Full Dynamic Range Tools
Tonemapping und Nachbearbeitung
Copyright © 2002-2012 Andreas Schömann

Tonemapping allgemein

Der auf einem normalen handelsüblichen Monitor darstellbare bzw. nutzbare Dynamikumfang beträgt etwa 1:250 (8-Bit-Darstellung) und entspricht dem Dynamikumfang von normalen Bildern mit geringem Dynamikumfang oder auch LDRIs (low dynamic range images). Der Dynamikumfang von HDR-Bildern liegt je nach dem Dynamikumfang der abgebildeten Szene aber oft um ein Vielfaches darüber.

Um ein HDR-Bild auf einem normalen Monitor wiederzugeben, bedarf es also noch eines weiteren Schrittes, in dem der Dynamikumfang des HDRIs auf 8 Bit reduziert wird. Statt der früher häufig verwendeten sog. Clipping-Technik, bei der einfach neben einem optimalen 8-Bit-Bereich der restliche Dynamikumfang abgeschnitten wurde, haben sich mittlerweile Verfahren durchgesetzt, bei denen der Dynamikumfang der Aufnahme mit Hilfe eines mathematischen Verfahrens komprimiert wird. Im englischen Sprachgebrauch wird diese Technik auch als tone mapping bezeichnet. Diese Bezeichnung wird mittlerweile auch im Deutschen sehr oft verwendet.

Globale und lokale Verfahren

Es gibt nicht ein Tonemapping-Verfahren, sondern es gibt deren viele. Die meisten der Verfahren wurden mit dem Ziel entworfen, die visuellen Empfindungen des menschlichen Auges nachzuahmen. Aktuell wird immer noch an diesen Dingen geforscht. Die Tonemapping-Verfahren können grob in zwei Kategorien unterteilt werden, globale und lokale. Bei den globalen Verfahren wird die Dynamikkompression in einer vergleichsweisen einfachen Art und Weise vorgenommen. Bei den lokalen Verfahren versucht man die finale Lichtintensität eines Punktes unter Berücksichtigung der Lichtintensitäten der benachbarten Bildpunkte zu bestimmen. Die lokal arbeitenden Tonemapping-Verfahren kommen der Arbeitsweise des menschlichen Auges sehr nahe, sind dafür aber meist sehr viel rechenintensiver und entsprechend langsamer.

Natürliches und kreatives Tonemapping

Im allg. wird man bestrebt sein, den natürlichen Eindruck einer Bildszene auch im Endergebnis einer digitalen Nachbearbeitung wiederzugeben. Die gewählten Umsetzungen der Tonemapping-Verfahren erlaubt allerdings oft auch ein künstlerisch-kreatives Arbeiten. Nachfolgend finden Sie zur Illustration eine Bildszene, die links in einer natürlichen und rechts in einer dramatisierenden und verfremdeten Art bearbeitet wurde.

     
  Tonemapping natürlich und dramatisierend  

Die kreativen und dramatisierenden Verfremdungsmöglichkeiten sind eine besondere Eigenheit der lokalen Tonemapping-Verfahren.

Tonemapping und Panoramafotografie

HDR-Fotografietechniken und entsprechend auch Tonemapping-Verfahren werden sehr häufig auch bei der Panaromafotografie angewendet. Speziell bei der Nutzung von lokalen Tonemapping-Verfahren ist zu beachten, dass eine Software auch die genaue Art des Panoramas bei dem Tonemapping unterstützen muss, soll es nicht in den Randbereichen zu Fehlbelichtungen kommen.

Tonemapping in den FDRTools

In den FDRTools sind vier verschiedene Tonemapping-Verfahren implementiert. Drei davon sind global arbeitende Verfahren und ein Verfahren ist ein lokal arbeitendes Verfahren mit Namen Compressor. Dieses Tonemapping-Verfahren ist sehr leistungsfähig und erlaubt die Erzeugung natürlich-brillanter Endergebnisse mit einer hohen Detailschärfe. Natürlich eignet es sich auch hervorragend für die kreativen Aspekte der HDR-Fotografie.

Sie können zwischen den Verfahren umschalten, indem Sie im Bearbeitungsmodus "Tone Mapping" die Reiterkarten Identity, Simplex, Receptor, oder Compressor auswählen.

