI, "без купюр". Здесь же хочу обратить внимание на одно из специфических применений этой возможности. Речь идет о сохранении данных освещенности трехмерных компьютерных сцен, рассчитанных рендер-программами с применением методов GI (глобальной освещенности). В силу того, что эти алгоритмы используют физически корректные модели для расчетов, их результаты лежат далеко за пределами возможностей LDRI – это как правило нецелочисленные значения широкого диапазона. Тем не менее, общепринятая в современных пакетах трехмерного моделирования практика – ни о чем не спрашивая и никак не информируя пользователя о последствиях отображать рассчитанную освещенность на обычном мониторе или сохранять данные в LDR-файлах, например –.tif или.jpg, что совершенно неправильно, поскольку большая часть рассчитанной информации попросту теряется. Типичный пример – рендеринг во фрейм-буфер, используемый в 3ds max. Правильно – сохранять результаты рассчитанной освещенности в HDR формате, применять к ним операторы tone mapping для создания LDR-образов, которые и нужно отображать на мониторе. Таким образом, HDRI можно использовать как средство против "произвола по умолчанию" современных 3D пакетов, позволяя рендерам действительно сохранять все то, что они насчитали.

6. Поскольку HDRI может сохранять радиометрические и фотометрические значения освещенности, рассчитанные рендерами, эти данные можно сравнивать с реально измеренными данными, например для отладки и совершенствования алгоритма рендеров, для проектирования освещения в 7. Еще одна интересная область применения – трехмерное моделирование по фотографиям, например с помощью генераторов ландшафтов, использующих растровые карты высот рельефа. Использование HDRI в этом случае позволяет достичь гораздо большей детализации рельефа по HDRShop – программа для обработки и манипуляций с HDR изображениями, разработана Полом Дебевеком и бесплатна для некоммерческого использования. Основное назначение – создание HDRI из последовательности LDR фотографий с различной экспозицией. Имеет средства для расчета характеристической кривой аппаратуры, композиции и монтажа HDRI из LDRI, функции преобразования типов панорамных изображений, форматов изображений (HDRI и LDRI) и набор графических фильтров. HDRShop содержит руководства, достаточно полно описывающие работу с Возможности программы могут быть расширены посредством механизма плагинов, об одном из них – для tone mapping, я расскажу ниже.

Idruna Photogenics HDR – очень близкий родственник Adobe Photoshop, позволяет редактировать графические изображения, рисовать различными инструментами, применять фильтры, выполнять цветокоррекцию и т. д. В отличие от Photoshop, не ограничивается работой только с обычными (LDR) изображениями, позволяя редактировать и HDRI. Математически реализовано это как обработка чисел с плавающей запятой, бита на канал, 96 бит на пиксел. Однако, если редактирование в Photoshop жестко основывается на отображении результатов на экране монитора, редактирование HDRI в Photogenics не имеет такой обратной связи. Таким образом, хотя редактирование HDRI в Photogenics заключается в преобразовании и сохранении истинных цветовых значений пикселов, отображение результатов редактирования на экране ограничено возможностями монитора и цветовым пробником (color picker) программы. Photogenics не использует никаких алгоритмов преобразования диапазона HDRI в Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ диапазон монитора (tone mapping), например с целью предварительного просмотра конечного результата, за исключением указания гамма коэффициента, значения экспозиции и возможности загрузки пользовательских LUT (Look Up Tables – таблиц соответствия цветов для отображения фотослайдов на калиброванном мониторе). Это, пожалуй, самый серьезный недостаток Photogenics. В остальном, программа совершенно замечательна и не только в плане работы с HDRI, но и в оригинальности реализованных концепций рисования. В арсенале программы есть совершенно уникальные инструменты рисования светом, огнем и неоном. Реализована концепция неразрушающего редактирования – все изменения изображения трактуются как отдельный слой и накладываются сверху на исходное изображение. Имеется возможность преобразования между HDR и LDR типами изображений с настройкой цветов, гаммы, экспозиции и других параметров, а также – создания HDR изображения из имеющейся последовательности обычных изображений разной экспозиции.

