Д.т.н. Романюк О.Н.,
Поліщук О.В., Ковалюк О.М.
Вінницький національний технічний університет
Аналіз HDRi технології в комп’ютерній графіці
Кожна
людина прагне до максимально точної передачі інформації, але іноді це зробити
практично неможливо, тому що комп'ютерні монітори по-різному передають кольори для одного і
того ж зображення. Наприклад, у реальному житті світло може бути яскравим, дуже яскравим,
дуже-дуже яскравим і так далі. Для будь-якого монітора існує межа, яскравіше
якого він не може світити. Те ж саме можна сказати і про нижній поріг
чутливості пристрою – на екрані може показуватися темний об’єкт, однак насправді в цьому обєкті повинна була б бути присутня мізерна частка яскравості, яка не
враховується пристроєм з причини обмеженості динамічного діапазону монітора.
Технологія
HDR – зображень була створена саме для того,
щоб «сховати» у фотографії дані, які не може передати монітор. Зображення такого
формату називаються HDRI (High Dynamic Range Images). Ця технологія зберігає набагато більше інформації про передачу кольору, ніж файли в графічних форматах, і її використовують як альтернативу таким
поширеним колірним моделям, як RGB для моніторів або CMYK для
друку. Адже
всі існуючі до HDR представлення кольорів були дуже обмежені, а
дискретна природа таких уявлень при реалізації на комп'ютерах породжувала
безліч колізій і артефактів. Наприклад, адитивна апаратно – залежна модель RGB, яка
застосовується на багатьох самосвітних пристроях відображення (комп'ютерних
моніторах або телевізорах), у 8- бітному поданні кодує кожний з основних
кольорів у вигляді 256 цілочисельних градацій по яскравості (від 0 до 255), що
абсолютно незрівнянно з чутливістю людського ока, хоча вважається, що 16,7
млн відтінків (256x256x256) цілком достатньо для передачі фотореалістичних
зображень. Згідно колірної моделі RGB чорний колір представляється як (0, 0, 0),
тобто повна відсутність випромінювання по кожному з основних кольорів, а білий
– як (255, 255, 255), тобто максимальна інтенсивність випромінювання кожного з
трьох основних кольорів.
Таким чином, будь-який сучасний пристрій
фіксації й відображення реальності досить далеко від людського сприйняття і
технологія HDR додає нашим цифровим знімкам фотореалізму – це всього лише
новий формат опису зображень для відображення і виводу на комп'ютерних
пристроях.
HDRi має такі переваги: по-перше, намагається представити
яскравість і колір зображення реальними фізичними (радіометричними і
фотометричними) величинами, або лінійно пропорційним їм значенням, а не
«фіктивними» числами (як у звичній RGB – моделі), по-друге, HDR - формат має
не цілочисельне, а дійсне уявлення величин з високою точністю, по-третє , HDR- формат не залежить від
апаратного уявлення, як всі існуючі нині колірні моделі, що дозволяє
використовувати його для архівування і зберігання зображень в розрахунку на
прогрес в області візуалізації і більш глибоку обробку. Крім того, апаратно-незалежний
HDR - опис
повністю поділяє такі поняття, як числове представлення інформації про
зображення в рамках колірної моделі і відображення цього подання на тому чи
іншому пристрої виводу, що може спростити процес управління кольором і вибір гама
- корекції при перенесенні зображень між різними пристроями, також редагування
зображень чи корекцію кольору знімків краще виконувати з великою глибиною
кольору, яку надає HDR - формат, щоб отримати більш коректні результати і домогтися більшої
гнучкості при використанні будь-яких інструментів.
В даний час, існує мало ефективних
методів візуалізації HDR - зображення на реальних пристроях, так як для цього необхідні дуже
складні алгоритми так званої тональної компресії (Tone Mapping), які повинні конвертувати
широкий динамічний діапазон HDR - зображення у вузький динамічний діапазон,
відображається сучасними пристроями виводу. Виконати таке
перетворення без втрат неможливо, а оскільки в даний час немає математичної
моделі, яка досить повно і коректно описує зір людини, то немає і універсального
алгоритму тональної компресії, що гарантовано дає якісні результати візуалізації.
Але відомо, що людина здатна бачити набагато більший діапазон ніж мають в собі моделі RGB (256:1 або 100:1 cd/m2), особливо при малій інтенсивності світла, а ця можель дуже обмежена в таких випадках. Динамічний діапазон зору людини від 10-6 до 108 cd/m2, тобто
100000000000000:1. Одночасно весь діапазон ми бачити не можемо, але діапазон, видимий
оком в кожен момент часу, приблизно дорівнює 10000:1. Зір пристосовується до
значень з іншої частини діапазону освітленості поступово , за допомогою так
званої адаптації , яку легко описати ситуацією з вимиканням світла в кімнаті в
темний час доби - спочатку очі бачать дуже мало, але з часом адаптуються до
нових умов освітлення і бачать уже набагато більше. Те ж саме трапляється і при
зворотній зміні темного середовища на світле.
Суть подання HDR у
використанні значень інтенсивності і кольору в реальних фізичних величинах, або лінійно
пропорційних і в тому, щоб використовувати не цілі числа, а числа з плаваючою
комою з великою точністю (наприклад, 16 або 32 біта). Це зніме обмеження моделі
RGB, а динамічний діапазон зображення серйозно збільшиться. Потім HDR зображення можна вивести на будь-якому засобі
відображення (тому ж RGB моніторі), з максимально можливою якістю для нього за допомогою спеціальних
алгоритмів.
HDR рендеринг дозволяє змінювати
експозицію вже після того, як ми відрендерили зображення, дає можливість
імітувати ефект адаптації людського зору, дозволяє виконувати фізично правильне
освітлення, а також є уніфікованим рішенням для застосування ефектів
постобробки (glare, flares, bloom, motion blur).
Області застосування
HDR дисплеїв стрімко розвиваються, це монітори для монтажу кіно- і
відеоматеріалів, і для комп’ютерних ігор, а також у медичному обладнанні.
Література
1. Татарников О. Введения в HDR [Электронный ресурс] / Татарников О. // Компьютер пресс. Режим доступу:
http://www.compress.ru/article.aspx?id=19035&iid=883
2. HDR [Электронный
ресурс] // x3dhelp. Режим доступу:
http://x3dhelp.narod.ru/glossary/hdr.htm
3. Самарин А. технологій и применение HDR дисплеев
[Электронный
ресурс] / Самарин А. // Компоненты и технологии. Режим доступу: