Fotografia HDR, o detalhe a precisão do mundo real by Clara Morão

Fotografia HDR ... o detalhe e a precisão do mundo real

Tecnologias da Comunicação Multimédia | Mestrado em Multimédia | FEUP 2010-2011 Monografia desenvolvida por Clara Morão e Susana Milheiro

índice •

introdução

•

o que é?

•

história da fotografia HDR

•

formatos HDR

•

aplicações

•

da teoria à prática

•

conclusão

•

galeria de imagens

•

bibliografia

introdução HDR é o acrónimo de High Dynamic Range (Grande Alcance Dinâmico), uma tecnologia que pretende ultrapassar as limitações da fotografia convencional, criando imagens digitais tão idênticas quanto possível às que os nossos olhos vêem quando percepcionam o mundo em volta. Os sensores das máquinas fotográficas digitais captam as cores dentro de uma gama limitada (LDR - Low Dynamic Range), perdendo-se muita informação crucial quando fotografamos, especialmente cenas com elevado contraste. Uma imagem HDR pode obter-se de diferentes formas sendo a renderização por computador e a junção de diferentes imagens fotográficas as principais técnicas. Nesta monografia iremos incidir especialmente nesta última técnica mencionada (junção de diferentes imagens), em que a partir de 3 ou mais imagens fotográficas de um mesmo cenário, com diferentes exposições, e após interpretação por um software especifico iremos obter uma só imagem HDR. Com esta monografia pretende-se dar a conhecer um pouco sobre a evolução da imagem HDR, as suas potencialidades e possíveis aplicações. Espera-se que da próxima vez que tentar fotografar o por do sol não fique desiludido com o resultado, nem precise de fazer uma opção entre o céu ou o mar; com os conhecimentos aqui adquiridos poderá obter uma imagem com alta precisão perceptual quer nas zonas de maior intensidade de luz (céu) quer nas de menos intensidade (mar).

o que é? O intervalo dinâmico (proporção entre regiões claras e escuras) no mundo visível supera facilmente o intervalo de visão humana e de imagens impressas ou exibidas no monitor. Mas, enquanto o olho humano pode adaptar-se a vários níveis de brilho diferentes, a maioria das máquinas fotográficas e monitores de computadores capturam e reproduzem apenas um intervalo dinâmico muito mais reduzido. Certamente já nos aconteceu fotografarmos uma cena e ficarmos desapontados com o resultado final, pela escassez de detalhe nas zonas escuras e/ ou pela sobre-exposição nas zonas com mais luz. Tal desilusão acontece por nos depararmos com a incapacidade da nossa câmara capturar aquilo que na realidade os nossos olhos são capazes de ver. Porém, fotógrafos e outros profissionais que trabalham com imagem digital já conhecem as limitações de trabalhar com um intervalo dinâmico limitado e por isso são selectivos no momento de captar uma cena, manipulando os seus aparelhos de forma a captar o que mais lhes interessa numa dada cena.

história da fotografia HDR Hoje em dia esta tecnologia está ao dispor da grande maioria das pessoas, e pode ser utilizada para uma grande variedade de fins, da fotografia artística aos usos de cariz mais científico. No entanto, foi para resolver pequenos (grandes) problemas, em meados do séculos XIX, que os conceitos base da fotografia HDR se desenvolveram. Será apenas no século XX que a fotografia HDR viria a ser mais aprofundada.

breve cronologia da fotografia HDR 1850 — Pensa-se ter sido Gustave Le Gray o pioneiro neste técnica, utilizando diferentes exposições em fotografias de vistas marinhas para posteriormente, aquando da revelação, corrigir a iluminação que não lhe permitia obter uma fotografia com detalhes no céu e no mar em simultâneo. Assim, Le Gray utilizou um negativo para o céu, e outro com uma exposição maior para o mar, tendo combinado ambos numa imagem em positivo. 1930-1940 — Uma das fotografias HDR mais famosas mundialmente é da autoria de Charles Wyckoff e foi publicada na capa da Revista Time — a imagem de uma explosão nuclear, uma imagem chocante pelo seu poder destrutivo. Charles Wyckoff era um fotografo e foto-químico (estuda a interacções entre a luz e os átomos ou moléculas) americano, que desenvolveu alguns dos princípios daquilo que hoje conhecemos como fotografia HDR, implementando o re-mapeamento local de tons vizinhos para combinar filmes com diferentes exposições numa só imagem com um grande intervalo dinâmico.