TM-Methode Identity

Identity erzeugt eine identische Abbildung. Das bedeutet das HDR-Bild wird auf sich selbst abgebildet. Es stellt sich die Frage nach dem Sinn einer solchen Methode. Nun, Identity wird für die Darstellung des HDR-Bilds genutzt. Identity darf das Bild also nicht verändern. Identity hat alle Bedienelemente der Simplex-Methode, jedoch ist nur der Regler "Belichtung" aktiv. Die Darstellung der anderen Bedienelemente dient dazu den Unterschied zu Simplex deutlich zu machen.

   
  Der Identity-Dialog  

Schalter 'Vorgaben'
Setzt alle Parameter auf ihre Vorgabewerte zurück.
Nachbearbeitung
Regler 'Belichtung'
Verschiebt den Ausgabe-EV-Bereich nach oben/unten. Das entspricht dem Ändern der Belichtungseinstellung einer Kamera.

Für eine Beschreibung der anderen Nachbearbeitungs-Bedienelemente siehe Simplex.

TM-Methode Simplex

Simplex setzt den einfachst denkbaren Tonemapping-Algorithmus um: das HDR-Bild wird linear auf den Ausgabe-EV-Bereich abgebildet. Dabei werden lokaler Kontrast und die Details zwar abgeschwächt, dafür arbeitet das Verfahren schnell. Es eignet sich um einen Überblick über die Szene zu bekommen und kann beim Editieren des HDR-Bildes, beispielsweise beim manuellen Ausrichten, sinnvoll genutzt werden.

   
  Der Simplex-Dialog  

Schalter 'Vorgaben'
Setzt alle Parameter auf ihre Vorgabewerte zurück.
Nachbearbeitung (gilt für alle Tonemapper)
Regler 'Belichtung'
Verschiebt den Ausgabe-EV-Bereich nach oben/unten. Das entspricht dem Ändern der Belichtungseinstellung einer Kamera.
Regler 'Dynamikbereich'
Erweitert/verengt den Ausgabe-EV-Bereich. Benutzen Sie diesen Regler zum Anpassen des Dynamikbereichs des Ausgabegeräts.
Regler 'Schwarzpunkt'
Erweitert/verengt das linke Ende des Eingabe-EV-Bereichs.
Regler 'Weißpunkt'
Erweitert/verengt das rechte Ende des Eingabe-EV-Bereichs.
Kurve und Histogramm
Die Kurve bildet den EV-Bereich des tonegemappten Bilds (untere Achse) auf einen einstellbaren EV-Bereich (rechte Achse) ab. Durch Anpassen der Kurve mittels Knoten können Sie komplexe Abbildungen erreichen. Drücken der linken Maustaste fügt einen Knoten hinzu. Ziehen eines Knotens über den Rand des Kurvenelements entfernt den Knoten.

Die Vorgabewerte für die Kurve bewirken folgendes: der linke Knoten bildet den dunkelsten Pixel des tonegemappten Bilds auf -8 ab während der rechte Knoten den hellsten Pixel auf 0 abbildet. Der Ausgabe-Wertebereich entspricht dem Ausgabe-Dynamikbereich und hat die Einheiten EV bzw. "f-stops". Im Resultat hat damit der Weißpunkt (mit Wert 0) den 256-fachen Luminanzwert des Schwarzpunkts (mit Wert -8).

Das tonegemappte Histogramm wird hinter der Kurve angezeigt. Es wird aus dem Luminanzkanal des tonegemappten Bilds gewonnen. Das Histogramm ist eine visuelle Hilfe für das Anpassen von Schwarzpunkt und Weißpunkt.

Bemerkung: die Skalierung der linken Achse zeigt die Zahl der Einträge pro Histogramm-Bin an. Sie dient nur der Information.

Schalter 'Skalierung linke Achse'
Die Skalierung der linken Achse kann von linear nach logarithmisch geändert werden. Das erleichtert die Wahrnehmung der Histogrammenden.
Schalter 'Verbindung Kurvenpunkte'
Die Kurvenpunkte können über Splines (weiche Kurve) oder über Linien verbunden werden.
Regler 'Sättigung'
Hiermit kann die Farbsättigung verändert werden.

TM-Methode Receptor

Bei der Receptor-Abbildung wird das HDR-Bild durch Logarithmieren komprimiert. Die Komprimierung ist hier jedoch etwas intelligenter, da die Stärke der Komprimierung sich nach der Intensität des Pixels richtet, Lichter werden dabei stärker komprimiert als Schatten.

   
  Der Receptor-Dialog  

Schalter 'Vorgaben'
Setzt alle Parameter auf ihre Vorgabewerte zurück.
Tonemapping
Schalter Kompression
Reguliert die Dynamikkompression.
Schalter Helligkeit
Reguliert die Bildhelligkeit.