Photogenics HDR поддерживает работу с файлами форматов Kodak Cineon/DPX (10 бит на канал), mental ray.ct и.map (8, 24, 32, 96, бит), Radiance RGBE,.tif (8/16bit/float/Pixar/LogL и LogLUV), Alias|WaveFront.IFF (96 и 128 бит). Photogenics HDR (Windows, Linux) является коммерческой программой и бесплатно не распространяется, но на сайте разработчиков можно найти полнофункциональную 30-дневную Еще один open-source редактор общего назначения, поддерживающий работу с HDRI на различных операционных системах – Windows, Macintosh OS X (X11), Linux, IRIX, DEC/Compaq Alpha, FreeBSD, NetBSD, Solaris, Intel IA64, IBM S/390, HP-UX. CinePaint предназначен для ручного редактирования отдельных кинокадров и их небольших последовательностей. Успел поучаствовать в таких кинопроектах, как Scooby-Doo, Harry Potter, Cats & Dogs, Dr. Dolittle 2, Little Nicky, Grinch, Sixth Day, Stuart Little, Planet of the Apes. Фактически – полный аналог Photoshop, с немножко непривычным интерфейсом, наличием frame manager для просмотра и редактирования последовательности кинокадров, и поддержкой Все же, это скорее инструмент обработки отсканированной фотопленки (с динамически диапазоном не более 10000:1), чем инструмент для работы с HDRI – пока поддерживает только 16-битную обработку, поддержка 32 битов (96 бит на пиксел) планируется в будущих версиях. Работает с такими HDRI форматами, как Cineon, OpenEXR, TIFF, алгоритмов tone mapping не использует.

Программа предназначена для преобразования диапазона яркостей HDRI к диапазону яркостей, отображаемых монитором (tonemapping). Одна из наиболее новых и перспективных разработок в этой области, позволяющая получить хорошие результаты для самого широкого круга изображений, автор – Erik Reinhard. В основе алгоритма оператора tonemap – хорошо известная фотографам техника под названием Zone system, используемая при печати изображений с негатива на фотобумагу. Применение оператора tonemap основывается на введении пользователем параметров, значение которых определяется исходя из индивидуальных особенностей конкретного изображения.

Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ Оператор разделяет все яркости изображения на три области – темную, область средней освещенности (средних тонов) и яркую. Основываясь на визуальной оценке яркости средних тонов изображения, устанавливается параметр key: 0.18 для нормально освещенных (значение по умолчанию), бОльшие значения – для слишком темных изображений (авторы рекомендуют 0.36, 0.72…), мЕньшие значения – для излишне светлых изображений (0.09, 0.045…). Этот параметр корректирует общую освещенность – осветляет темные изображения и затемняет светлые.

Темные тона изображения оператор оставляет практически в неизменном виде, а вот светлые – сжимает к диапазону монитора. Для этого используется параметр white (значение по умолчанию – 1e20, чего вполне достаточно в большинстве случаев), уменьшение этого параметра может привести не к сжатию, а к отсечению ярких светов в изображении. Кроме глобальных изменений всего изображения, оператор tonemap действует как локальный оператор dodge/burn изменяя контрастность каждого пиксела в зависимости от его окружения. Этим процессом управляют два параметра – treshold и phi. Уменьшение treshold и увеличение phi приводит к повышению контраста. Параметры low, high и gamma выполняют служебную роль Ниже приведены результаты применения tonemapping к HDR изображению и для сравнения – изображение, полученное из того же источника при Изображение получено простым сохранением панорамного HDR изображения в один из LDR форматов (.jpg в данном случае) в программе Изображение получено при помощи стандартных средств программы Photogenics HDR – подбора значения экспозиции и гаммы монитора. Я стремился получить максимум деталей в изображении. Так, детали присутствуют в яркой области за окном, но изображение внутри комнаты получилось Изображение получено при помощи оператора tonemap, key=1.08, white=1e100, treshold=0.005, phi=32.

Среди других программ, полезных в работе c HDRI стоит упомянуть о mkhdri.exe – программе командной строки, рассчитывающей HDR изображение из последовательности LDR фотографий разной экспозиции и о HDRView.exe – программе - просмотрщике HDRI.