As vantagens da imagem HDR foram sendo reconhecidas ao longo de décadas mas a sua utilização foi em muito restringida pelas limitações de processamento dos computadores. 1985 — A utilização de imagens HDR em computação gráfica terá sido introduzida por Greg Ward, em 1985, com o seu software open-source de renderização e simulação de iluminação — Radiance — que criou o primeiro, e ainda hoje o mais utilizado, formato de arquivo (RGBE) para guardar imagens HDR. 5

1988 — O conceito de remapeamento de Wyckoff foi aplicado a câmaras de vídeo por uma equipa de investigação da Technion (Instituto de Tecnologia de Israel) liderada pelo professor Zeevi que patenteou este conceito em 1988. Em 1993 foi então comercializada pela primeira vez uma câmara médica capaz de capturar, em tempo real, múltiplas imagens com diferentes exposições e criar uma imagem de vídeo HDR. As técnicas mais recentes de imagem HDR usam uma abordagem completamente diferente, baseada na produção de um grande intervalo dinâmico de luz ou mapeamento de luz usando operações globais sobre a imagem e remapeando os tons depois dessa operação. A técnica HDR Global foi introduzida em 1993 resultando numa teoria matemática de imagens do mesmo tema com diferentes exposições, teoria esta publicada por Steve Mann e Rosalind Picard em 1995. Este método foi desenvolvido para produzir uma imagem HDR a partir de múltiplas imagens com diferentes exposições. Com a crescente popularidade das câmaras digitais e os softwares de edição de imagem, o termo HDR é hoje popularmente utilizado para referir esta técnica. Esta técnica de composição é diferente da produção de uma única imagem proveniente de um sensor capaz de captar já um grande intervalo dinâmico de luz. O mapeamento de tons é também utilizado para reproduzir imagens HDR em aparelhos com baixo intervalo dinâmico, como é o caso dos ecrãs de computador. 1996 — Com o sucesso das câmaras digitais a necessidade de melhoria dos sensores de resposta à luz cresceu, o que por sua vez, deu um grande impulso ao desenvolvimento da tecnologia HDR. Steve Mann desenvolveu e patenteou o método HDR-Global no MIT Media Lab. Este método envolve um processo de dois passos: primeiro, gerar uma matriz da imagem (o chamado mapa de radiância) a partir de operações globais (operações que afectam todos os pixéis de forma idêntica); e converte-se depois esta matriz numa imagem HDR utilizando o processo local de remapeamento de tons a partir dos pixéis vizinhos. A técnica HDR foi apresentada a público em 1997 por Paul Debevec. 2005 — O Photoshop, um dos softwares mais usualmente utilizado na edição de imagem, introduz, em 2005, a função Merge to HDR. O surgimento desta ferramenta tão descomplicada leva a um boom de experiências na área da imagem HDR, surgindo novas interpretações do conceito de imagem HDR; a combinação de múltiplos intervalos dinâmicos extremos numa só imagem resulta em imagens que distam em muito da realidade percepcionada pelos nossos olhos. 2011 — Hoje em dia tudo está muito mais ao nosso alcance graças à grande variedade de câmaras digitais, assim como da panóplia de softwares. No entanto, a tecnologia de captação de imagem, armazenamento, edição e impressão ainda tem algumas limitações o que, como se sabe, influência a qualidade final de uma imagem HDR. Assim, uma boa imagem HDR só estará ao alcance dos mais exigentes e persistente, que sejam capazes de estudar e explorar as dificuldades e as potencialidades da imagem HDR.

