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— IBL und HDRI: HDRI für IBL, HDRI und Gamma —

Ein HDRI erstellen

Konventionelle Bilder haben für jede der Farben Rot, Grün und Blau eine Dynamik von 1:256 – jedenfalls für 16 Millionen Farben, was zur Zeit das ist, was ein Computer Bildschirm anzeigen kann. Bilder mit einem hohen Dynamikbereich (HDRI) können für jede Farbe bis zu 1:4 Milliarden speichern.

Um ein HDRI zu erstellen, muss die selbe Ansicht mehrmals mit verschiedenen Blendeneinstellungen und/oder Expositionszeiten aufgenommen werden. Die mit kleiner Blende und kurzer Expositionszeit aufgenommene Aufnahme zeigt die hellen Anteile im richtigen Licht, die dunkleren werden schwarz abgebildet. Jene mit großer Blende und langer Belichtungszeit haben die hellen Bildanteile hoffnungslos überbelichtet, dafür die dunklen Anteile gut ausgeleuchtet. Das Bild soll den Zusammenhang aufzeigen.

exp

Die einzelnen unter- und überbelichteten Bilder werden mit einem speziellen Programm zu einem HDRI kombiniert, welches nun den ganzen Dynamikbereich aufweist. Soll die Sonne auf der Aufnahme abgebildet werden, muss mit der kleinsten Blende und der kürzesten Expositionszeit begonnen werden.

Die Öffnung um eine volle Blendenstufe oder die Verdoppelung der Belichtungszeit verdoppelt das Licht. Für die Aufnahmen der Serie kann man normalerweise das Licht vervierfachen. Das heißt 2 Blendenstufen oder zwei Belichtungsstufen oder je eine Blenden- und eine Belichtungsstufe.

Soll mit einem Raytracing Programm ein HDRI erstellt werden, muss man die Szene mehrmals verschieden stark ausgeleuchtet rendern. Dabei ist wichtig zu wissen, dass der Wert der Intensität (Stärke) in Bryce die Lichtstärke linear ändert. Das bedeutet, dass wenn bei einem Leuchtkörper, die Intensität verdoppelt wird, von diesem auch doppelt so viel Licht abgestrahlt wird (25 - 50 - 100 - 200 - …).

Leider entspricht das alles nicht der ganzen Wahrheit.
Digitale Fotokameras, die mit einem CCD Chip ausgerüstet sind, nehmen das Licht linear auf, speichern es aber nicht linear ab, um die Lichtempfindlichkeit von chemischen Film zu simulieren. Bei den mit einem CMOS Chip ausgerüsteten Kamera ist das nicht anders, obwohl die Lichtwerte logarithmisch aufgenommen werden. Auch da wird bei der Speicherung ein konventioneller Film emuliert.

Die beiden Kurven in der Grafik, die von links oben nach rechts unten verlaufen, zeigen, was man erwarten würde und was man tatsächlich erhält.

HDRI Programme «wissen» das bereits und kombinieren die Bilder einer Serie mit einem Gamma von 2.2, wenn man nichts anderes vereinbart. Bei manchen Programmen kann die tatsächliche Kamerakurve ermittelt und berücksichtigt werden.

Um den Lichtwert zu berechnen, potenziert man den Pixelwert mit dem Gammawert.
Beispiel: Pixelwert 92, Gamma 2.2, Lichtwert = 92^2.2 = 20'909.

Gamma

Die in der Grafik gezeigten Werte wurden wie folgt ermittelt. Mit der Digitalkamera wurde mit verschiedenen Belichtungszeiten ein weißes Blatt Papier fotografiert. Diese Fotos wurden in Bryce als Material auf eine 2D-Fläche aufgetragen, die sich in einem total schwarzen Würfel als Leinwand befand. Die Intensität eines Lichtkörpers wurde so eingestellt, dass die «Leinwand» die maximale Helligkeit erhielt.

Die Kurven von rechts oben nach links unten sind die mit Bryce ermittelten Werte, um verschieden helle graue Flächen auszuleuchten. Diese Versuche weisen keine wissenschaftliche Genauigkeit auf, sind aber genügend um zu zeigen, wie sich Kamera und Bryce Leuchten verhalten.


Fotobeispiel

Unten eine Serie Aufnahmen einer Spiegelkugel mittels einer Digitalkamera. Wie man sieht, wurde die Blende nicht verändert und die Expositionszeit bei jeder Aufnahme verdoppelt.

1/4000 s   1/2000 s   1/1000 s   1/0500 s
f 8 - 1/4000 s   f 8 - 1/2000 s   f 8 - 1/1000 s   f 8 - 1/5000 s
 
1/4000 s   1/2000 s   1/1000 s   1/0500 s
f 8 - 1/250 s   f 8 - 1/125 s   f 8 - 1/60 s   f 8 - 1/30 s

Als HDRI hat dieses Bild eine Dynamik von 1:3'667 und eine Strahlkraft (Radiosity) von 59 bei 8 Blendenstufen.


Renderbeispiel

Als Beispiel wurde «Dragonland» herangezogen. An die Stelle der Kamera trat eine Spiegelkugel.

DL 1   DL 2   DL 3
Zweite Sonne: -40,
Himmelsfarbe: 25/3/38,
Dunst: schwarz;
Blende: 32,
Belichtung: 1/4000 s.
  Zweite Sonne: -10,
Himmelsfarbe: 50/64/76,
Dunst: grau;
Blende: 16,
Belichtung: 1/1000 s.
  Zweite Sonne: 0,
Himmelsfarbe: 63/127/155,
Dunst: grau;
Blende: 8,
Belichtung: 1/250 s.
 
