عکاسی با گستره دینامیکی بالا HDRI چیست؟
مقدمه
در فناوری Image Processing و یا گرافیک رایانه ها و عکاسی ، تکنیک High Dynamic Range imaging به شگردی اطلاق می شود که به واسطه آن گستره وسیع تری از نورپردازی از روشن ترین صحنه ها(مانند نور خورشید) تا تاریک ترین(سایه) در یک تصویر به نمایش می رسد. این تکنیک برای اولین بار در دهه 1930 و 1940 توسط Charles Wyckoff به کار برده شد. عکس های ظریف و دقیق Wyckoff از انفجار هسته ای بر روی مجله Life magazine در دهه 1940 نمایش داده شدند.
Dynamic Range چیست؟
گستره دینامیکی نسبتی است مابین بیشترین و کمترین مقدار فیزیکی اندازه گیری شده. این تعریف ارتباط به آنچه که به آن اشاره می شود دارد. برای مثال برای یک صحنه این تعریف نسبت مابین روشن ترین و تاریک ترین قسمت های آن صحنه است . برای یک دوربین عکاسی نسبت غلظت(Saturation) به نویز است و یا در سیستم های نمایشگر مانند LCD ها این گستره به بیشترین و کمترین شدت نوری ارسال شده از صفحه نمایشگر اطلاق می شود. اما آنچه که در این مقاله مد نظر است همان تعریف اول یعنی نسبت روشن ترین به تاریک ترین قسمت یک صحنه است.
چشم انسان گستره نور سنجی و دینامیکی بالایی را می تواند مشاهده کند. اگر میزان نورسنجی یک ستاره آسمانی معادل 0.001 cd/m2 باشد (cd=candelas واحد نور سنجی در فیزیک) این میزان برای نور خورشید cd/m2 1,000,000,000 است. یعنی هزار ملیون بار بزرگتر! چشم انسان قابلیت تطبیق گستره دینامیکی 10000:1 را در یک تصویر واحد داراست.
در دنیای واقعی و پیرامون ما صحنه هایی با گستره دینامیکی 50,000:1 وجود دارند. این در حالی است که دوربین های عکاسی و به طور کلی وسایل رسانه ای تنها قابلیت دریافت گستره رنجی با وسعت 300:1 را دارا هستند. به بیان ساده تر این وسایل تنها می توانند از یک تصویر با شدت نوری ای که نسبت آن از 300 به 1 تجاوز نمی کند تصویر برداری کنند و اگر صحنه ای از این مقدار فراتر رود عکاس باید جزئیات تصویر در سایه را فدای جزئیات در روشنایی کند و یا بالعکس. بنابراین شما با مشکل نگاشتن (Mapping) مواجه اید. چگونه قادرید تا مقادیر نوری صحنه تان را با یک ابزاری که تنها گستره محدودی از مقادیر نوری را دریافت می کند نمایش دهید؟
نقاشان قدیمی و اساتیدی چون El Greco در نقاشی ای چون La Agoria en al Jardin در سال 1590 به زیرکی به اهمیت این گستره واقف بوده اند. وی در این نقاشی از رنگ های اشباع شده متضاد استفاده کرده است که به وضوح گستره دینامیکی صحنه را بالا می برد. وی هم چنین با حاشیه گذاری های سفید و سیاه پیرامون کانتورهای سیاه و سفید (مثل حاشیه سفید دور تخته سنگ سیاه) یک کانتراست منطقه ای بالا پدید آورده است که در نهایت منجر به افزایش کانتراست کلی تصویر می شود.
در نقاشی تاریخی دیگری با نام Impression at Sunrise مونه(Monet) از همین شیوه کنتراست استفاده کرده است. در این تصویر خورشید و ابرهای ماورای آن یک میزان روشنایی دارند. اما از آنجا که خورشید به رنگ قرمز اشباع شده در دل ابرهای آبی اشباع شده قرار گرفته است ارتعاش رنگی باعث روشنتر دیده شدن خورشید می شود.
چگونه یک عکس با گستره بالای دینامیکی بگیریم؟
اکنون که مشکل اصلی که همان محدود بودن ادوات تصویر برداری در گستره دینامیکی مشخص شده است چگونه می توانیم یک عکس با گستره دینامیکی فراتر از دستگاه موجودمان بگیریم؟
در حقیقت یک روش کلی برای بالابردن گستره دینامیکی برای یک عکس وجود دارد
ادغام تصاویر با نوردهی های متفاوت(Exposure Blending)
امروزه روش های رایانه ای برای نگاشتن تصاویر با نوردهی های متفاوت بر روی یکدیگر ابداع شده است. برای این منظور کافی است تا سه پایه خود را آماده کنید و آن را در حالتی که بتوان نوردهی آن را به صورت دستی تنظیم کرد قرار دهید. از صحنه ای که دارای گستره دینامیکی بالایی است و دارای نقاط روشن و تاریک با شدت بالاست با Exposure های مختلف عکس بگیرید. به طور مثال از یک منظره گستره بالا یکبار با سرعت شاتر بسیار بالا عکس بگیرید طوری که تنها مناطق بسیار روشن صحنه (مثل آسمان) وضوح تصویری داشته باشند. و یک تصویر با سرعت شاتر بسیار پایین طوری که نقاط تاریک تصویر(سایه ها) با نوردهی بالا واضح دیده شوند و چند عکس با درجه بندی های میانی نوردهی از تصویر فوق بگیرید. حالا وقت آن است تا با یک نرم افزارTone mapping مناسب مانند Photomatix Pro عکس های گرفته شده با نوردهی های متفاوت را بر روی هم نگاشت کنید. البته طرز کار با این نرم افزار را می توانید در این سایت بخوانید(+). در فرآبند Tone mapping گستره تونال یک عکس HDR برای وضوح بخشی به جزییات در سایه و روشنای تصویر کاهش می یابد. عکس ورودی HDR مذکور یا ادغام شده تصاویر با نوردهی های متفاوت است و یا به صورت خودکار از دوربین های مخصوصی که چنین تکنیکی را به صورت نرم افزاری در درون خود دارا هستند بیرون می آید. نمونه ای از این دوربین ها SpheroCam HDR است.
در زیر چند نمونه از عکس هایی که خودم با دوربین عکاسی ام به صورت Tone Map شده تولید کرده ام می بینید.
عکس Tone Map شده از سه تصویر پایین
سه تصویر با نوردهی های متفاوت
نمونه ای دیگر از کاربرد این تکنیک. نقاط تاریک در بام خانه و نقاط روشن آسمان یک دینامیک گسترده ای را فراهم آورده اند که به خوبی در این تصویر گنجانده شده است. اما لزوم ثبات دست و لزوم وجود سه پایه در این تصویر به خوبی مشخص است.(در چند گانگی برگ ها این موضوع هویدا است )
پ.ن : این مطلب را می توان به صورت تخصصی و فنی نگاشت که از حوصله جمع غیر متخصص امر خارج می شود. به هر ترتیب از اینکه به عنوان یک مهندس مکانیک پا در کفش دیگران کردم معذرت می خواهم.
References
