HDR

by / giovedì, 08 novembre 2018 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Il blog

 

HDR – ELABORAZIONE DELLE IMMAGINI AD ALTO CONTRASTO

HIGH DYNAMIC RANGE” come utilizzare le tecniche digitali per avere immagini ad elevato intervallo di esposizione.

 

La realtà fisica da cui vogliamo partire è che l’occhio umano ha una gamma dinamica tra le zone chiare e le zone scure notevolmente più ampia di quella che un sensore di immagini può registrare. In una immagine l’occhio umano è capace di distinguere i particolari nel campo scuro, in quello intermedio ed in quello chiaro. Il sensore di luce invece distingue bene i particolari solo nel campo intermedio mentre nei campi estremi registra sempre la stessa informazione.

Inoltre l’occhio riesce, seppur a fatica, a comporre una immagine in cui sono contemporaneamente presenti sia zone ad alta luminosità che viceversa. Possiamo concludere che una macchina fotografica non riesce a gestire immagini che differiscono di più o meno 3 stop dalla corretta esposizione mentre l’occhio umano riesce a gestirne fino ad una decina di stop.

Il termine “stop” lo usiamo per una variazione della luminosità della scena, agendo sul tempo di scatto (o sull’apertura del diaframma), con incrementi/decrementi unitari (cioè “+1 stop” o “-1 stop”) avremo in corrispondenza un dimezzamento o un raddoppiamento della quantità di luce che raggiungere il sensore.

Nella figura 1 sottostante risulta più facile comprendere il concetto.

Figura 1

L’esposizione corretta è quella in basso a destra (fotocamera EOS6D, ISO 25600, diaframma 7,1 per tutte le esposizioni, tempo 1/10 di secondo). Nella riga superiore da destra a sinistra i tempi vanno diminuendo fino al valore di 1/320 di secondo. Nella riga inferiore da destra a sinistra i tempi vanno aumentando fino al valore di 0,8 secondi.

I metodi che possiamo utilizzare per aumentare la gamma dinamica delle foto possiamo dividerli in due grandi categorie: hardware e software.

Cominciamo dal primo: analizzando i siti che hanno in vendita un elevato numero di fotocamere abbiamo trovato:

per la Canon: tra i 13 modelli di compatte che la caratteristica è presente in sette modelli, in tutti i modelli definiti professionali (5). tra i 12 modelli reflex la caratteristica è presente in quattro modelli, la maggiore presenza la troviamo tra i modelli per appassionati.

Per la Nikon: tra i 29 modelli di compatte nessuna evidenzia il possesso di questa caratteristica. Tra i 16 modelli reflex ne troviamo 6 in cui è dichiarata la caratteristica citata nei due modi seguenti “combina due immagini acquisite con un singolo scatto per creare immagini dettagliate di scene ad alto contrasto” oppure “HDR – consente di catturare maggiori dettagli quando si scatta in condizioni di illuminazione ad alto contrasto. Ideale per soggetti fermi, la fotocamera scatta due immagini con esposizioni con un unico scatto, quindi le combina in un’immagine meravigliosa con contrasto naturale”. Queste frasi, che mi lasciano molto perplesso sono prese dal sito ufficiale della casa.

Possiamo quindi concludere che in oltre 50 modelli presi in esame la caratteristica è presente per circa il 25%.

I software che permettono di elaborare le immagini in postproduzione sono vari e di vari prezzi. Oltre ai tradizionali software per la grafica comunemente conosciuti se ne possono trovare in rete alcuni particolarmente significativi per il loro rapporto prestazioni-costi. Un programma che viene indicato da molti siti che si occupano di fotografie HDR è il programma “PHOTOMATIX” che costa secondo la versione scelta indicativamente dai 50 ai 100 euro, inoltre si può comprare dopo averlo avuto per un periodo di prova.

L’uso dell’HDR nella grafica computerizzata è stato introdotto da Paul Debevec (ricercato in grafica computerizzata presso l’Istituto delle “Creative Technologies” dell’Università di Southern California. Laureato in matematica ed ingegneria si è occupato principalmente della BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Function) applicata alla cattura ed alla sintesi di immagini). Questi studi hanno trovato applicazione anche nella creazione di mondi virtuali usati in cinematografia (ad esempio “Matrix” ed “Avatar”).

