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New York City HDR Nachtaufnahme.

Ein High Dynamic Range Image (HDRI, Bild mit hohem Dynamikumfang) bzw. Hochkontrastbild ist eine digitale Bilddatei, deren Helligkeitswerte einen Dynamikumfang von mindestens vier Größenordnungen (1:10.000), eine relative Abstufung feiner als 1 % und Abdeckung sämtlicher sichtbaren Farben unterstützt. Techniken, die sich mit derartigen Bildern beschäftigen, werden als High Dynamic Range Imaging bezeichnet.

Es gibt verschiedene gebräuchliche Dateiformate für HDRIs. Beispiele für stabile und die obigen Anforderungen erfüllende Formate sind: TIFF-32-bit-LogLuv und OpenEXR. Der scRGB (früher bekannt als sRGB64)-Farbraum aus IEC Standard 61966-2-2 ist für geringere Genauigkeit bei erhöhtem Speicherbedarf kritisiert worden, ist aber leicht zu implementieren. Prominenteste Verwendung finden HDRIs bei der Bildsynthese.

Im Bereich der digitalen Fotografie wird die HDR-Technik angewendet, um von Motiven mit extrem großem Dynamikumfang (also laut obiger Definition einem Verhältnis von mehr als 1:10.000 zwischen hellstem und dunkelstem Bildanteil) Abbildungen zu erstellen, die sowohl in hellen Bereichen als auch in dunklen Bereichen noch Details wiedergeben, die auf einem herkömmlichen Foto nicht mehr erkennbar gewesen wären.

Erstellung von HDRIs

Fotografie

Mit Hilfe einer Software können HDR-Bilder aus zwei (oder mehr) unterschiedlich belichteten Fotos erstellt werden.

Digitale Verarbeitung

HDRI kann man mit nahezu allen 3D-Renderprogrammen vollsynthetisch erstellen. Der große Vorteil dabei ist, dass dabei keine Informationen über das gerenderte Bild verloren gehen und z. B. Belichtungskorrekturen einfach und qualitativ perfekt durchgeführt werden können.

Der zweite Weg besteht darin, mehrere Aufnahmen mit verschiedenen Belichtungen zu fotografieren und diese dann zu einem HDRI zusammenzufügen (siehe auch Dynamic Range Increase); dabei kommen Digital-, Analog- oder Spezialkameras zum Einsatz (siehe unten). So verfährt man immer dann, wenn eine 3D-Computergrafik in eine reale Szene eingefügt werden soll. Am wichtigsten sind hierbei – neben einem evt. 360° Bild – die vollständigen Informationen über die Beleuchtungssituation. Ohne diese Informationen müsste die Beleuchtung der realen Szene vollständig und möglichst korrekt in dem 3D-Modellierprogramm nachgebaut werden.

Spezielle Kameras

Es wurden Spezialkameras im Mittelformat entwickelt, um professionelle Fotografen zum Umstieg von Film auf Digital zu bewegen, da Filme einen höheren Dynamikbereich aufweisen. Diese Kameras übertreffen sogar den Dynamikbereich des Films (Film: 5-8 Belichtungsstufen, High End Digital: 11-12) Um das dabei entstehende Rauschen zu unterdrücken, werden diese Kameras aktiv gekühlt. Diese Profikameras kosten allerdings 20.000 € und mehr. Als Beispiele zu nennende HDRI-Kameras wären: LEICA S1 Alpha/Pro, Jenoptik eyelike MF, SpheroCam HDR und LEAF c-most. Entwickelt sind diese Art von Digitalkameras dafür, direkt von einem Hostcomputer aus betrieben zu werden. Als Ausgabeformat dienen die Dateiformate .hdr und .tiff.

Eine wirkliche HDRI-Videokamera gibt es dagegen noch nicht – wenn, dann sind diese nicht für die Serienfertigung bestimmt oder befinden sich noch im Entwicklungsstadium. Die ersten Ansätze hierzu sind jedoch durchaus vielversprechend und z. B. beim Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen zu finden.

HDRI in der Bildsynthese

Durch HDRI haben schattige oder dunkle Bereiche dieselbe Detailwiedergabe wie die hellsten Bereiche eines Bildes und können ein paar besondere Effekte hervorrufen: Sie sind als Umgebungsbeleuchtung einsetzbar, da ihre Helligkeit nicht vom maximalen Weißwert des RGB-Farbraums abhängig ist (255/255/255), sie erzeugen so reale Glanzlichter in generell stärkeren Spiegelungen und werfen je nach HDR-Bild unterschiedlich lange indirekte und damit realistisch weiche Schatten.