Für eine Beschreibung der anderen Nachbearbeitungs-Bedienelemente siehe Simplex.

TM-Methode Compressor

Der Compressor-Algorithmus funktioniert wie folgt: die Intensität eines jeden Pixels wird individuell geregelt, und zwar in Abhängigkeit von der Intensität der benachbarten Pixel. Unterscheiden sich benachbarte Pixel stark in ihrer jeweiligen Intensität, bspw. in der Umgebung einer Lichtquelle, werden diese Differenzen stark abgeschwächt. Bei kleineren Differenzen, etwa in schattigen Bereichen, wird kaum abgeschwächt, evtl. wird die Differenz auch vergrössert. Im Ergebnis wird der Dynamikbereich des HDR-Bilds stark verringert bei gleichzeitiger Bewahrung lokaler Tonwertdifferenzen. Lokale Kontraste und damit die Erkennbarkeit von Details sind gegenüber globalen Tonemapping-Verfahren wie Simplex oder Receptor deutlich verbessert.

Historie

Änderungen an den Parametern werden über ein Historienmodul aufgezeichnet. Die Bedienung der Historie erfolgt über ein Panel, das sich unterhalb des Compressor-Reiters befindet. Es besteht aus zehn Reitern, den sogenannten Zweigen, und einem Zähler mit Pfeiltasten. Jede Parameteränderung erhöht den Zähler und die Änderung wird im gerade aktiven Zweig gespeichert. Die Pfeiltasten ermöglichen es in der Historie des gerade aktiven Zweigs zu "blättern". Bei Auswahl eines anderen Zweigs wird in die Historie des anderen Zweigs gewechselt oder - falls dieser Zweig noch keine Historie hat - die Historie mit dem gerade aktuellen Parametersatz begonnen. Es können so bis zu zehn Einstellungshistorien erstellt und miteinander verglichen werden. Durch Zurückblättern auf die Zählerstellung -1 kann die Historie eines Zweigs zurückgesetzt werden.

   
  Der Compressor-Dialog  

Schalter 'Vorgaben'
Setzt alle Parameter auf ihre Vorgabewerte zurück.
Schalter 'Lade Zustand'
Öffnet einen Dateiauswahldialog, über den ein zuvor gespeicherter Zustand geladen werden kann.
Schalter 'Speichere Zustand'
Öffnet einen Dateiauswahldialog, über den der aktuelle Zustand, d.h. die Gesamtheit aller Parametereinstellungen, gespeichert werden kann.
Tonemapping
Schalter 'Kompression'
Regelt die Stärke der Tonwertkomprimierung. Beeinflusst eher den lokalen Kontrast.
Schalter 'Kontrast'
Bestimmt wesentlich den Kontrast des Bildes. Kleine Werte führen zu weichen Übergängen, hohe Werte zu starken Kontrasten. Sieht das Bild schmutzig aus oder zeigen sich ungewollte Säume (besonders empfindlich ist das Himmelsblau), ist der Wert zu hoch eingestellt. Klicken des Klappschalters links vom Kontrastregler ööffnet zwei weitere Elemente mit Namen Frequenz und Luminanz:
Kurve Kontrast->Frequenz
Ermöglicht die Kontrolle des Kontrasts bzgl. der Frequenzbänder. Die x-Achse umfasst die Frequenzkomponenten, beginnend mit den tiefsten Frequenzen. Tiefe Frequenzen stehen für ausgedehnte Objekte während hohe Frequenzen für feine Details stehen. Das Einstellen der Frequenzkurve beeinflußt Unschärfe bzw. Schärfe des Bildes.
Kurve Kontrast->Luminanz
Ermöglicht die Kontrolle des Kontrasts bzgl. der Luminanz eines Pixels. Die x-Achse umfaßt die Pixelluminanz beginnend bei kleiner Luminanz. Kleine Luminanz steht für "dunkle" Pixel während hohe Luminanz für "helle" Pixel steht. Einstellen der Luminanzkurve ändert den Kontrast in dunklen und hellen Bildbereichen.
Regler 'Farbkontrast'
Reguliert den Kontrast farbiger Bereiche. Demonstriert wird dies mit folgendem Bild, siehe Compressor Farbkontrast. Beachten Sie, daß die Helligkeit farbiger Regionen sich stark mit der Reglerstellung ändert während der Effekt auf graue Regionen vernachlässigbar ist.
Regler 'Glättung'
Reguliert die Definition von Bilddetails. Kleine Werte ergeben schwach definierte Details, insbesondere ausgedehnte Objekte erscheinen schwach definiert. Hohe Werte resultieren in definierten Bilddetails - das Resultat hat weiche Übergänge. In Anlehnung an eine Analogie aus der Malerei könnte man den Effekt dieses Reglers auch als Farbdeckung beschreiben. Klicken des Klappschalters links vom Glättungsregler öffnet ein zusätzliches Bedienelement:
Kurve Glättung->Frequenz
Ermöglicht die Kontrolle der Glättung bzgl. der Frequenzbänder. Die x-Achse umfaßt die Frequenzkomponenten, beginnend mit den tiefsten Frequenzen. Tiefe Frequenzen stehen für ausgedehnte Objekte während hohe Frequenzen für feine Details stehen.

