Чувствительность зрительной системы, позволяющей нам ориентироваться и при сиянии
звезд, и при ярком солнечном свете, охватывает диапазон от 10
-7 до 10
9 кандел/м
2.
Отношение этих предельных значений составляет шестнадцатизначную величину -- поистине
космические масштабы. Такой высокий показатель не имеет аналогов в мире техники:
для фотонегативов и слайдов динамический диапазон ограничен четырьмя порядками,
для фото- и полиграфических отпечатков, а также ЖК- и ЭЛТ-мониторов -- всего лишь
двумя-тремя.
Так называемые полноцветные изображения с 24-битной цветовой глубиной (в рамках
данной статьи они будут обозначаться аббревиатурой LDRI -- Low Dynamic Range Imaging)
тоже не могут претендовать на точность отображения перепадов освещенности, присущих
окружающему миру. Появление HDRI-форматов (динамический диапазон которых исчисляется
десятками порядков), описывающих цвет вещественными числами с плавающей запятой,
является естественной попыткой преодоления ограничений, присущих традиционному
целочисленному представлению цветовой информации.
|
|
|
Даже самые простые
и распространенные операции дают более достоверные результаты при использовании
формата HDRI для представления исходных материалов. Слева -- горизонтальное
сглаживание (motion blur) LDRI, справа -- та же операция в цветовом пространстве
HDRI (в центре -- исходный вид)
|
Наиболее актуальная на сегодняшний день категория HDRI-изображений -- это полноохватные
текстуры (environment maps), объединяющие виды из заданной точки зрения во всех
возможных направлениях. Востребованность таких текстур, в свою очередь, обуславливается
растущей популярностью IML-алгоритмов визуализации (от Image Based Lightning),
реализованных в текущих версиях ключевых 3D-пакетов. В IML-алгоритмах HDRI-изображения
используются для моделирования освещения виртуальной сцены, что позволяет дизайнерам
избежать утомительного процесса ручной настройки параметров точечных источников
света и облегчает задачу "вживления" синтетических объектов в реальный
антураж. Хотя первые разработки в области IML с использованием HDRI-текстур появились
почти
20 лет назад, высокая ресурсоемкость до недавнего времени сдерживала их широкую
коммерциализацию.
Нынешняя востребованность HDRI-изображений в сочетании с высокой стоимостью оборудования
для их производства открыла в 3D-индустрии новый бизнес, лидерами которого являются
немецкие компании
Dosch Design,
Sachform Technology и
Industry
Graphics, специализирующиеся на издании тематических библиотек полноохватных
HDRI-текстур. При цене около $100 типичная библиотека состоит из десятков картинок,
записанных на нескольких CD либо на одном DVD-диске. "Правилом хорошего тона"
при составлении HDRI-библиотек считается неизменность положения Солнца на небосводе
во всей серии изображений. Это обеспечивает взаимозаменяемость HDRI-текстур при
компоновке сцены и задании свойств материалов.
В Internet можно найти и бесплатные подборки HDRI-текстур различного качества,
однако из-за нетерпимости провайдеров бесплатного хостинга к большим файлам они
не имеют устоявшихся адресов. Неплохим стартовым пунктом для исследования сетевых
HDRI-ресурсов является сайт одного из ведущих специалистов в области IML Пола
Дебевека (
Paul Debevec).
В самых простых файловых форматах HDRI -- таких, как Portable FloatMap, IEEE-69-bit
TIFF и др. -- для кодирования информации об интенсивности каждого цветового канала
используются вещественные числа ординарной точности (разрядностью в 32 бита).
Это в четыре раза повышает требования к объемам дискового пространства по отношению
к LDRI-изображениям. В итоге размер одной-единственной полноохватной HDRI-текстуры
в хорошем разрешении вполне может превысить объем компакт-диска! Отметим, что
эта проблема не может быть решена за счет использования стандартных архиваторов,
поскольку они плохо справляются со сжатием массивов вещественных чисел.
Результат борьбы за экономию места на диске -- появление форматов Radiance HDR
и OpenEXR, к применению которых тяготеют составители HDRI-библиотек. В первом
из упомянутых форматов, разработанном Грегом Уардом (Greg Ward) в рамках открытого
проекта
Radiance,
пикселы описываются четверками байтов вида RGBn, кодирующими цвет (R*2
n-128,G*2
n-128,B*2
n-128).
