Groot Dynamisch Bereik (HDR)

Figuur 1: Hunnebedden in Drenthe, een foto met een enorm dynamisch bereik
Figuur 1:
Hunnebedden in Drenthe, een foto met een enorm dynamisch bereik

 

Een beetje achtergrondtheorie

Wat is HDR?

Met de komst van digitale fotografie is de term HDR populair geworden. High Dynamic Range, ofwel een groot dynamisch bereik, is echter niet nieuw: het bestaat al enkele decaden. Om een beetje gevoel te krijgen over wat HDR nu precies inhoud, en wat het doel van deze manier van fotograferen is, probeer ik eerst een beetje uitleg te geven over de helderheid van een te fotograferen scène.

Onder het dynamisch bereik (vervolgens afgekort tot DR) verstaan we de hoeveelheid helderheidswaarden tussen het lichtste punt en het donkerste punt van een scène. De helderheidswaarde wordt uitgedrukt in candelas mer vierkante meter (cd/m2). Dit bereik varieert. In normaal daglicht is er een DR van ongeveer 100.000 : 1. Het menselijk oog kan echter maar maximaal 10.000 : 1 registreren en een digitale camera haalt een DR van ongeveer 400 : 1. Bij een monitor of een print is het registreerbare bereik nog kleiner.

scène dynamisch bereik [cd/m2] stops
Tabel 1: overzicht van de waarneembare dynamische bereik
(*) de op internet te vinden gegevens over het dynamisch bereik van het oog variëren tussen de 400 : 1 en 10:000 : 1. De vermelde waarde is het maximale wat door het menselijk oog geregistreerd kan worden
dag, volle zon 100.000 : 1 of meer ± 17 EV
menselijk oog (*) 10:000 : 1 ± 14 EV
film camera tot ~ 2000 : 1 ± 11 EV
digitale camera ~ 400 : 1 ± 8,5 EV
goede PC monitor 500 : 1 tot 1000 : 1 ± 9 - 10 EV
fotoprint 100 : 1 tot 250 : 1 ± 7 - 8 EV

Zoals we uit de tabel kunnen opmaken, zal een camera, monitor of print nooit het volle DR van een scène kunnen vastleggen. In de praktijk betekent dit dat delen van een foto onderbelicht zullen zijn (zwart) of overbelicht (wit).
Het is echter mogelijk om door een paar trukjes uit te halen, een groter DR vast te leggen. Door middel van meerdere opnamen te maken met verschillende belichtingstijden, en die later samen te voegen in een fotobewerkingsprogramma, is het mogelijk om in één foto het DR van het menselijk ook te benaderen (10.000 :1). Dit heet een groot dynamisch bereik, ofwel de afkorting van de Engelse benaming High Dynamic Range: HDR.

HDR versus 16bit en 8bit bestanden

Om de beperkingen van een digitale camera te begrijpen, moeten we een kort moment wat dieper op de bit-diepte van een digitaal bestand induiken, en zien hoeveel informatie er opgeslagen kan worden. Dit is heel oppervlakkig en niet compleet, maar het geeft een idee.
Een echte HDR opname zal altijd (moeten) bestaan uit een opname van 32bit per RGB kanaal. Ongeacht de helderheid van de pixel, zal in dit formaat altijd de luminescentie vastgelegd worden. Dit kan op verschillende manieren, elk met hun eigen voordelen en nadelen..

  8 bit 16 bit 32 bit Randiance RGBE 32 bit Open EXR
Tabel 2: dynamisch bereik [DR] bij verschillende bitwaarden
Maximaal dynamisch bereik 255 : 1 65.535 : 1 1 x 1076 : 1 107.000.000.000 : 1
Luminiscentie waarden 0, 1, 2, 3... 255 0, 1, 2, 3... 65.535 0,1 x 10-38... 1 x 1038 0, 0,0000012... 65.000

Bij 8bit en 16bit opnamen zijn de hoeveelheid luminiscentiewaarden per kleurkanaal beperkt. Wanneer de waarden buiten dit bereik vallen (buiten de grenzen van het histogram) zullen ze geclipped worden. Bovendien zullen binnen het bereik de decimale luminiscentiewaarden afgerond worden naar hele luminiscentiewaarden, waardoor ook daar verlies zal optreden.
Bij 32bit lopen we niet tegen deze grenzen aan, omdat het DR (en daarmee de hoeveelheid luminiscentiewaarden) zo groot is, en er kunnen bovendien decimale waarden opgeslagen worden.
Het mag duidelijk zijn dat 32bit noodzakelijk is voor echte HDR opnamen.