Der Einsatz von globaler Beleuchtung macht die Simulation derartiger Effekte möglich.

In der 3D-Computergrafik wird HDRI als Beleuchtungstechnik für 3D-Szenen genutzt, um diese in das perfekte Licht einer realen Umgebung zu setzen. Das Ergebnis ist ein absolut realistisches 3D-Design mit beeindruckenden Schatten und Reflexionen. Ein HDRI-Umgebungsbild enthält durch die höhere Dynamik neben der normalen Farbinformation auch die Zusatzinformation der Lichtverhältnisse (High Dynamic Range Lighting). So strahlt z. B. eine im HDRI abgebildete Szene mit der realen Helligkeit und Farbgebung ab. Diese Technik erspart dem 3D-Designer das aufwendige manuelle Setzen von vielen Lichtquellen sowie das langwierige Experimentieren mit Farbgebung und Stärke der Lichter. Die HDRIs beinhalten auch die Information, ob es sich um eine direkte Beleuchtung (z. B. Sonne, Halogenstrahler) mit harten Schatten – oder um einen bewölkten Himmel/Neonröhre mit diffuser Beleuchtung – und somit weichen Schatten handelt. HDRI erlaubt auch eine realistischere Farbgebung der virtuellen, gerenderten Szene.

Unterstützung

Software

So gut wie alle großen 3D-Programme (z. B. Cinema 4D, 3DS Max, Maya, LightWave3D, Vue 5 Infinite, YafRay, Softimage XSI… ) unterstützen den Import und das Rendering mit HDRI-Bildern (wobei das Radiance-Format noch einen kleinen Vorsprung gegenüber OpenEXR hat). Insbesondere mit Global Illumination und Radiosity kommen die Vorteile von HDRI-Bildern als Grundlage für „Image-based Lighting“ oder Umgebungsmaps für Reflexionen zur Geltung.

Das bekannteste Programm zur Erstellung und Bearbeitung von HDR-Bildern ist wohl HDRShop. Speziell im Fotografie-Bereich wird häufig die Software Photomatix eingesetzt.

Das quelloffene CinePaint, ehemals FilmGimp, kann als das in Hollywood überarbeitete Gimp auch mit HDR-Bildern umgehen. Ein Hilfsprogramm zur Erstellung von HDRIs aus Bildern von Digitalkameras ist mit der CinePaint Version 0.20 erschienen.

Mit Photoshop CS2 unterstützt auch das bekannte Bildbearbeitungsprogramm von Adobe den Import/Export sowie das Generieren von HDRI-Bildern. Für ältere Photoshop-Versionen stehen zumindest für OpenEXR das offizielle und unter der BSD-Lizenz stehende Photoshop-Plugin von Industrial Light and Magic oder ein kostenloses Import-Plugin des Post-Hauses The Orphanage zur Verfügung. Letzteres ist vor allem deshalb interessant, da es auch mit der Compositing-Software Adobe After Effects funktioniert. Mit eLin existiert nun auch ein HDRI-Compositing Plugin-Paket für Adobe After Effects, das für die nicht-kommerzielle Verwendung kostenlos heruntergeladen werden kann.

Hardware

Aktuelle NVidia-Grafikkarten (6xxx, 7xxx) implementieren HDR mit 16-bit-Fließkommagenauigkeit. ATIs Radeon-Serie unterstützt seit kurzem (Radeon X1xxx) ebenfalls FP16 (im Gegensatz zu Nvidia sogar in Verbindung mit Anti-Aliasing), allerdings ohne FP-Filterung, was jedoch im Pixelshader bis zu einem gewissen Grad emuliert werden kann.

Veranschaulichung

HDRIs enthalten im Gegensatz zu herkömmlichen Bildern mehr Informationen, als ein normaler Monitor sie heute darstellen könnte. Die zusätzlichen Informationen im Schatten- und Glanzlichtbereich eines HDR-Bildes werden erst nach einer Bearbeitung sichtbar:

Beispiel

die 6 originalen Bilder 1/40 1/10 1/2 1" 6" 25"

Ergebnis

Weblinks

• HDR-Fotografie in acht Schritten
• Hochdynamische Fotos mit wenigen Mausklicks erzeugen
• Portal für HDR Fotos
• HDR-Fotos
• Infoseite für High-Dynamic-Range-Images