Формат OpenEXR, зародившийся три года назад в недрах компании ILM (уже успевшей
опробовать его в производстве спецэффектов для таких блокбастеров, как "Гарри
Поттер и философский камень" и "Люди в черном -- 2"), более изощрен:
цветовые каналы в нем описываются 16-битным типом half ("вещественное половинной
точности", заимствованное из языка Cg от NVidia). Область положительных допустимых
значений типа half охватывает диапазон от 6,1e--4 до 6,5e+4. Пользователям формата
OpenEXR гарантируется обратная совместимость версий и поддержка любого количества
слоев; кроме того, возможно использование дополнительных данных произвольного
типа, а также применение нескольких алгоритмов сжатия без потери качества. Утверждается,
что наиболее ресурсоемкий из этих алгоритмов (основанный на wavelet-преобразованиях)
в типичных случаях обеспечивает примерно двукратный коэффициент сжатия. Подробное
описание формата и исходный код, полезный для создания OpenEXR-совместимого ПО,
можно бесплатно получить на сайте
www.openexr.net.
Впрочем, несмотря на относительную компактность, оба эти формата явно страдают
"избыточным весом". Отсутствие возможности задания степени сжатия, определяющей
компромисс между качеством изображения и размером файла (как в JPEG), становится
сегодня все более ощутимым минусом, препятствующим внедрению HDRI в такие массовые
технологии, как цифровое фото и 2D-графические редакторы. Есть все основания надеяться,
что этот недостаток будет устранен в следующей версии OpenEXR.
Отвлекшись на время от проблем глобально-стратегического характера, представим себя на месте дизайнера, желающего задействовать современные средства 3D-графики для визуализации некоего архитектурного проекта, призванного при реализации гармонично вписаться в городской ландшафт. В своей работе мы хотели бы по возможности с максимальной точностью учесть влияние окрестных строений, зеленых насаждений и прочих факторов на освещение нового здания. В этом не обойтись без IML-алгоритмов и полноохватной HDRI-текстуры, хотя бы приблизительно соответствующей реальному ландшафту. Если в доступных нам библиотеках не окажется ни одного подходящего изображения (что вполне вероятно), то поневоле придется задуматься,
как самостоятельно получить полноохватную HDRI-текстуру?
|
Весь мир отражается на поверхности
шара! Вероятно, первыми это явление открыли наши предки, увидевшие в яйце-писанке
модель Вселенной
|
На этот вопрос имеется по меньшей мере
три варианта ответа:
1. Наиболее легкий способ заключается в использовании цифровой камеры SpheroCam
HDR, производимой немецкой компанией
SpheronVR.
Правда, при этом бюджет нашего проекта придется увеличить примерно на 50 тыс.
долл. Модель SpheroCam HDR оснащена штативом с моторизированной поворотной головкой
и объективом типа "рыбий глаз" (со 180-градусным углом обзора); от обычных
цифровых камер ее отличает светочувствительная матрица, выполненная в виде узкой
вертикально ориентированной полосы. Матрица состоит из 53 тыс. строк, каждая из
которых, в свою очередь, содержит несколько ячеек различной светочувствительности.
В процессе вращения камеры яркость всех участков изображения поочередно фиксируется
несколькими ячейками, что позволяет встроенному ПО определить действительное значение
яркости пикселов в виде 32-битных вещественных чисел. В зависимости от условий
освещенности сканирование полноохватной панорамы занимает от минуты до получаса
(что автоматически исключает возможность использования SpheroCam HDR для фотографирования
движущихся объектов). Готовый результат представляет собой полноохватную HDRI-текстуру
размером 5300 10600 96 b, в некомпрессированном виде занимающую 642 MB.
2. Можно прибегнуть и к менее дорогой (но более трудоемкой) технологии, основанной
на применении обычной камеры (к которой, впрочем, предъявляется одно обязательное
требование -- возможность ручного задания выдержки). Надежно закрепив камеру на
штативе, надлежит сделать серию из нескольких снимков, варьируя выдержку в диапазоне
от T/64 до T*64, где T -- оптимальная выдержка, определенная с помощью фотоэкспонометра
(естественно, первый кадр этой серии будет напоминать "Черный квадрат"
Малевича, а последний окажется почти полностью засвеченным). Для преобразования
полученных фотографий в HDRI-изображение может служить бесплатная (при условии
использования в некоммерческих целях) программа Пола Дебевека HDR Shop, доступная
по адресу
www.debevec.org/HDRShop
(ее размер -- всего 860 KB). Из другого ПО подобного рода заслуживает внимания
Mac-совместимый пакет
Photosphere
Грегори Уарда.