HDR in de praktijk

Dit is de theorie. De praktijk is natuurlijk weer anders.
Een RAW bestand uit een digitale camera bevat vrijwel altijd 12bit aan informatie (ik negeer de nieuwe generatie sensoren die 14bit bestanden genereren, waarbij het DR iets groter zal zijn). Het DR bij 12bit zal niet hoger komen dan 4095 :1. Zelfs als er (later) een 16bit TIFF bestand van wordt gemaakt, zal het DR nooit hoger worden.
Sterker nog, omdat de luminiscentie maar een deel van de informatie in een 12bit bestand kan bevatten, zal het bereik in de praktijk niet veel hoger komen dan ongeveer 400 : 1. Dit komt overeen met een bereik van 8,5 EV. Het verlies van zal zich uitten in zwarte en witte delen in een foto (onder- en overbelichting).

Het menselijk ook kan maximaal ongeveer 10.000 : 1 waarnemen. Dit is gedurende één enkele blik. We kunnen echter een veel groter DR aan, door het oog elke keer opnieuw in te stellen voor elke nieuwe omstandigheid. Dit trukje kunnen we ook met een digitale camera nabootsen, door meerdere opnamen met verschillende instellingen van één enkele scène te maken.
Bijvoorbeeld: door 3 opnamen te maken kan het DR van 8,5 EV opgevoerd worden naar 12,5 EV (van 400 : 1 naar 6000 : 1). Dit is het idee achter het maken van een HDR opnamen: een reeks opnamen voor het vastleggen van de donkerste delen tot de lichtste delen door middel van meerdere opnamen met elk een aangepaste belichtingstijd. Softwarematig kunnen we die foto's samenvoegen tot één enkele HDR opname.

Waarom en wanneer HDR

Figuur 2: Soms is geen HDR nodig: Schotelantennes van Westerbork, recht tegen de zon in
Figuur 2:
Soms is geen HDR nodig.
Schotelantennes van Westerbork, recht tegen de zon in

Voordat er een HDR opname gemaakt gaat worden, is het verstandig om even stil te staan bij de zin en onzin van dit soort digitale trukjes. Wanneer is het zinvol om HDR te gebruiken?
Tot op heden werd HDR gebruikt voor kunstmatische opnametechnieken (3D modellen, DGI en video). In de fotografie leent het zich uitstekend voor architectuur, waar diepe schaduwen en lichte partijen elkaar veel kunnen afwisselen (reflecties en invallen zonlicht door ramen, bijvoorbeeld). Ook in landschappen geeft een groot dynamisch bereik mogelijkheden.

Maar... omdat HDR mogelijk is, wil dat niet zeggen dat het ook altijd noodzakelijk is om ervan gebruik te maken. Bij veel fotografietakken, waaronder landschappen, kan het beperkte DR wenselijk zijn, of zelfs noodzakelijk. Ook vroeger, ten tijden van de analoge fotografie, werd bewust gekozen voor dia-positief film omdat deze een kleiner DR had dan negatief-film. Dit heeft alles te maken met sfeer, dat een belangrijk element in fotografie is of kan zijn. HDR zal niet per definitie een betere opname opleveren.

Wanneer is het maken van HDR opnamen geschikt? Omdat het een serie opnamen verreist, verreist het ook statische objecten. In landschapsfotografie kunnen zelfs door de wind bewogen takken storend worden. Deze beweging zal in het eindresultaat een soort spookverschijnselen produceren (ghosting). Alleen bewegend water zal in de meeste gevallen geen probleem opleveren.
De keuze voor HDR wordt feitelijk bepaald door een scène met een groot DR, waarbij zowel in de lichte delen als in de donkere delen elementen bevinden die een belangrijk element in de foto zijn.

In figuur 2 is een foto van de Westerbork Radiotelescoop gemaakt. Dit is één enkele foto, zonder HDR, wat laat zien dat het in sommige gevallen ook niet nodig hoeft te zijn.

