Человек издревле пытался поймать мгновение, запечатлеть образ, используя все новые и новые инструменты, пройдя путь не в одну тысячу лет от примитивных наскальных рисунков через живопись и графику к аналоговой и цифровой фотографии. Но до сих пор природа остается более совершенной, чем техника, и человеческий глаз видит намного больше, чем способна сфотографировать самая современная камера и передать самый современный монитор. Одним из способов обойти ограничения техники, сделать так, чтобы все было «совсем как в жизни», стала технология HDRI — создания изображений с расширенным динамическим диапазоном.

Что видит человеческий глаз

Скриншоты из Half-Life 2: Lost Coast с включенным и выключенным HDRR. Обратите внимание на блики и отражения.

Человеческий глаз с легкостью различает оттенки, различающиеся по яркости в сто раз. Однако он не неподвижен; рассматривая какие-либо предметы, глазные яблоки совершают т.н. саккадические (от старофранцузского слова, означающего «хлопки паруса») движения — быстрые микроскачки произвольного и непроизвольного характера. Во время таких скачков глаз подстраивается к изменениям освещенности, как химически, так и физически, регулируя диаметр зрачка. Благодаря этому человек способен различать перепад яркостей до 1 000 000:1. Эта величина называется динамическим диапазоном глаза.

Что может передать монитор

На компьютерных мониторах все цвета представляются с помощью модели RGB в виде суммы трех цветов — красного, зеленого и синего. Яркость каждой составляющей (канала) лежит в промежутке от 0 до 255 условных единиц, т.е. динамический диапазон модели равен 256:1. Очевидно, что этого совершенно недостаточно для передачи того, что видит глаз. Поэтому крайние значения яркостей «отсекаются», а вместо деталей и цветовых нюансов в тенях и свете на экране получаются сплошные черные и белые пятна.

Изображения, записанные в модели RGB с 8 битами на канал, в настоящее время принято называть LDRI (low dynamic range images) — изображениями с низким динамическим диапазоном.

Как обойти ограничения модели RGB

Для создания HDRI (high dynamic range images), т.е. изображений с расширенным динамическим диапазоном, разработаны модели, которые напрямую отражают физические значения яркости и цвета, существующие в реальном мире, без искажений и ограничений, присущих нелинейности. В некоторых из них используются те же три цвета, что и в RGB, в других отдельно кодируется интенсивность цвета и отдельно — его хроматическая составляющая. Динамический диапазон таких моделей примерно равен динамическому диапазону человеческого глаза.

Динамический диапазон большинства компьютерных мониторов в настоящее время лежит между 500:1 и 1000:1. Поэтому для отображения HDRI на обычных мониторах разработаны нелинейные алгоритмы тональной компрессии (tone mapping).

HDR и компьютерные игры

Сначала HDR использовался для освещения созданных на компьютере трехмерных сцен. Но в последнее время он все глубже проникает в игры, которые становятся с его помощью еще более реалистичными, чем прежде. В 2003 году компания Valve Software показала деморолик городского пейзажа, созданного в расширенном динамическом диапазоне с помощью фирменного 3D-движка Source Engine. В 2004 она же анонсировала Half-Life 2: Lost Coast (дополнительный уровень к Half-Life 2 с поддержкой HDR), а Epic Megagames представила новую, также с поддержкой HDR, версию своего движка — Unreal Engine 3.

Известный производитель графических процессоров, NVIDIA, суммирует преимущества HDR перед LDR в трех пунктах:

• светлое — действительно светлое;

• темное — действительно темное;

• и в том, и в другом видны детали.

Игры с поддержкой HDR — живые и яркие, намного более выразительные, чем без нее. Хорошо прорабатывается игра света, блики и отражения. Кроме того, имитируются особенности человеческого зрения — так, заглядывая через окно в темную комнату, вы не сможете толком рассмотреть интерьер, а выходя из темноты на свет, несколько мгновений не будете ничего видеть — и лишь потом зрение адаптируется.

Не любая видеокарта способна потянуть игру с поддержкой HDR: нужна поддержка DirectX 9.0 или старше и Shader Model 2.0 или 3.0. В число игр, поддерживающих HDR, входят «Age of Empires III», «The Battle for Middle-Earth», «Far Cry», «Serious Sam II» и многие другие. Можно ожидать, что таковыми будут практически все новые игры, где такая поддержка уместна.

HDRI и фотографы

Неожиданное применение технологии HDRI нашли цифровые фотографы. Динамический диапазон цифровых фотокамер также далек от реальности. В результате часто просто невозможно подобрать экспозицию, при которой одинаково хорошо будут проработаны все части снимка, обязательно что-то будет недодержано, а что-то — передержано (чаще всего небо).

Существует способ «сборки» HDRI из нескольких снимков одного и того же объекта, сделанных с разной экспозицией: недодержанного, нормального и передержанного. Минимальное количество снимков — три, но их может быть и больше, это пойдет лишь на пользу итоговому результату, сгладив цветовые переходы.