|
Экранная копия программы,
демонстрирующей вычислительную мощь последних моделей графических карт ATI
Radeon. Бескомпромиссно реалистичные отражения и преломления, наводящие
на мысль об использовании трассировщика лучей, в действительности построены
в реальном времени с помощью программных пиксельных шейдеров, остроумно
использующих заранее просчитанные полноохватные HDRI-текстуры для каждого
объекта
|
Количество серий, необходимых для формирования полноохватной текстуры, зависит
от фокусного расстояния объектива: если "рыбий глаз" позволяет охватить
окружающую действительность всего "в два приема", то менее широкоугольные
объективы делают этот процесс более рутинным: 15-миллиметровая оптика потребует
отснять 14 серий, а 35-миллиметровая -- 50. Приведенные цифры взяты из документации
к ПО RealViz Stitcher -- стандартному инструменту сшивания панорамных изображений
по принципу
"лоскутного
одеяла".
3. Наличие зеркального шара диаметром около полутора десятков сантиметров открывает доступ к "дешевой и сердитой" технике светового зондирования (light probing), основанной на способности сферической поверхности к отражению (за исключением "слепого пятна", т. е. участка сцены, скрытого непосредственно за шаром). При умеренных требованиях к качеству текстуры как световой зонд может быть использована елочная игрушка.
Камера, надежно закрепленная на штативе, фокусируется на шар, располагаемый в месте планируемой "имплантации" синтетического объекта, дальнейший порядок действий не отличается от описанного в предыдущем пункте. Правда, для получения полноохватной текстуры оказывается теперь достаточно всего одной серии фотографий.
Отметим, что в данном случае более выгодным является использование длиннофокусной оптики: она позволяет отдалить камеру от шара, что уменьшает "слепое пятно" и угловой размер отражения фотоаппарата (а равно и фотографа, если тому некуда укрыться во время съемок).
Будем считать, что требуемое HDRI-изображение получено.
Как его увидеть?
|
Результат обработки HDRI-изображения
с помощью алгоритма автоматического осветления/затемнения, разработанного
Эриком Рейнхардом (Erik Reinhard) и его коллегами из университетов США
|
|
Неблагоприятные условия освещения
ставят фотографа перед сложным выбором: установив экспозицию "по светам",
он утрачивает детали "в тенях", и наоборот. Доверившись же экспозиционной
автоматике, измеряющей усредненную освещенность, рискуешь потерять и то
и другое (как на этом снимке)
|
Безупречное воспроизведение красок реального
мира на экране монитора -- идея на первый взгляд соблазнительная. Но лишь на первый,
поскольку более пристальное ее изучение выявляет некоторые несуразности. К примеру,
устраивая на таком идеальном дисплее публичную демонстрацию фотоотчета о вашем
отпуске в Крыму, придется припасти для каждого из зрителей пару солнцезащитных
очков.
Эти сомнения не уменьшили энтузиазма сотрудников канадской компании
Sunnybrook
Technologies, которым недавно удалось добиться революционного (на два-три
порядка) расширения динамического диапазона ЖК-дисплеев: на последней конференции
SIGGRAPH они представили устройства, обеспечивающие яркость от 0,01 до 10 000
кандел/м2. Главной отличительной особенностью HDR-дисплеев является использование
мощной светодиодной матрицы вместо обычной лампы задней подсветки, яркость свечения
каждого светодиода регулируется встроенным контроллером.
Согласно утверждениям разработчиков, при внедрении в массовое производство эта технология повысит стоимость 20-дюймовых мониторов не более чем на $500, а в перспективе, с учетом прогнозируемого удешевления светодиодов, и вовсе на смехотворную сумму. Вот только организация такого серийного выпуска представляется пока сомнительным предприятием. Чтобы понять, почему HDRI-дисплеи не обладают преимуществами, способными заинтересовать массового потребителя, достаточно взглянуть на движок контрастности вашего монитора. Если он не выставлен на максимальные 100%, то сохранность зрения, видимо, имеет для вас большее значение, чем ширина динамического диапазона отображаемой картинки.