formatos HDR HDRi- O formato HDRI (High Dynamic Range Imagem) é uma imagem RGBA-E de 64 bits que permite guardar todas as cores da uma fotografia com a intensidade luminosa de cada área na totalidade, permitindo ajustar o brilho com precisão como se fotografasse novamente com menor exposição do filme à luz, uma vez que as áreas mais brilhantes não se tornam cinzentas. RGBE- Este formato guarda os pixeis em forma de byte, sendo que cada componente da imagem corresponde um byte, 1-R 1-G 1-B, e o quarto byte, definido como um expoente que é partilhado pelos 3 anteriores. Assim, este formato utiliza 4 bytes por cada pixel. A sua maior vantagem é permitir que os pixeis possuam alcance e precisão de valores de pontos flutuantes, assim como a capacidade de lidar com pixeis extremamente brilhantes sem perder a precisão das zonas mais escuras. OpenEXR- O OpenEXR ou EXR é uma formato de arquivo frequentemente utilizado na indústria de computação gráfica, efeitos visuais e animação. Este formato para filmes distingue-se pela sua capacidade de reproduzir cores, assim como uma faixa dinâmica adequada para uso na produção de vídeo, oferecendo também suporte para variados métodos de compactação com perdas ou sem perdas, assim como suporte à transparência. Logluv TIFF- O Logluv TIFF consiste numa codificação usada para armazenar dados de high dynamic range imaging dentro de uma imagem TIFF. Foi originalmente desenvolvido para armazenar o output do software HDR-Radiance photonmapper, onde o espaço de armazenamento era um factor crucial. A sua implementação no formato TIFF também permitiu a combinação com algoritmos de compressão de imagem sem grande esforço de programação, relacionando-se com o formato RGBE (o formato de armazenamento de maior sucesso HDRI). BEF- BEF é um formato de imagem HDR suportado em HDR PhotoStudio, um aplicativo de imagem HDR avançado, assim como através do formato de imagem Adobe Photoshop plug-in. O formato BEF pode arquivar dados de imagem com qualquer faixa dinâmica, assim como o espectro de cores perceptívesi pelo olho humano, apresentando uma configuração de qualidade directamente ligada à precisão dos dados de cor. As taxas de compressão BEF são comparáveis com as obtidas por compressão de JPEG.

aplicações As imagens HDR, pela sua capacidade de armazenar toda a informação de luz do mundo real, reforçam o potencial de muitas outras técnicas e projectos já existente. Enumera-se de seguida algumas das aplicações possíveis da tecnologia HDR: • • • • • • •

técnicas de iluminação global (por ex. renderizações baseadas no comportamento físico da luz) renderização de realidades mistas [objectos virtuais em ambientes reais] (por ex. efeitos especiais para filmes e publicidade) simulação de visão humana e psicofísica reconhecimento e imagem de satélite (por ex. sensores remotos) composição digital para filmes cinema digital fotografia artística

À medida que esta tecnologia vai melhorando vão surgindo novas aplicaçõe. De certa forma, espera-se que no futuro a fotografia digital se torna exclusivamente HDR, tal como o era na época da fotografia analógica e da revelação na câmara escura. As películas negativas da fotografia a cores eram efectivamente uma representação HDR dos valores da cena e a revelação das mesmas permitia controlar o mapa de tons da fotografia final que seria impressa.

da teoria à pratica 1. como fotografar Deverá seguir estas recomendações ao fazer fotografias que pretende que sejam posteriormente convertidas numa imagem HDR: • coloque a máquina fotográfica assente num tripé; • faça fotografias suficientes para cobrir o intervalo dinâmico completo da cena. Tente tirar entre 5 a 7 fotografias, mas tenha em atenção que poderá ser necessário usar mais exposições dependendo do intervalo dinâmico da cena (o número mínimo de fotografias deve ser três); • não utilize os recursos automáticos da sua máquina fotográfica, utilize sempre o modo manual. Para criar exposições diferentes deve variar a velocidade do obturador (se variar a abertura altera a profundidade de campo em cada exposição e pode produzir resultados de qualidade mais baixa); • as diferenças de exposição entre as fotos devem ser de uma ou duas etapas EV (valor de exposição), equivalentes a aproximadamente uma ou duas interrupções em F; • não faça variações de iluminação, por exemplo, usando flash numa exposição e na seguinte não; • os objectos na cena não se devem movimentar;

2. juntar as múltiplas imagens Existem diversos softwares desenvolvidos com este propósito que têm ferramentas automáticas para fazer os ajustes necessários à imagem. A grande maioria são softwares pagos porém, existem alguns como o Luminance HDR e o Picutrenaut que são gratuitos. Na gama dos softwares pagos recomenda-se o Photomatrix ou o Photoshop que também possuí uma ferramenta especifica para criar images HDR. De notar que, quase todos os softwares têm versões trial que permitem ao utilizador experimentar durante alguns dias as capacidades e performance do respectivo software, optando assim pelo que mais lhe convier.