В 3ds max технология HDRI может применяться для решения двух основных задач – для освещения трехмерных сцен и для определения свойств отражения/преломления материалов трехмерных поверхностей. Рендеринг (расчет освещенности) может быть выполнен как стандартными средствами Для освещения трехмерной сцены необходимо во всех случаях создавать стандартный источник света 3ds max типа Skylight:

Skylight представляет собой полусферу, накрывающую сцену сверху. Координаты этого источника света значения не имеют – max считает, что Skylight всегда находится сверху и целиком накрывает всю сцену. Для задания освещения от растровой карты нажимаем кнопку None группы параметров Sky color и в открывшемся окне Material/Map Browser выбираем bitmap, затем тип карты – Radiance Image File (HDRI) или HDR Image и нужный файл. Шестая версия max обладает встроенной поддержкой формата HDRI, для более ранних версий можно воспользоваться Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ HDR изображение нуждается в дополнительной настройке, которая выполняется при помощи кнопки Setup диалога выбора файла.

Здесь настраивается используемый динамический диапазон изображения (White Point Linear) – ползунок перемещается до тех пор, пока в изображении не будет обрезанных (clamped) областей, отмеченных цветом Mark White clamp и Mark Black clam. Линейное значение точки белого (на данном скриншоте 29.717) следует запомнить. Нажимаем Ok и все что осталось сделать – в свитке Coordinates>Environ Mapping выставить Spherical Environment, в свитке Bitmap Parameters>Filtering>None и в свитке Output>RGB Level установить запомненное значение White Point Для определения свойств преломления и отражения материалов можно использовать два способа. Первый, глобальный, заключается в задании Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ HDR изображения в качестве карты окружения (Rendering>Environment> Environment Map) и назначении карт типа Raytrace в слотах Maps свойств материала Reflection и Refraction. Второй способ, локальный, состоит в указании конкретных растровых HDR изображений в качестве карт отражения/преломления для каждого материала по отдельности. Настройка параметров HDRI в обоих случаях аналогична описанной в установке света. Везде использовались панорамные (Latitude/Longitude) HDR изображения, для освещения размер изображений может быть небольшим, а для окружения желательно использовать изображения высокого разрешения.

Для рендера стандартными средствами 3ds max разработчики рекомендуют использовать Light Tracer (Rendring>Advanced Lightning>Light Tracer) или mental ray. В последнем случае расчет освещенности должен выполняться обязательно с использованием Global Illumination и Final Gather. Эта же схема – Skylight/Environment/настройка свойств материалов используется и при расчете другими рендерами, например VRay, finalrender и brasil r/s, хотя и с некоторыми особенностями, специфичными в отношении настроек самих рендеров. Например, VRay имеет собственные средства определения Skylight и Environment, а также свои карты материалов, а finalRender имеет свой вариант поддержки HDRI – карта типа HDRI Bitmap, позволяющая дополнительно настраивать экспозицию и размытие изображения.

Расчет освещенности сканлайн рендером max с освещением в 2 omni и LDRI в качестве свойств отражения материала.

Освещение – Skylight с назначенным HDRI в качестве карты освещения и Environment, свойства отражения материалов Reflection определяются картой типа Raytrace. Расчет выполнен рендером Light Tracer 3ds max. Время расчета составило около 1 часа 45 минут на Pentium III-600.

Технология HDRI – что, зачем и почему | Видеокарты... http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/ Та же сцена, mental ray, для освещения и Environment выбрана другое HDR изображение.

Шестая версия max позволяет также сохранять рассчитанное рендер - изображение в формате HDRI.

Эта возможность может быть использована для tone mapping изображений, что особенно полезно при наличии "засветок" в рендере.

Подводим итоги. Технология HDRI уже прочно вошла в нашу жизнь и принесла несомненные выгоды от ее использования в области компьютерной графики (некоторые из трехмерщиков даже называют это "святым Граалем" освещения) и незаменимы в киноэффектах. Не последнюю роль сыграли исследования Пола Дебевека, благодаря которым HDR изображения стали общедоступными по причине простоты их получения. Более широкое распространение HDRI, несмотря на очень привлекательные возможности, ограничивается современным уровнем технологий отображения, и прежде всего CRT. Так что в ближайшем будущем, скорее всего мы будем наблюдать сосуществование модели HDRI, без которой мы уже не