Nelle normali immagini digitali sono memorizzati solo i valori dei colori che vanno riprodotti sullo schermo. Le informazione di una immagine HDR di solito corrispondono ai valori fisici della luminosità e delle radianza che possono essere osservate, questo richiede un maggior numero di bit per ogni unità di informazione. Vengono usati delle variabili in virgola mobile a 16 o a 32 bit.

Utilizzando un algoritmo possiamo elaborare le immagini HDR per esaltare l’aspetto che più ci interessa. Ogni algoritmo darà risultati diversi a seconda del tipo di immagine su cui è applicato. Vediamo i principali che vengono usati:

Mantiuk ’06: Agisce sul contrasto dell’immagine, evidenziando i dettagli in tutte le zone, ma senza evidenziare aloni nelle zone con forti variazioni.

Mantiuk ’08: Agisce sulla luminosità dell’immagine per rendere la curva il più compatibile possibile con il display utilizzato per la visione. Infatti il primo parametro da scegliere è proprio il tipo di display . Il risultato è più luminoso, ma meno contrastato rispetto alla formula di prima. E’ utile in caso di immagini estremamente scure.

Fattal: Agisce sulla luminosità dell’immagine. È la formula che più di tutte riesce a visualizzare dettagli sia in ombra sia in piena luce, ma evidenzia anche in modo esagerato le forti variazioni di contrasto (generando aloni) e i disturbi presenti nell’immagine. Da notare che quest’algoritmo dipende fortemente dalle dimensioni del risultato finale, per cui conviene utilizzare fin dall’inizio le dimensioni che si desiderano ed eventualmente fare le prove solo in una piccola zona per test rapidi.

Drago: Simile al Fattal, ma molto meno potente. In compenso è rapidissimo nell’esecuzione. Non evidenzia però i dettagli presenti nell’immagine. Si può utilizzare come sostituto del Fattal nel caso l’immagine da elaborare non contenga dettagli che vogliamo evidenziare, oppure nel caso l’immagine da elaborare contenga molti disturbi e quindi il Fattal non ci consenta di ottenere un risultato accettabile.

Durand: Un algoritmo abbastanza rapido, ma che difficilmente produce risultati interessanti. Di solito le parti luminose perdono dettagli e il risultato finale assomiglia molto ad una foto normale, più che a una HDR elaborata con tone mapping.

Reinhard ’02: Fornisce un risultato abbastanza buono, sebbene a volte un po’ scuro e comunque poco contrastato.

Reinhard ’05: Variante della formula precedente, che fornisce risultati più luminosi, ma con poca evidenza di dettagli.

Ashikhmin: Fornisce risultati con contrasto molto basso e quindi immagini molto “piatte” e poco interessanti.

Pattanaik: Un altro algoritmo che fornisce risultati con pochi dettagli e un contrasto un po’ basso.

La fotografia digitale ha permesso di introdurre direttamente all’interno della macchina fotografica dei processi che nella fotografia analogica si potevano realizzare solo durante la fase di sviluppo e stampa delle foto.

Un processo che vogliamo prendere in considerazione è la creazione di immagini HDR cioè di immagini dove sono presenti sia zone ad alta luminosità che a bassa luminosità.

Per poter essere più esemplificativo riportiamo una immagina scattata in condizioni normali (figura 2) ed una scattata in modalità HDR (figura 3) (per entrambe utilizzando una Canon 6D. Sensibilità 25600 ISO, tempo 1/50 di secondo, diaframma 5).

figura 2  figura 3

 

Possiamo facilmente notare che nella figura 3 in modalità HDR il nero risulta meno saturo ma possiamo molto più facilmente distinguere i particolari del fogliame o la cancellata nella parte bassa della fotografia. Inoltre all’interno del tempio in primo piano riusciamo abbastanza facilmente a vedere le modanature orizzontali del muro.