Für eine Beschreibung der anderen Nachbearbeitungs-Bedienelemente siehe Simplex.

   
Farbkontrast: 0
Farbkontrast: 5
Farbkontrast: 10
  Compressor Farbkontrast  

Vermeiden von "Halos" und "Flecken"

Der Compressor-Tonemapper erzeugt hin und wider sogenannte "Halos" und/oder "Flecken". Halos sind unnatürlich helle Säume entlang von Kanten. Flecken sind unnatürlich hell oder dunkel erscheinende Bereiche. Flecken lassen das Bild ungleichmässig beleuchtet erscheinen. Ob diese Artefakte auftauchen hängt vom Bildmotiv sowie der Einstellung der Compressor-Parameter ab.

Wenn Sie Halos im tonegemappten Bild entdecken, können Sie diese durch Einstellen der Frequenzkomponenten des Kontrast-Parameters beseitigen.

Wenn Sie Flecken im tonegemappten Bild entdecken, können Sie diese durch Absenken des Parameters Kompression beseitigen.

Betrachten Sie den folgenden Bildvergleich. Das erste Bild zeigt das Simplex-Resultat. Das zweite Bild zeigt das Compressor-Ergebnis mit Vorgabewerten. Man erkennt leichte Halos entlang der Masten und dunkle Flecken auf den Masten. Das letzte Bild zeigt das bei korrekter Einstellung der Kompressor-Parameter entstehende saubere Bild.

   
Simplex
Compressor defaults
Compressor angepasst
  Compressor Halos und Flecken (Bild mit freundlicher Genehmigung von Alessandro de Simone)  

Wahl der richtigen Compressor-Einstellungen: bei Flecken verringern Sie den Wert für die Kompression bis die Flecken verschwinden. Halten Sie den Wert aber so hoch wie möglich um Kontrast und Details nicht unnötig zu verringern. Stellen Sie die Kurve Kontrast->Frequenz wie im folgenden Bild gezeigt ein. Stellen Sie 'Verbindung Kurvenpunkte' auf 'Linie'. Die Intention dabei ist es den Einfluß der für die Halos verantwortlichen Frequenzkomponenten zu verringern.

 
  Die relevanten Compressor-Parameter

Beispiel: Nachtaufnahme

Die Eigenschaften der Tonemapping-Algorithmen verdeutlicht das folgende Beispiel. Es ist eine Nachtszene. Nachtszenen sind besonders schwierig zu handhaben, weil sie in aller Regel einen sehr hohen Dynamikumfang haben und besonders anfällig für Rauschen sind. Fast immer gibt es Bereiche die sehr dunkel sind und auch mit längerer Belichtung nicht rauschfrei abbildbar sind. Rauschen ist beim Tonemappen mit Compressor ein Problem. Compressor unterscheidet nicht zwischen verrauschten und "sauberen" Pixeln. Daher gewinnen auch verrauschte Pixel an Kontrast und werden besser sichtbar. Aus diesem Grund befasst sich das Tonemapping-Beispiel nicht nur mit dem Tonemappen an sich, sondern auch mit der Vorbereitung dazu, nämlich der Erzeugung eines rauschfreien HDR-Bildes.