Het maken van een HDR opname

Stabiliteit

Omdat een serie opnamen noodzakelijk zijn, is het van belang dat de camera absoluut niet beweegt tussen de opnamen in. De foto's moeten perfect op elkaar kunnen liggen. Elke beweging tussen de opnamen door, zal de nauwkeurigheid nadelig beïnvloeden. Zelfs met de optie auto-bracketing en continu-opnamen, of het leunen tegen een vast object voor stabiliteit, zal uitgezonderd de snelste sluitertijden, leiden tot opnamen die niet perfect uitgelijnd zijn. Werk daarom met een stevig statief.
Zelfs met een statief moet nog rekening gehouden worden met het drukken op de ontspanknop, wind of trillingen van de beweging van de spiegel. Dit kan deels opgelost worden door gebruik van de mirror-lockup functie, draadontspanner en zelftimer.

Instellingen

Figuur 3: stabiele setup gereed voor een serie opnamen
Figuur 3:
stabiele setup gereed voor een serie opnamen

De instellingen van de camera moeten bij elke opname voor de HDR serie gelijk blijven. De sluitertijd is de enige instelling die verandert mag worden om de belichting aan te passen. Om te voorkomen dat de camera beweegt bij het aanpassen van de sluitertijd, is het aan te raden om de auto-bracketing functie van de camera te gebruiken (onder voorwaarde dat de camera deze functie ondersteunt) met een handmatige belichting (manual).
Werk altijd met RAW bestanden. Dit bestandsformaat behoudt de maximale hoeveelheid informatie (12bit of 14bit). De keuze voor gebruik van JPEG heeft als consequentie dat er maar 8bit informatie opgelagen wordt: een groot deel van de door de sensor geregistreerde luminiscentiewaarden wordt niet opgeslagen.
Omdat er vanaf statief gewerkt wordt, bestaat de mogelijkheid om een lage gevoeligheid (ISO waarde) te kiezen. Werk ook met een vast ingestelde kleurbalans om variaties tussen de opnames te voorkomen. Dit geld ook voor de focusafstand: stel scherp op het gewenste punt, en schakel de lens op handmatig.

Bracketing: een optimale belichtingsserie

Eenvoudig vertrouwen van de belichtingsmeter is onvoldoende om een goede belichtingreeks te fotograferen. De kans dat de meter het werkelijke gemiddelde van de scène meet is klein, met het resultaat dat de reeks opnamen teveel naar een kant neigt: teveel opnamen onderbelicht of teveel overbelicht. Zonder het bestuderen van de scène is het ook moeilijk te bepalen hoeveel opnamen er werkelijk noodzakelijk zijn om het grootst mogelijke dynamische bereik vast te leggen.
Het bepalen van het DR is eenvoudig met de spotmeting van de camera, of een losse belichtingsmeter. Meet het donkerste deel van de scène, het het lichtste deel. Bepaal wat het gemiddelde is, en maak een fotoreeks met de belichtingstijden stapsgewijs van het lichtste naar het donkerste deel (of andersom).

De grootte van de belichtingsstappen mag niet te groot zijn, omdat dan de kans bestaat dat een deel van het DR gemist wordt. Te kleine stappen levert een onnodige hoeveelheid foto's op. Ik heb gemerkt dat belichtingsstappen van 1 EV afdoende werkt.

Bijvoorbeeld; bij ISO 100 en f/8,0 levert het donkerste deel een sluitertijd van 1/15 seconde op. Het lichtste deel levert een sluitertijd van 1/1000 seconde op. Dit zijn in totaal 7 stappen (zie tabel 3). Met een bracketing serie van 7 opnamen krijgen we stappen van 1 EV, waarbij als basis een sluitertijd van 1/125 seconde genomen moet worden om het hele bereik te fotograferen.
Met deze reeks foto's vergroten we dus het DR van een standaard 8,5 EV naar 14,5 EV.

