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High Dynamic Range Photography

Die HDR-Technik (High Dynamic Range) hat die Schwächen und Übertreibungen ihrer Anfangzeit längst hinter sich gelassen. Sinnvoll eingesetzt, verhilft diese Technik ganz normalen Fotos zu einem besseren Aussehen. Was genau aber ist diese HDR-Fotografie und welches Prinzip steckt dahinter?

 

Wegen des recht kleinen Dynamikumfangs von Sensor und Bilddateiformat stellt die Belichtung kontrastreicher Szenen immer einen Kompromiss dar: Wird auf die Lichter belichtet, verschwinden die Schatten im tiefen Schwarz; umgekehrt "fressen die Lichter aus", und aus dem tiefblauen Sommerhimmel mit malerischen Wölkchen wird eine konturlose, weiße Fläche.

HDR-Picture, Ouchy, Lausanne
HDR-Photo, Wintersunset at Ouchy - Lausanne (Switzerland)

Die meisten digitalen Bilder verwenden nur 256 Helligkeitsstufen (8 Bit) für jeden der Rot-, Grün- und Blau-Farbkanäle. Diese Farbtiefe reicht oftmals nicht aus, um die in natürlichen Szenen vorkommenden Helligkeitsunterschiede wiederzugeben. Höhere Farbtiefen werden üblicherweise kaum verwendet, da Bildschirme und Druckmedien zu deren Darstellung heute noch nicht in der Lage sind.

 

Die von einer Kamera oder einem Betrachter aus sichtbare Umgebung weist typischerweise einen Dynamikumfang (Verhältnis von grösster und kleinster Leuchtdichte) in der Grössenordnung von 10.000:1 auf. Der Dynamikumfang ist noch wesentlich grösser, wenn eine Lichtquelle direkt sichtbar ist oder sowohl ein Innenraum als auch ein vom Sonnenlicht erhellter Aussenbereich zu sehen sind. Die menschliche visuelle Wahrnehmung ist in der Lage, sich Lichtverhältnissen anzupassen, die über nahezu zehn Grössenordnungen  reichen; innerhalb einer Szene sind bis zu ungefähr fünf Grössenordnungen gleichzeitig sichtbar.

 

Mit etwas Aufwand ist es möglich, auch mittels herkömmlicher Digitalkameras HDR-Bilder zu erzeugen. Dabei wird von der Szene eine Belichtungsreihe aufgenommen, bei der jede Bildregion in mindestens einem der Einzelbilder korrekt belichtet wird. Die Einzelbilder werden anschließend per Software zu einem HDR-Bild kombiniert. Wichtig ist dabei, dass sich das Motiv zwischen den einzelnen Aufnahmen nicht bewegt. Obwohl es bis zu einem gewissen Grad möglich ist, Verwacklungen nachträglich zu korrigieren, wird die Verwendung eines Fotostativs empfohlen.

 

Bei HDR-Bildern stehen pro Kanal und Pixel 32 Bit zur Verfügung (zumindest während der Verarbeitung im Computer; die Speicherung erfolgt je nach Dateiformat teilweise mit weniger Bits). Rein rechnerisch lassen sich damit über 4 Milliarden (232) Helligkeitsabstufungen darstellen. Wegen des großen Dynamikumfangs lässt sich ein HDR-Bild auf keinem üblichen Medium direkt ausgeben – es ähnelt darin einem Raw-Bild, das ja auch erst in ein RGB-Bild konvertiert werden muss. Bei HDR besteht die Konvertierung vor allem in einer Einschränkung des Kontrastumfangs, dem Hinzufügen der Gammakurve und der Umsetzung in ein 8- oder 16-Bit-RGB-Format. Das nennt sich „Tone Mapping“ und ist eines der schwierigsten, noch immer nicht befriedigend gelösten Aufgaben der HDR-Technik.

Tone Mapping

Unter Tone Mapping, auch Tone Reproduction oder Dynamikkompression genannt, versteht man die Umwandlung eines HDR-Bildes in ein LDR-Bild (Low Dynamic Range), indem der Kontrastumfang verringert wird. Dies ist notwendig, um ein HDR-Bild angenähert auf einem herkömmlichen Anzeigegerät oder Medium darstellen zu können. Der naturgetreue Helligkeitseindruck geht dabei verloren. Umso wichtiger ist es, die besonderen Eigenschaften des HDR-Bildes, etwa den Detailreichtum in dunklen und hellen Bildregionen, so gut wie möglich beizubehalten. Tone-Mapping-Operatoren sind üblicherweise darauf abgestimmt, möglichst natürlich wirkende oder detailreiche Resultate zu erzeugen. Manche HDR-Software enthält jedoch auch Operatoren, die dem Anwender einen künstlerischen Spielraum lassen. Dass viele Tone-Mapping-Operatoren auf Erkenntnissen über die visuelle Wahrnehmung basieren, liegt nicht zuletzt daran, dass der Mensch selbst das Tone-Mapping-Problem scheinbar mühelos löst. So können Operatoren beispielsweise die helligkeitsabhängige Farb- und Schärfewahrnehmung simulieren, was besonders bei Nachtszenen zu realistischeren Ergebnissen führt.

Zusammenfassung

Das erste herkömmliche Kamerabild (LDR) ist nicht in der Lage, die Bildszene mit dem ganzen Spektrum zu erfassen. Einen Grossteil der Details in den hellen und dunklen Bereichen der Szene gehen dabei verloren. Erst mit zwei (oder mehr) Fotos einer Belichtungsreihe kann der ganze Dynamikumfang eingefangen werden, um anschliessend zu einem einzelnen HDR-Bild verrechnet zu werden. Da die meisten Ausgabegeräte (Bildschirme, Drucker, etc.) nicht in der Lage sind, das ganze Spektrum des HDR-Bildes richtig anzuzeigen, muss dieses mittels Dynamikkompression (Tone Mapping) in ein LDR-Bild umgewandelt werden.