DL 4   DL 5   DL 6
Zweite Sonne: +10,
Himmelsfarbe: 63/127/155,
Dunst: weiß;
Blende: 4,
Belichtung: 1/60 s.
  Zweite Sonne: +20,
Himmelsfarbe: 150/19/255,
Dunst: weiß;
Blende: 2,
Belichtung: 1/30 s.
  Zweite Sonne: +40,
Himmelsfarbe: 19/255/255,
Dunst: weiß;
Blende: 2,
Belichtung: 1/8.s

Die angegebenen Blende- und Belichtungswerte wurden in das HDRI Programm eingegeben und die Bilder ohne Belichtungskorrektur berechnet. Das HDRI hat eine Dynamik von 1:1'782'312 und eine Leuchtkraft (Radiosity) von 128'000 bei 17 Blendenstufen.


Schummelbeispiel

Man kann natürlich auch mogeln. Die Himmelskuppel wurde nur einmal gerendert und im Bildbearbeitungsprogramm wurden Kontrast, Helligkeit und Gamma verschoben. Dabei entstanden diese fünf Bilder einer Spiegelkugel.

Dom 1     Dom 1     Dom 1     Dom 1     Dom 1
Gamma: 0.5
Helligkeit: 255
Blende: 32,
Belichtung: 1/4000s.
    Gamma: 1.0
Helligkeit: 255
Blende: 16,
Belichtung: 1/1000s.
    Gamma: 2.0
Helligkeit: 255
Blende: 8,
Belichtung: 1/250s. 
    Gamma: 4.0
Helligkeit: 128
Blende: 4,
Belichtung: 1/60s.  
    Gamma: 4.0
Helligkeit: 255
Blende: 2,
Belichtung: 1/30s.

Die angegebenen Blende- und Belichtungswerte wurden in das HDRI Programm eingegeben und die Bilder ohne Belichtungskorrektur berechnet. Das HDRI hat eine Dynamik von 1:135'510 und eine Leuchtkraft (Radiosity) von 34'099 bei 15 Blendenstufen.


Eichkurven

Als Daumenregel kann man für mit einer Digitalkamera gemachte Aufnahmen von einem Gamma von 2.2 ausgehen. Bryce Leuchten haben ein Gamma von 1. Die Grafik «Belichtungen» oben wurde empirisch für Grauwerte ermittelt. Will man es genauer, kann die Gammakurve der Kamera ermittelt werden. Das Programm HDRShop kann das. Die Prozedur bietet sich natürlich auch an, jene von Bryce-Leuchten zu bestimmen.

Gamma Kurve einer Digitalkamera.
Mit einer Nikon D50 Kamera wurde eine Serie von 6 Aufnahmen gemacht. Jedes Bild war äquivalent um eine Blendenstufe verschieden. Die Bilderserie wurde in HDRShop geladen und damit die Kamera Eichkurve bestimmt (10'000 Iterationen, geglättet).

D50 Bild und Kurve

Eichkurve für die Kamera, welcher das Bild links als eine Serie von sechs verschieden belichteter Bilder zu Grunde liegt. Die Kurve ist nicht linear.

Gamma Kurve einer Bryce Leuchte, welche eine Fotografie anleuchtet.
Das oben gezeigte Bild wurde in Bryce als Material auf eine 2D-Fläche aufgetragen. Die 2D-Fläche wurde in eine schwarze Kugel gestellt und von der Bryce-Kamera aufgenomen. An der gleichen Stelle, wie die Kamera, wurde ein Rundstrahler mit linearem Lichtabfall plaziert. Die Stärke der Intensität wurde in der Sequenz 4 - 8 - 16 - 32 - 64 - 128 erhöht und mit dieser Beleuchtung jeweils ein Bild gerendert. Die Bilderserie wurde in HDRShop geladen und damit die Eichkurve des Rundstrahlers bestimmt.

Bryce Bild und Kurve

Eichkurve für den Rundstrahler, welcher das Bild links als eine Serie von sechs verschieden stark angeleuchteten Bildern vor einer schwarzen Kugel zu Grunde liegt. Die Kurve ist praktisch linear.

Gamma Kurve einer Bryce Leuchte, welche ein synthetisches Bild anleuchtet
Um sicher zu sein, dass vom Bild keine Gamma Fehler das Resultat verfälschen wurde das selbe Experiment mit einem in einer Grafikanwendung erzeugten Bildes wiederholt.

Bryce Bild und Kurve

Eichkurve für den Rundstrahler, welcher das Bild links< als eine Serie von sechs verschieden stark angeleuchteten Rendern vor einer schwarzen Kugel zu Grunde liegt. Die Kurve ist absolut linear.

Gamma korrigierte Kurve einer Bryce Leuchte.
Hier wurde in den Render Optionen die Gammakorrektur angewählt. Damit verhält sich die Leuchte immer noch gleich, das gerenderte Bild ist aber Gamma-Korrigiert und das sieht man der Eichkurve auch an.

Bryce Bild und Gamma Kurve

Eichkurve für den Rundstrahler, welcher das Bild links als eine Serie von sechs verschieden stark angeleuchteten Rendern vor einer schwarzen Kugel zu Grunde liegt; mnit Gammakorrektur!

Ist diese Arbeit notwendig?
Eine Eichkurve für eine Kamera wird nur benötigt, falls man von einer Aufnahmeserie HDRI Bilder zusammenstellen und die Lichtwerte messen möchte; Beispiel Astroaufnahmen von Sternen und Nebeln. Soll das HDRI als Panorama in einem Raytracing Programm als IBL Verwendung finden, spielt die Genauigkeit keine wesentliche Rolle. Tatsächlich kommt man zu einem größeren Dynamikbereich, wenn man eine gerenderte Bilderserie mit einem Gammawert von 2.2 zu einem HDRI kombiniert.

 
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