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High Dynamic Range Fotografie

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Einleitung

Der Dynamikbereich digitaler Spiegelreflexkameras (DSLR) ist auf ca. 9-10 Blendenstufen begrenzt. Auch analoger Film weist einen limitierten Dynamikbereich auf, der sich in ähnlichen Regionen bewegt, bei Farbnegativfilm sind es in etwa 8-9 Blenden, Farbdiafilm bewegt sich um 6-7 Blendenstufen und Schwarzweissfilme schaffen bis über 10 Blendenstufen (bis zu 13-14 Blendenstufen). Die oben gemachte Angabe für die DSLR gilt nur unter der Annahme, dass man im RAW Format aufnimmt und die Bilder anschliessend optimal im RAW Konverter behandelt. Werden die Dateien im einem anderen Format wie z.B. jpeg aufgenommen weisen diese einen deutlich geringeren Dynamikumfang auf.

Refinery 2955 Die Raffinerie in Schwechat: Die starken, lokalen Lichtquellen können nur mit HDR sauber abgebildet werden.

Der Dynamikumfang verschiedener Objekte ist natürlich sehr unterschiedlich. Eine Landschaft unter bedecktem Himmel weist einen Dynamikumfang auf der meist mit einer DSLR bewältigt werden kann. Sobald aber die Sonne ins Spiel kommt und harte Schatten in die beleuchtete Landschaft wirft wird der Dynamikbereich der Szene deutlich erhöht. Will man nun auch noch den Himmel mit hellen Wolken oder sogar die Sonne selbst ins Bild nehmen und weist das Bild gleichzeitig Schattenpartien auf, so steigt der Dynamikbereich weiter und kann schnell den Bereich einer DSLR um mehrere Blendenstufen übersteigen. Der gesamte Dynamikbereich kann mit der HDR (High Dynamik Range) Technik bewältigt werden. Entweder man verwendet dazu spezielle Kameras die einen hohen Dynamikbereich abdecken können oder, und nur darauf soll in diesem Artikel eingegangen werden, man verwendet eine normale DSLR, machte mehrere Aufnahmen des betreffenden Objektes und baut die Aufnahmen später in einem dafür geeigneten Programm zu einer HDR Aufnahme zusammen. Anschliessend wandelt man die HDR Aufnahme in einem Prozess der Tone Mapping genannte wird wieder in ein LDR (Low Dynamic Range) Bild um, damit man es auf einem normalen Bildschirm ansehen kann oder um es auszudrucken. Ein Bildschirm weisst nämlich ebenfalls einen begrenzten Dynamikbereich auf, ein HDR Bild kann deswegen nicht direkt auf einem Bildschirm angezeigt werden. Es gibt zwar spezielle HDR Bildschirme (z.B. von Brightside), diese sind aber noch sehr teuer. Das gleiche gilt für den Druck mit der Einschränkung, dass hier der Dynamikbereich noch kleiner ist, am kleinsten bei matten Papieren. Während man auf Papieren mit höchstem Dynamikumfang noch ca. 7 Blendenstufen abdecken kann sind es bei mattem Papier noch 5-6 Blendenstufen. Alternativ lässt sich der hohe Dynamikbereich bewältigen, indem man ebenfalls mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Belichtung macht und diese anschliessend mit einem Exposure Blending Verfahren verarbeitet. Ich werde auch diese Technik in diesem Artikel kurz beleuchten.