Tabel 3: Voorbeeld van (7) belichtingsstappen voor bracketing bij ISO 100 en f/8,0
sluitertijd [sec] 1/15 1/30 1/60 1/125 1/250 1/500 1/1000
belichting [EV] + 3 EV + 2 EV + 1 EV 0 - 1 EV - 2 EV - 3 EV
Figuur 4: ISO160  f/16 1/10sec (+2EV)
Figuur 4: ISO160 f/16 1/10sec (+2EV)
Figuur 5: ISO160  f/16 1/21sec (+1EV)
Figuur 5: ISO160 f/16 1/21sec (+1EV)
Figuur 6: ISO160  f/16 1/41sec (0EV)
Figuur 6: ISO160 f/16 1/41sec (0EV)
Figuur 7: ISO160  f/16 1/83sec (-1EV)
Figuur 7: ISO160 f/16 1/83sec (-1EV)
Figuur 8: ISO160  f/16 1/166sec (-2EV)
Figuur 8: ISO160 f/16 1/166sec (-2EV)

Afhankelijk van de mogelijkheden van de camera kan het bereik zoals in het voorbeeld geschetst met een of twee bracketing series gemaakt worden, of handmatig waarbij tussen elke opname de sluitertijd gecorrigeerd wordt.

Figuur 9: Extreem tonemapping geeft kunstmatige foto's
Figuur 9:
Extreem tonemapping geeft kunstmatige foto's
(overdreven voorbeeld ter illustratie)

De software

Er zijn verschillende manieren om tot een eindresultaat te komen. Deze methoden hebben allemaal maar één ding gemeen: de foto's moeten worden samengevoegd tot één enkele foto, waarbij er geen overbelichte of onderbelichte delen in de opname zijn. Hiervoor is gespecialiseerde software verkrijgbaar, zoals bijvoorbeeld het programma Photomatix. Ook Photoshop heeft een speciale plugin voor het maken van HDR opnamen. Een alternatieve methode is het gebruik van layers en maskers, welke ik in deze tutorial aan bod wil laten komen. Het is mijn favoriete methode en in de strikte zin des woords geen HDR.
Ik laat kort zien hoe de Merge to HDR functie in Photoshop werkt, puur en alleen om een vergelijk te hebben. Photomatix, dat ik alleen als trail even geprobeerd heb, lijkt eenvoudiger te werken dan de plugin in Photoshop, en op een relatief eenvoudige manier mooiere resultaten te genereren, maar deze sla ik vooralsnog in de tutorial over. Wellicht dat hier in de toekomst nog een aanvulling komt.

Verwerken van de opnamen

Omdat de opnamen allemaal in RAW formaat gemaakt zijn, moeten de opnamen eerst omgezet worden naar bij voorkeur een 16bit TIFF bestand. Dit kan in elk willekeurige RAW converter. Voor de verdere bewerking van de opnamen gebruik ik Abobe Photoshop CS2.

Photoshop bevat een functie voor het automatisch samenvoegen van opnamen tot een 32bit HDR afbeelding. Met behulp van tone-mapping moet deze opname vervolgens omgezet worden naar een bewerkbare 16bit of 8bit opname. Hierbij wordt een deel van het DR opgeofferd, waarbij zelf tot op zekere hoogte bepaald kan worden welk deel behouden wordt en welk deel niet.
Persoonlijk vind ik deze methode niet erg aantrekkelijk. Zoals reeds gezegd gaat mijn voorkeur uit naar het werken met layers en maskers. Om een vergelijk te hebben, volgt hier de Merge to HDR functie van Photoshop CS2 in het kort.

Merge to HDR in Photoshop CS2

De werking van deze functie wijst zich vanzelf. Het samenvoegen van de foto's levert een 32bit HDR opname op, die na omzetting naar 16bit of 8bit verder bewerkt kan worden tot het uiteindelijk eindresultaat. Het omzetten van 32bit naar 16bit (in het volgende voorbeeld) verreist het opofferen van een deel van het DR (zie tabel 2). Dit proces heeft tonemapping.

Figuur 10: Merge to HDR resultaat in CS2
Figuur 10: Merge to HDR resultaat in CS2 - dit is een 32bit afbeelding

Deze tonemapping is niet eenvoudig. Het kan leiden tot de vrij populaire, overgesatureerde foto's zoals het (overdreven) voorbeeld in figuur 9. Een realistische tonemapping blijkt in Photoshop een tijdrovend en uiterst nauwkeurig werk te zijn, waarvoor ikzelf weinig geduld kan opbrengen. Wellicht dat de in HDR gespecialiseerde programma's zoals Photomatix eenvoudiger tot een gewenst resultaat leiden.