HDR-Bild

   
  Nachtaufnahme - Projekte  

Der Grund für das starke Rauschen in Nachtaufnahmen ist das niedrige Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei sehr dunklen Bildbereichen wie etwa dem Nachthimmel. Auch bei langer Belichtung erreicht zu wenig Licht den Kamerasensor, es entsteht kein messbares Lichtsignal, das Grundrauschen der Kameraelektronik überwiegt. Rauschen lässt sich auf verschiedene Arten bekämpfen. Am saubersten - weil ohne Qualitätseinbussen - ist die folgende Methode. Auch dunkle Bildbereiche strahlen Licht aus, nur eben sehr wenig. Um ein ausreichend starkes Signal zu erhalten muss länger belichtet werden. Es gibt zwei Möglichkeiten beliebig lange zu belichten:

  1. Eine Einzelaufnahme mit der jeweiligen Belichtungszeit. Da viele Kameras bei der Belichtungszeit Grenzen haben ist hierzu externes Zubehör notwendig, bspw. ein elektronischer Fernauslöser.
  2. Aufkumulieren der gewünschten Belichtungszeit über eine Reihe von N gleich belichteten Bildern. Die Bilder der Serie werden mit der HDR-Methode Average gemittelt, siehe unten. Das Resultat entspricht einem Einzelbild mit N-facher Belichtungszeit. Vorteil dieser Methode: Störfaktoren wie durch das Bild fahrende Autos lassen sich durch Herausnehmen der entsprechenden Aufnahme leicht entfernen.
Für die Umsetzung dieser Methode werden drei Projekte definiert:
  1. "Kirchberg - HDR" ist die normale Belichtungsreihe. Das resultierende HDR-Bild ist nicht rauschfrei.
  2. "Kirchberg - Rauschreduktion" ist eine Serie mit Bildern gleicher Belichtungszeit, die zu einer Langzeitbelichtung vereinigt werden.
  3. "Kirchberg - TM" ist die Vereinigung der beiden vorhergehenden Bilder zum rauschfreien HDR-Bild.

   
  Erster Teil des Projekts - das HDR-Bild  

Die Abbildung links zeigt den ersten Teil der HDR-Belichtungsreihe, bestehend aus 11 Aufnahmen mit Belichtungszeiten zwischen 1/100 Sekunde und 10 Sekunden. Das resultierende HDR-Bild ist nicht rauschfrei. Längere Belichtungszeiten werden über eine zweite Belichtungsreihe realisiert, siehe unten.

   
  Zweiter Teil - die Langzeitbelichtung  

Die Abbildung links zeigt den zweiten Teil der HDR-Belichtungsreihe. Diese umfasst 8 Bilder, jeweils 10 Sekunden belichtet. Die 8 Bilder entsprechen einer Einzelaufnahme mit 80 Sekunden Belichtungszeit, also einer um 3 EV längeren Belichtung. Die Aufnahmen werden mit der HDR-Methode Average vereint. Zur Wichtung der Pixel wird die Wichtungskurve "Konstant" verwendet. Der resultierende Wert eines Pixels berechnet sich dabei als die Summe der Pixelwerte aus allen Bildern, geteilt durch die Anzahl der Bilder.

   
  Dritter Teil - das endgültige HDR-Bild für's Tonemapping  

Die Abbildung links zeigt den dritten Teil, das endgültige HDR-Bild, bestehend aus den HDR-Bildern der beiden vorhergehenden Projekte. Das HDR-Bild ist rauschfrei und wird tonegemappt.

Tonemapping

Die folgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse der Anwendung der unterschiedlichen Tonemapper auf das HDR-Bild, einmal im Überblick und in einem Detail der Szene. Um die Ergebnisse der Algorithmen vergleichbar zu machen, wird bei allen Tonemappern das hellste Objekt im Bild, der beleuchtete Käfig, auf etwa die gleiche Intensität gebracht. Bemerkung: es geht in diesem Beispiel nicht darum das am besten aussehende Resultat zu erreichen, sondern es sollen die Unterschiede der Tonemapper verdeutlicht werden.

   
Simplex
Receptor
Compressor
  Überblick  

   
Simplex
Receptor
Compressor
  Detail  

Das Resultat von Simplex ist zwar rauschfrei und es gibt auch keine überbelichteten Pixel, aber das Bild wirkt dunkel und kontrastarm. Feine Details sind nicht gut zu erkennen.

Receptor erzeugt ein helleres Bild. Grund hierfür ist die Kompression der Lichter und die damit verbundene Spreizung der dunklen und mittleren Tonwerte. Folge ist eine Abnahme des Kontrastes in den Lichtern: der beleuchtete Käfig wirkt hier heller, aber nicht mehr so detailliert. Im Gegenzug verbessert sich der Kontrast im unteren und mittleren Tonwertbereich.

Compressor ergibt ein ausgewogenes Ergebnis. Alle Bereiche des Bildes sind ausreichend hell. Sogar Details im Radkasten des Autos im Vordergrund (siehe Überblick) sind klar erkennbar. Dennoch sind in allen Tonwertbereichen auch feine Details sehr gut zu erkennen. Insgesamt wirkt das Ergebnis sehr natürlich.