Um auf das Objekt zurückzukommen: sehr nützlich ist die HDR Technik auch bei künstlich beleuchteten Szenen, z.B. Nachtaufnahmen. Hier befinden sich viele helle Lichtpunkte in der Szene die relativ kleine Bereiche stark beleuchten. Dazwischen nimmt die Beleuchtungsstärke rapide ab, die Szene weist dadurch auf kleinstem Raum relativ hohe Helligkeitsschwankungen auf. Da oft die Glühmittel selbst auch abgebildet werden, ist der Dynamikbereich riesig. Gut durchzeichnete Schatten erhält man mit der HDR Technik, ohne dass die Lichter ausbrennen. Das Problem ausgewaschener Lichter wird durch die Reaktionskurve einer DSLR noch verstärkt. Während ein analoger Film eine für Ihn typisch S Kurve aufweist, ist die Reaktionskurve einer DSLR sehr linear über praktisch den gesamten Bereich. Die S Kurve des Films ist dagegen nur im mittleren Bereich relativ linear. Bei grossen Lichtstärken nimmt die Steilheit der Kurve ab. Zusätzliches Licht führt also nur noch zu einer kleinen Zunahme der Belichtung auf dem Film. Dadurch wird ein sanfter Übergang zwischen hellen und absolut weissen Bereichen erzeugt. Bei einer DSLR ist dieser sanfte Übergang nicht vorhanden. Hier ist der Übergang zum total weissen Bereich abrupt, was einen sehr störenden Eindruck im Bild hinterlässt. Darum sollte man beim Einsatz einer DSLR verhindern, dass die Lichter ausbrennen bzw. dass das Histogramm auf der rechten Seite abgeschnitten wird. Gleichzeitig müssen aber dunkle, verrauschten Bereichen verhindert werden, d.h. die Messwerte sollten so weit rechts wie möglich im Histogramm platziert werden aber wie gesagt ohne dass es rechts abgeschnitten wird. Wendet man diese Technik bei einer Nachtaufnahme an, so bekommt man mit grosser Sicherheit sehr dunkle Bilder bei denen nur die Lichtquellen optimal abgebildet werden.

Die HDR Technik kann hier Abhilfe schaffen: Man macht also eine Belichtung für die Lichter und dann weitere, länger belichtetet für die Schattenbereiche. Bei diesen Aufnahmen werden die Lichter dann automatisch überbelichtet und verletzten die oben beschrieben Regel. Da man aber schon eine Aufnahme für die Lichter gemacht hat werden im später zusammengesetzten HDR Bild die hellen Bereiche aus genau diesem Bild für die Abbildung der Lampen und anderer heller Bereiche verwendet.

Refinery 02951 Raffinerie in Schwechat: HDR hat hier einerseits die Schattendurchzeichnung im Turm vorne wie auch die Durchzeichnung der hellen Stellen, erzeugt durch die Lampen, ermöglicht.

Die Aufnahme

Das Verfahren, aus einer Anzahl unterschiedlich belichteter Aufnahmen eine Aufnahme mit hohem Dynamikbereich zu kreieren hat einen grossen Nachteil, den alle Multi Shot Verfahren haben. Das Objekt sollte sich zwischen den Aufnahmen möglichst nicht verändern damit die Aufnahmen optimal übereinander gelegt werden können. Bewegungen im Bild sind zu vermeiden. Auch wenn einige HDR Programme fähig sind kleinere Bewegungen zu detektieren und zu eliminieren so gibt es doch immer wieder Probleme mit solchen Bildreihen. Es ist also darauf zu achten möglichst jegliche Veränderung abzuwenden um Probleme beim späteren Zusammenfügen zu vermeiden. Meine ersten Erfahrungen habe ich ein wenig blauäugig mit Aufnahmen im lichtdurchfluteten Wald gemacht. Mir war der hohe Kontrastumfang solcher Szenen immer ein Dorn im Auge und ich wollte schon lange einmal eine gut durchzeichnete Aufnahme im sonnendurchfluteten Wald machen. Als ich meinen ersten HDR Versuch unternahm schüttelte ein starker Wind die Bäume und das Blätterdach. Später konnte ich mit praktisch keiner Bildreihe gute HDR Aufnahmen zusammenfügen da die Blattbewegungen vom Programm nicht retuschiert werden konnten. Werden z.B. bei der Panoramafotografie noch gewisse Bewegungen in den einzelnen Aufnahmen zugelassen, und zwar so, dass die Überlappungsbereiche der einzelnen Aufnahmen nicht von den bewegten Objekten tangiert werde, so ist es dennoch möglich ein Panorama ideal zusammenzufügen. Dieser Umstand hat man ganz einfach dem Fakt zu verdanken das nur gewisse Bildteile überlagert werden. Bei einem HDR Bild ist die Sache aber viel kritischer, da hier das gesamte Bild überlagert wird.