Tonemapping van een 32bit HDR opname wordt geactiveerd wanneer de opname omgezet wordt naar 16bit. Het programma geeft vervolgens een aantal opties:

Exposure and Gamma
Highlight compression
Equalize Histogram
Local Adaptation

Figuur 11: Local adaptation HDR conversion in CS2
Figuur 11: Local adaptation HDR conversion in CS2

In figuur 11 is de tonemapping methode weergegeven die gebruikt kan worden voor de meest controleerbare omzetting: Local Adaptation. De curve kan naar wens aangepast worden (wat in de overige opties niet tot de mogelijkheid behoort) waarbij het resultaat real-time gecontroleerd kan worden. In figuur 11 is ook te zien dat het overgesatureerde effect via deze methode direct verkregen kan worden. Dit is echter niet wat ik zoek: ik wil een meer realistische foto. Daarom corrigeer ik de curve op een zodanige manier dat alle luminiscentiewaarden die niet nodig zijn uit de foto gehaald worden, en de rest zodanig aangepast tot de foto naar wens is (figuur 12).

Figuur 12: gecorrigeerd curve in HDR conversion in CS2
Figuur 12: gecorrigeerd curve in HDR conversion in CS2

Zoals te zien in wordt het hele linkerdeel van histogram niet gebruikt (het donkere deel) omdat daar geen luminiscentiewaarden aanwezig zijn. De rest wordt gemanipuleerd tot het gewenste resultaat behaald wordt. Dit is een moeilijk en tijdrovend werk, en het resultaat is op deze manier tot op heden, bij geen enkele foto naar mijn zin geworden. De foto is contrastarm en de kleuren flets en ongeïnspireerd.
Wellicht dat mijn geduld en kennis van het manipuleren van de curve onvoldoende is. Het eindresultaat is daarom niet optimaal, en ik moet toegeven dat ik mij weinig moeite heb getroost om het optimale uit de foto te halen. Maar zoals ik al aangeef, kost dit veel tijd en werk. Daarom geef ik de voorkeur aan de alternatieve methode: het werken met layers en maskers.

Figuur 13: eindresultaat van HDR conversion in CS2, na toepassen van curves
Figuur 13:Mijn eindresultaat van HDR conversion in CS2, na toepassen van curves

Layers en maskers

Deze methode zal uitgebreider aan bod komen, omdat dit de manier is die in mijn ogen mooiere foto's in minder tijd realiseert. Ik ga ervanuit dat er reeds voldoende kennis is van werken met layers en maskers.

Ik beschrijf stap voor stap de werkwijze die gevolgd is.

1. open de donkerste foto

Figuur 14: eerste (donkerste) foto in de eerste laag
Figuur 14: eerste (donkerste) foto in de eerste laag

Let op het histogram van deze foto. Alleen de linkerkant (donkere toonwaarden) zijn aanwezig in deze foto, en vrijwel geen lichte toonwaarden. We moeten ernaar streven een evenwichtig histogram. Vergelijk dit histogram met de volgende afbeeldingen om te zien wat er gebeurt.

2. open de volgende foto als layer en voeg een masker toe

Figuur 15: tweede foto bovenop de eerste laag
Figuur 15: tweede foto bovenop de eerste laag
Figuur 16: masker om alleen de gewenste delen van de onderliggende foto door te laten
Figuur 16: masker om alleen de gewenste delen van de onderliggende foto door te laten

De volgende foto in de reeks (van donker naar licht) komt als layer bovenop de eerste foto. Met een masker worden de delen die te licht zijn, uit de onderste layer genomen.

3. open de derde foto en maskeer opnieuw de ongewenste delen

Figuur 17: derde foto bovenop de tweede laag
Figuur 17: derde foto bovenop de tweede laag
Figuur 18: masker om alleen de gewenste delen van de onderliggende foto door te laten
Figuur 18: masker om alleen de gewenste delen van de onderliggende foto door te laten

De derde foto ondergaat dezelfde handelingen als in de vorige stap. Deze derde foto is in dit geval de foto met de gemiddelde belichting, en het meeste van de opname kan hier gebruikt worden. Zoals te zien is in figuur 16 is de foto voor het grootste gedeelte goed. Let ook op het histogram, en vergelijk dit met de anderen. Er is echter nog ruimte aan de rechterkant (lichte toonwaarden) die uit de foto's met +1 EV en +2 EV overbelichting genomen kunnen worden.