Дополнительный фактор, омрачающий коммерческие перспективы Sunnybrook Technologies, -- отсутствие на рынке графических карт с поддержкой режима 16-битной глубины цветовых каналов (нужных для полной реализации возможностей HDR-дисплеев). О том, скоро ли появятся такие карты, можно судить по следующей выдержке из онлайнового дневника Джона Кармака (John Carmack) из компании id Software, мнение которого не только формирует облик игровой индустрии, но и определяет эволюционный путь развития графических акселераторов в течение последнего десятилетия: "Следует ли продолжить наращивание динамического диапазона видеобуфера в новом поколении графических карт? Едва ли... Целесообразнее оставить его 32-битным, предусмотрев средства для компрессии диапазона значений, переносимых в видеобуфер из внутренних массивов".
Итак, если в прошлом распространение полноцветных графических форматов сопровождалось массовым переходом на новую аппаратную базу (т. е. на дисплеи true color и графические карты), то аналогичных тенденций в отношении форматов HDRI ждать не приходится. Эти рассуждения приводят нас к закономерному вопросу:
так ли важны HDRI-изображения, если их невозможно
даже увидеть?
Фотопейзажи, снятые в безоблачную
погоду, как правило, отображают небо в виде равномерно окрашенного светлого фона:
солнечный диск, яркость которого выходит далеко за верхний предел стандартного
динамического диапазона, сливается с небом. Тем не менее характер освещения объектов
пейзажа (в частности, вид отбрасываемых ими теней) позволяет вполне уверенно судить
о положении солнца. Более того, на некоторых поверхностях -- вроде влажного асфальта
-- можно отчетливо рассмотреть очертания отражающегося солнечного диска.
|
Маркетологи из SMaL Camera
Technologies весьма убедительно иллюстрируют выгоды расширения динамического
диапазона камер охранного наблюдения: фирменная технология Autobrite позволяет
обнаруживать преступника еще до того, как тот совершит преступление!
|
Откуда берутся резкие тени, если отсутствует компактный источник света? Как отражение
может существовать без
отражаемого, а преломление -- без
преломляемого?
Эти и другие подобные парадоксы, с которыми легко мирится гибкое человеческое
восприятие, оказываются сущим камнем преткновения для алгоритмов визуализации,
призванных автоматизировать "вживление" синтетических объектов в реальный
пейзаж. Именно поэтому использование "логически непротиворечивых" HDRI-текстур,
способных вобрать в себя как самые глубокие тени, так и самые слепящие солнечные
лучи, считается обязательным условием эффективного применения IML-алгоритмов.
Впрочем, 3D-индустрия -- не единственный потребитель технологий HDRI: не менее широкие перспективы открываются перед ними также и в области цифрового фото.
Один из столпов современной художественной фотографии Ансель Адамс (Ansel Adams,
1902--1984) знаменит следующим высказыванием: "Негатив подобен нотному листу,
а отпечаток -- музыкальному исполнению". Действительно, фотографы-профессионалы
привыкли видеть в печати высокое искусство, позволяющее им по-разному интерпретировать
негативное изображение, "втискивая" его с помощью множества ухищрений
в относительно узкий динамический диапазон (называемый на профессиональном жаргоне
фотоширотой) бумажного отпечатка. Избыточная фотоширота негатива для фотопечатника
-- это пространство его творческой свободы, а отнюдь не бесполезная информация.
По показателю фотошироты матрицы современных цифровых камер уступают фотопленке. С другой стороны, они превосходят возможности LDRI: цветовое разрешение в RAW-форматах может составлять 12 или даже 14 b на цветовой канал. Сжатие динамического диапазона -- функция поставляемого с камерой ПО, возможности которого, как правило, ограничиваются введением одной-двух ступеней коррекции для исправления допущенных во время съемки экспонометрических ошибок. Между тем фотографии, сделанные в условиях неоптимального освещения, могут требовать более сложной доработки: к примеру, на многоплановых фото, снятых со вспышкой, переэкспонированные объекты переднего плана требуют выборочного затемнения, а недоэкспонированные объекты заднего плана -- осветления. Трудоемкая, но столь ценимая фотохудожниками техника выборочного осветления/затемнения (burn/dodge) лишь с недавних пор стала доступна пользователям популярных графических редакторов Photoshop и PictureMan, последние версии которых позволяют работать 16-битными цветовыми каналами.
|
Photogenics HDR -- первый
полнофункциональный редактор для HDRI-изображений. Доступен за $699 либо
в виде 30-дневной пробной версии
|
Дальнейшее развитие этого направления связано с активно разрабатываемыми в последние
годы в академической среде алгоритмами автоматического выборочного осветления/затемнения
(см. например,
http://graphics.csail.mit.edu/~fredo/PUBLI/Siggraph2002
и
www.cs.utah.edu/~reinhard/cdrom).