Naturalmente esistono immagini dove l’applicazione delle tecniche HDR è particolarmente favorevole. I risultati migliori si avranno applicando la tecnica ad immagini con ampie zone scure (controluce di parte della foto, foto notturne, etc.), ad immagini con ampie zone chiare (paesaggi innevati, etc.)

Esistono invece immagini dove è difficile applicarla. Ad immagini con soggetti in movimento. In questo caso si vedono in foto degli effetti indesiderati, anche se l’immagine risulta ben composta. Nell’esempio di figura numero 4 vediamo sia il prato in piena luce sullo sfondo con il tronco degli alberi in ombra ben visibile ma i soggetti in bicicletta sono diventati “doppi” (Canon 6D. Sensibilità 200 ISO, tempo 1/200 di secondo, diaframma 10).

figura 4

Quasi indispensabile per ottenere delle buone immagini è l’uso del treppiede per la macchinetta fotografica. In questo modo riusciamo ad usare dei tempi sufficientemente lunghi, come per le notturne, ma soprattutto facilitiamo enormemente la sovrapposizione delle immagini con i vari software. Il risultato finale sarà una immagine che non presenta doppio contorno. Una alternativa alla mancanza del treppiede è quella utilizzata nelle foto 1, 5, 6 e 7 di poggiare la macchinetta fotografica su un muro o su una superficie rigida a disposizione.

Nelle stesse condizioni di ripresa della serie di immagini riportate in figura 1 evidenziamo la foto fatta utilizzando la caratteristica HDR a 3 stop in più o in meno di esposizione (diaframma 7,1, tempo 1/8 di secondo)

Quanto detto precedentemente è stato fatto scattando la figura 5; per poterla successivamente confrontare con una immagine ottenuta mediante l’elaborazione software.

Figura 5

Il passo successivo è stato quello di installare, in prova gratuita, il software “Photomatix Pro 4.2”. Il programma è di facile installazione e ci permette di avere in pochi passaggi delle immagini elaborate secondo la tecnica HDR.

Per prima cosa vengono caricate tutte le immagini necessarie al risultato finale, nel nostro caso sono state caricate le 10 immagini, in formato ridotto per guadagnare tempo di elaborazione. Il primo passaggio è quello di “caricare le foto bracketed”. Il programma permette di selezionare una serie di parametri per la pre elaborazione (allineamento immagini sorgente, riduzione rumore, etc) ed in pochi secondi presenta la schermata finale dove sulla sinistra vengono proposti i parametri che possiamo modificare a nostro gusto. Tra le caratteristiche principali da scegliere abbiamo “mappatura toni/fusione esposizioni” con i metodi selezionabili per ogni opzione.

Sulla destra vengono proposte le anteprime di vari filtri che si possono applicare per ottenere le immagini HDR. Vengono riportate due immagini, la figura 6 è stata ottenuta applicando il filtro “Monocromatico 2”, la figura 7 è stata ottenuta applicando il filtro “fotografico”; per entrambe sono state velocemente applicate le impostazioni proposte senza cercare di ottenere una qualità più attinente alle proprie aspettative.

Il risultato, confrontato con quello ottenuto direttamente dalla fotocamera, presenta una maggiore saturazione del nero ed offre una gamma di possibilità decisamente maggiore. E’ stata però necessaria l’elaborazione successiva delle immagini scattate; volendo una elaborazione raffinata è ovviamente necessario un tempo decisamente maggiore.

figura 6 figura 7

 

Elaborando oltre alla dinamica delle immagini il contrasto o la saturazione si possono ottenere delle immagini altamente spettacolari che è possibile vedere sui siti specializzati, un ottimo sito è il seguente “www.HDR.com”.

La fotocamera permette una rapidità di scatto decisamente più breve mentre il software permette di scegliere tante impostazioni per più risultati.

 

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE1 (Gennaio) del 2014 nella rubrica di ALTA FOTOGRAFIA.

P.S. Visto il tempo trascorso dalla pubblicazione va precisato che l’impianto tecnico dell’articolo è sempre valido ma risulteranno poco attendibili le eventuali ricerche di mercato o le scansioni temporali dei prodotti fotografici citati nel medesimo.

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