4. open de vierde foto en voeg ook hier een masker toe

Figuur 19: vierde overbelichte foto bovenop de tweede laag
Figuur 19: vierde overbelichte foto bovenop de tweede laag
Figuur 20: masker om alleen de gewenste delen van de onderliggende foto door te laten
Figuur 20: masker om alleen de gewenste delen van de onderliggende foto door te laten

Met het toevoegen van de vierde foto, en het gewenste masker, zorgen we dat de relatief donkere voorgrond opgelicht wordt. Het histogram heeft een mooie curve gekregen, en hoewel het hele bereik van 255 toonwaarden nog niet benut wordt, lijkt de foto nu mooi in balans. Ik heb nog een laatste foto over, die met +2 EV is gemaakt (figuur 4), maar die acht ik in dit geval niet nodig.

5. optimalisatie met behulp van curves

Figuur 21: volledig benutten van de beschikbare toonwaarden door aanpassing in curves
Figuur 21: volledig benutten van de beschikbare toonwaarden door aanpassing in curves

Door een kleine optimalisatie met de functie curves bereiken we het beoogde doel: een foto met frisse kleuren en een mooi contrast (figuur 17), alsmede het gebruik van alle beschikbare toonwaarden.

Het vergelijk

Wat de methode is die het prettigste werkt, is persoonlijk. Ik geef de voorkeur voor de methode met layers en maskers, omdat ik het gevoel heb de volledige controle te houden over de foto. Het is geen echte HDR in de volle zin des woords, maar tegelijkertijd ook weer wel. De foto is over het hele vlak goed belicht door gebruik te maken van de goed belichte delen van meerdere foto's.

Figuur 22: Het resultaat van een (slechte) tonemapping in Photoshop CS2 uit een 32bit HDR
Figuur 22: Het resultaat van een (door mij onnauwkeurig uitgevoerde) tonemapping in Photoshop CS2 uit een 32bit HDR
Figuur 23: Het resultaat van layers en maskers
Figuur 23: Het resultaat van layers en maskers

Het vergelijk is misschien niet helemaal eerlijk, en ik ben ervan overtuigd dat anderen een veel beter resultaat uit de tonemapping kunnen krijgen. Echter, een nauwkeurige tonemapping, en de moeilijkheid van het manipuleren van de curve tot het gewenste resultaat is een tijdrovend werk.

Voordelen en nadelen

Aan de beschreven methode, het werken met layers en maskers, kleven natuurlijk voor- en nadelen. Eén heel groot nadeel aan maskers, is de nauwkeurigheid die soms noodzakelijk is, en zodoende veel werk veroorzaakt. Overgangen zoals in het bovenstaande voorbeeld zijn grof, met een grote brush en een groot verloop (0% hardness). Maar in andere gevallen kunnen er nauwkeurige maskers noodzakelijk zijn.
Werken met tonemapping uit een 32bit HDR heeft dit probleem niet. Overgangen zullen (bijna) altijd goed zijn.

Een voordeel aan layers en maskers is de mogelijkheid tot het maken van een HDR waarin bewegende objecten aanwezig zijn. Dit kan omdat er selectief gewerkt wordt en alleen de goed belichte delen behouden worden (figuur 24).

Figuur 24: HDR effect bij bewegende onderwerpen met layers en maskers
Figuur 24: HDR effect bij bewegende onderwerpen met layers en maskers

Het bovenstaande resultaat kan nooit behaald worden met tonemapping uit 32bit HDR opnamen, waardoor de toepasbaarheid van een groot dynamisch bereik enorm toeneemt. Het laat ook direct zien dat met dit specifieke foto de overgang tussen de daken en de lucht een nauwkeurig masker verreist. Een ander voordeel is, dat het niet verreist is om in RAW te fotograferen. Zelfs 8bit JPEG bestanden kunnen eenvoudig gecombineerd worden met layers en maskers, omdat alleen de goed belichte delen van een opname benut worden.

© nandOOnline webdesign en fotografie
Volgen van de tutorial is vrij. Gebruik van teksten en foto's uitsluitend in overleg.
www.nandoonline.com