3. processar a imagem HDR O passo a seguir é processar a imagem HDR utilizando as ferramentas comuns para manipulação de imagem digital (correcção de cor, corte, suavização, etc) que o software que esteja a utilizar lhe disponibilize.

4. mapeamento de tons (converter uma imagem HDR numa imagem LDR) O último passo é o mascaramento de tons que consiste em passar a imagem HDR de 32 bits para uma imagem normal de 8 ou 16 bits. Neste processo os valores de cor da imagem HDR são mapeados para o espaço de cor da fotografia dita normal. Este passo é necessário pois nem o papel fotográfico nem o ecrã de computador é capaz de reproduzir o intervalo dinâmico de uma imagem HDR.

Este último passo poderá suscitar uma questão... — Mas se no final transformamos a imagem HDR numa imagem LDR qual é o interesse de fazer fotografias HDR? O interesse é que, tal como já vimos anteriormente, uma fotografia HDR armazena toda a informação de luminosidade real o que permite a edição e consequente criação de imagens sem ruído e muito mais próximas da realidade vísivel.

conclusão imagem HDR - técnica ou arte? Como explicado anteriormente, HDR é uma técnica de fotografia que tem como principal objectivo representar o maior número de valores existentes entre um tom claro e um escuro, através da reprodução de imagens com extrema precisão de cor e com elevados níveis de detalhe em áreas de sombra e luz. Por conseguinte, as possibilidades e variações que esta técnica proporciona são infindáveis, tornando-se por vezes difícil travar o processo de criatividade. Sabendo disto, a técnica de HDR deve ser utilizada de forma consciente embora sem excluir a vertente artística (quando esse for o propósito), e é precisamente nesta questão que frequentemente as opiniões divergem. A conotação artística da fotografia deve ser dada pelo próprio objecto em si, pela captação do momento, exposição da luz, enquadramento, etc e não pela sua manipulação ou técnicas aplicadas posteriores à captura, sendo neste caso considerada uma manipulação ou construção digital. A técnica de HDR é muitas vezes utilizada para capturar cenas com grande contraste, áreas simultaneamente com sombras intensas e extremamente iluminadas, porém um sensor electrónico não tem a capacidade de obter a mesma latitude de captação entre tons claros e escuros como o olho humano. Esta discrepância leva a que seja necessário optar entre revelar a textura das sombras e ou a textura das zonas mais iluminadas, e é precisamente aí que actua o poder das fotografias sobrepostas com diferentes valores de exposição (a chamada fotometria) ao permitir revelar grandes níveis de detalhe. Uma fotografia HDR pode claramente ser uma fotografia de carácter artístico, desde que tenha sido idealizada como tal. porém a “simples” utilização da técnica aplicada sobre uma qualquer fotografia não a torna por si só numa fotografia artística. Esta é uma excelente técnica, repleta de potencialidades, mas a fotografia deve ser arte e não técnica, fruto da captação do momento e não resultado da técnica e do efeito aplicado. Em baixo e ao lado estão exemplos do uso exarcebado das técnicas de criação de imagens HDR. Como se pode constactar resultam em imagens pouco realistas e com uma qualidade técnica e artística bastante questionável.

galeria de imagens

bibliografia Arnheim, Rudolf “Arte e Percepção Visual. Uma Psicologia Da Visão Criadora”. Editora Thomson Pioneira, 1998. Barthes, Roland “A Câmara Clara”. Edições 70, 2006. Debevec, Paul; Pattanaik, Sumanta; Reinhard, Morgan; Ward, Greg. “High Dynamic Range Imaging: Acquisition, Display, and Image-Based Lighting”. Morgan Kaufmann Publisher, 2005.

webpages consultadas entreJaneiro e Fevereiro de 2011: http://www.hyperfocaldesign.com/Articles/43-articles/70-understanding-hdri http://www.secondpicture.com/tutorials/photography/hdr_tutorial.html http://www.techieblogger.com/2009/07/hdr-images-photoshop-photomatrix-tutorials.html http://en.wikipedia.org/wiki/High_dynamic_range_imaging#History_of_HDR_photography http://www.apple.com/science/insidetheimage/fosbury/ http://www.davehillphoto.com/ http://www.stuckincustoms.com/hdr-tutorial-portuguese-part-3/ http://www.smashingmagazine.com/2008/03/10/35-fantastic-hdr-pictures/ http://www.baixaki.com.br/tecnologia/2702-como-fazer-imagens-hdr.htm