Проще всего получить три исходных снимка с помощью функции автоматического брекетинга. Она есть во многих современных цифровых камерах. Фотоаппарат при этом лучше перевести в режим приоритета диафрагмы, чтобы кадры отличались только выдержкой.

Автоматический брекетинг и твердые руки позволяют снять исходники даже без штатива, использование которого, вообще говоря, крайне желательно. Если у вас нет ни штатива, ни автоматического брекетинга, можно попробовать снять всего один кадр в режиме RAW, и затем в конвертере превратить («проявить») его в три или больше файла TIFF или JPEG с отрицательной, нулевой и положительной экспокоррекцией. К сожалению, HDRI, сгенерированные таким способом, как правило, более «грязные» и шумные, чем полученные из «полноценных» исходников.

Применив технологию HDRI, можно получить проработанный как в тенях, так и в светах снимок, максимально напоминающий картину, увиденную фотографом во время съемки.

Чем собрать HDRI?

Для «сборки» HDRI существует немало программ, из них наиболее популярны Photomatix Pro и Adobe Photoshop CS2. Photomatix Pro распространяется по лицензии shareware, существует как в виде отдельной программы, так и в качестве плагина Tone Mapping к Adobe Photoshop; скачать и то, и другое можно с www.hdrsoft.com. Интерфейс Photomatix несколько меняется от версии к версии; дальнейший рассказ относится к текущей версии 2.3.

Сборка HDRI в Photomatix

Tone Mapping в Photomatix Pro.

Запустив программу, мы видим девственно чистый серый экран с полоской меню наверху. Заходим в пункт меню HDR > Generate, нажимаем кнопку Browse, выбираем исходные файлы и нажимаем ОК. Порядок и названия файлов не важны; допустимые форматы — JPEG, TIFF и PSD. Чтобы не ждать результатов слишком долго, можно использовать JPEG с минимальным сжатием. Но более качественные результаты позволит получить 16-битный TIFF.

В следующем окне обязательно надо отметить пункт Align sources images before generating HDRI (самый верхний), если только вы не использовали один по-разному «проявленный» RAW-файл. Программа автоматически выровняет ваши изображения друг относительно друга, ведь даже при съемке со штатива возможно некоторое смещение. Если файлы получены из RAW, программа может попросить вас указать шаг экспокоррекции вручную.

Нажав ОК и немного подождав, мы увидим довольно странную картину. Черные тени, белое небо — казалось бы, результат противоположен тому, что мы хотели получить! Как уже говорилось, виной всему — несовершенство наших мониторов. Обратите внимание на небольшое окно с заголовком HDR Viewer. Если поводить мышью над основным изображением, картинка в этом окне будет меняться, демонстрируя, как выглядел бы данный участок на HDR-мониторе.

Далее нам приходит на помощь уже упоминавшаяся тональная компрессия: HDR > Tone mapping.

В появившемся окне есть предварительный просмотр — в принципе, можно использовать параметры по умолчанию и получить неплохое изображение с проработанными тенями и светом. Чтобы улучшить результат, следует поиграть с настройками.

• Strength — контраст.

• Color Saturation — цветовая насыщенность.

• Light Smoothing — сглаживание цветовых переходов. Чем выше значение параметра, тем меньше ореолов возникает вокруг деталей изображения и тем естественнее результат, но за это приходится расплачиваться некоторым падением резкости.

• Luminosity — степень тональной компрессии. Чем выше ее значение, тем лучше проработаны тени и ярче изображение в целом, чем ниже — тем естественнее результат.

• Micro-contrast — микроконтраст. Как правило, можно оставить значение по умолчанию (равное двум).

• Micro-smoothing — микросглаживание. Уменьшает шум, «облагораживает» картинку. Впрочем, специализированные программы, такие как Neat Image или Noise Ninja, убирают шум намного лучше.

• White Clipping — Black Clipping — ползунки, с помощью которых можно изменить уровень теней и света и тем самым распределить промежуточные значения яркости более равномерно (аналогично механизму Levels в Adobe Photoshop).

Осталось выставить цветовую глубину (8 или 16 бит) и нажать ОК.

Недодержанный, нормальный и передержанный снимки, полученные с помощью автоматического брекетинга; итоговый HDRI-снимок, обработанный в Photomatix; гистограммы всех снимков.

Исходные кадры и результат
-2,00	0	+2,00	тональная компрессия в Photomatix

Заключение

Как и любой модный прием, HDRI пытаются применять где надо и где не надо, создавая «спецэффекты» на пустом месте. Вы можете попробовать себя в этом жанре — но не лучше ли использовать микроскоп по назначению, а не забивать им гвозди? Идеальный HDRI выглядит естественно и живо, краски чистые и сочные, детали хорошо проработаны и в тенях, и в свете, грязно-серых пятен и ореолов нет и в помине. Такой HDRI может вызвать возглас неофита: «А где же здесь HDRI?!»

Если вам удалось добиться такого результата — поздравляем, вы освоили технологию.