Их авторы пытаются формализовать опыт, накопленный за 150-летнюю историю фотографии,
а также учесть адаптационные свойства зрительной системы человека. Оптимальный
подбор параметров, управляющих сжатием динамического диапазона в каждом участке
исходного HDRI-изображения, позволяет повысить информативность результата, не
искажая при этом цветопередачи и освещенности.
Эффективность алгоритмов выборочного осветления/затемнения напрямую зависит от
избыточности динамического диапазона исходного материала, и поэтому условием их
коммерциализации является "HDRI-чувствительность" фотоэлементов цифровых
камер. Сегодня к идеалу наиболее приблизились матрицы SuperCCD SR от
Fuji
и Autobrite от
SMaL Camera
Technologies. В первом случае улучшение характеристик достигается путем размещения
под каждой из микролинз CCD-матрицы двух фотоэлементов различной чувствительности.
Таким образом, результат съемки оказывается суперпозицией двух обычных изображений
разной плотности. Что же касается компании SMaL, она не склонна вдаваться в технические
подробности: из рекламных материалов о ее CMOS-матрицах удалось почерпнуть лишь
численное выражение ширины динамического диапазона, которое оказалось неправдоподобно
большим: 250 дБ (т. е. более 12 порядков!).
Чего ждать от HDRI завтра?
Расширение динамического диапазона
-- одна из ключевых эволюционных тенденций в индустрии цифрового фото, поэтому
нетрудно предвидеть, что формат HDRI обречен стать внутренним стандартом представления
данных в цифровых камерах. Реализация алгоритмов выборочного осветления/затемнения
во встроенном ПО лишит понятие экспозиции привычного смысла. В будущем фотографы
смогут бесстрашно обращать объектив в сторону солнца, снимая каждый оказывающийся
в поле зрения объект с оптимальной для него экспозицией.
Современные программируемые графические карты поддерживают широкий набор операций
с вещественными векторами и массивами, способными хранить цветовую информацию,
что может использоваться для внедрения HDRI-технологий в игры и иные 3D-приложения
реального времени. Точнее сказать,
уже используется, в чем можно убедиться,
запустив одну из демонстрационных программ, доступных по адресам
www2.ati.com/misc/demos/ATI-9700-DebevecRNL-Demo-v1.1.exe
и
www.daionet.gr.jp/~masa/archives/rthdribl_1_2.zip
(размер каждого файла -- около 20 MB).
Формат HDRI будет поддерживаться не только 3D-, но и 2D-приложениями, что приведет
к появлению каких-то принципиально новых, еще неведомых нам разновидностей инструментов
редактирования и фильтров. Собственно, первый двухмерный HDRI-редактор уже представлен
на рынке: это Photogenics HDR компании
Idruna
Software, предлагающий пользователю, помимо привычного набора функций, некоторые
приятные неожиданности вроде "пиротехнических эффектов", воспроизводящих
реальную яркость пламени.
Итак, HDRI -- наиболее совершенная из известных человечеству технологий отражения
реальности, обладающая неоспоримыми качественными преимуществами перед фотографией.
Не странно ли в связи с этим то, что, желая обозначить наивысшую степень реалистичности
и точности, мы по-прежнему пользуемся словосочетаниями "фотореалистичная
графика" и "фотографическая точность"?
Непрерывная цепь усовершенствований техники запечатления трехмерной реальности
на плоском изображении является одной из составляющих процесса развития фотографии.
Начальным звеном данной цепи была наскальная живопись, а завершающим, возможно,
станет утверждение HDRI в качестве графического стандарта.
Полноохватные текстуры могут выглядеть по-разному,
однако они несут одинаковую информацию и при необходимости допустимо их
преобразование из одного представления в другое
|
Самый распространенный
класс полноохватных текстур -- птолемеевы развертки, т. е. панорамные
изображения с 360-градусным охватом по горизонтали и 180-градусным
по вертикали. Стандартное соотношение сторон таких разверток -- 2:1
|
|
Кубические проекции
строятся из квадратных видов, снятых в шести взаимно перпендикулярных
направлениях (включая верх и низ), представленных набором отдельных
файлов либо в виде крестообразной развертки
|
|
Наиболее часто используемая
разновидность полярных проекций -- отражение на зеркальном шаре
|
|
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365