Die Kamera wird auf das aufzunehmende Objekt ausgerichtet. Optimalerweise verwendet man ein Stativ, um alle Aufnahmen genau aufeinander auszurichten. Nun misst man mit dem Belichtungsmesser die Szene und macht eine Aufnahme. Bei dieser ersten Aufnahme ist es wichtig, das die Lichter voll abgedeckt werden, das heisst die Lichter dürfen auf keinen Fall überstrahlen und das Histogramm dementsprechend rechts abgeschnitten werden (siehe erste Aufnahme in der Belichtungsreihe unten). Bei kleinen Lichtquellen ist der Effekt auf dem Histogramm nicht immer ganz einfach zu beurteilen. Wenn die hellen Stellen aber sehr klein werden ist es auch immer unwichtiger, sie gut zu durchzeichnen weil sie im Foto dann als Spitzlichter aufgefasst werden. Es sollen aber auf keinen Fall ausgefressene Flächen entstehen. Im Zweifelsfall belichtet man eher unter als über. Nun folgen Aufnahmen mit längeren Belichtungszeiten. Man verlängert nun jede weitere Belichtungszeit um zwei Blendenstufen (siehe abgebildete Belichtungsreihe unten). Dabei ist zu beachten, dass man nur die Belichtungszeit und nicht die Blende verstellt, da eine Veränderung des Blendenwertes automatisch auch eine Veränderung des Tiefenschärfebereiches zur Folge hat. Dadurch wären die Fotos aber nicht mehr identisch und könnten von der HDR Software später nicht optimal aufeinander gelegt werden. Man verlängert nun die Belichtungszeit jeweils um zwei Blendenwerte (vervierfacht also die Belichtungszeit) und zwar so lange, bis im Histogramm die dunkelsten Stellen im Foto in der Mitte zu liegen zu kommen. Ich habe am Anfang den Fehler gemacht, dass ich die Reihe abgebrochen habe sobald das Histogramm links nicht mehr abgeschnitten war. Dadurch bekommt man aber einen relativ hohen Rauschanteil in den Schattenbereichen. Das wird sehr einfach verhindert indem man noch ein bis zwei längere Belichtungen nachschiebt. Wie man sich schon denken kann werden durch den Belichtungsprozess die Zeiten sehr lange, und zwar bei n Belichtungen um den Faktor 2 hoch (n-1). Macht man also 5 Belichtungen, wird die längste Belichtungszeit um den Faktor 2 hoch 4, also 16 mal länger, als die erste Belichtung. Eine Reihe sieht z.B. folgendermassen aus:

  • 1/60 Sekunde, Blende 11
  • 1/15 Sekunde, Blende 11
  • 1/4 Sekunde, Blende 11
  • 1 Sekunde, Blende 11
  • 4 Sekunden , Blende 11
  • Die entsprechende Belichtungsreihe sieht folgendermassen aus:

    Belichtinh 01 Histogramm 01 Die erste Belichtung in der Reihe: Nur sehr wenige Werte sind rechts abgeschnitten (Spitzlichter).
    Bei ISO 100 wurde bei Blende 11 mit 1/60stel belichtet.
    Belichtinh 02 Histogramm 02 Die zweite Belichtung wurde um zwei Stufen länger belichtet.
    Bei ISO 100 wurde bei Blende 11 mit 1/15tel Sekunde belichtet.
    Belichtinh 03 Histogramm 03 Hier wurde wiederum um zwei Stufen länger belichtet. Bei normaler Schattenbeurteilung würde man hier abbrechen.
    Bei ISO 100 wurde bei Blende 11 mit 1/4tel Sekunde belichtet.
    Belichtinh 04 Histogramm 04 Die Schatten sind nun vollständig durchzeichnet.
    Bei ISO 100 wurde bei Blende 11 mit 1Sekunde belichtet.
    Belichtinh 05 Histogramm 05 Nun hat man praktisch alle Schattenpartien in der rechten Hälfte des Hsitogramms, man kann die Reihe abbrechen.
    Bei ISO 100 wurde bei Blende 11 mit 4 Sekunden belichtet.

    Die einzelnen Belichtungen wurden in Photomatix mit Detail Enhancer (dazu weiter unten mehr) überlagert. Das Ergebnis sieht folgendermassen aus:

    HDR Detail Enhancer Das zusammengesetzte und mit Detail Enhancer gemappte Bild zeigt den Himmel und gleichzeitig Details im inneren des Raumes

    Obwohl man mit einer komfortablen Belichtungszeit angefangen hat, endet man bei einer sehr langen Belichtungszeit. Natürlich könnte man statt ISO 100 ISO 400 verwenden und so die Belichtungszeiten viermal kürzer halten. In diesem Fall wäre die längste Belichtungszeit aber immer noch eine Sekunde. Es ist also am besten, die ersten Erfahrungen mit einem Stativ zu machen. Natürlich kann man den ISO Wert der Kamera entsprechend verändern damit man auch grösserer Reihen aus der Hand belichten kann, man sollte den ISO Wert aber für eine ganze Reihe konstant halten.

    Mit viel Rechnerei ist es möglich die optimale erste Belichtungszeit zu ermitteln. Dazu braucht man die Belichtungsreihenlänge die durch den Dynamikumfang der Szene gegeben ist und die eingesetzte Brennweite. Man kann ca. 1/Brennweite als Zeit noch aus der Hand halten, ein 100er Teleobjektiv also mit 1/125stel Sekunde. Verfügt das Objektiv oder die Kamera über einen Bildstabilisator kann die Zeit um 1 bis 2 Stufen verlängert werden (einige Berichte zeigen sogar Verlängerungen um drei Stufen, meine Tests haben aber niemals so hohe Werte ergeben, siehe den Artikel über das Stativ). Hat man die längste Zeit und die Anzahl Fotos in der Reihe berechnet, ermittelt man nach obigem Gesetz die kürzeste Belichtungszeit. Den ISO Wert passt man nun so an, dass die Lichter gut durchzeichnet werden. Das ist mir im Feld aber zu aufwendig: Ich stelle meine Kamera daher auf einen ISO Wert ein, von dem ich noch gute Ergebnisse erwarte, also z.B. ISO 400. Dann fange ich meine Reihe mit einer relativ komfortablen Zeit an, z.B. 1/500stel. Evtl. kann ich die Blende noch öffnen, falls meine Szene das erlaubt und ich mehr Licht brauche. Schaffe ich diese Zeit bei weitem nicht muss ich das Stativ zur Hand nehmen, die Reihe verkürzen oder ganz aufs HDR verzichten. Das ist vielleicht ein pragmatischer Weg, für mich aber OK. Sie müssen es ganz einfach selbst versuchen.

    Refinery 02860 Raffinerie in Schwechat: Besonders in kontrastreicehn Bildern mit vielen Details hilft HDR den Dynamikumfang zu bewältigen.

    Ich habe schon öfter gelesen, dass man das Automatic Exposure Bracketing (AEB), also die automatische Belichtungsreihenfunktion der Kamera für HDR verwenden kann. Nach mehreren Tests musste ich feststellen, dass der Prozess nur mässig zu kontrollieren ist. Wie oben erwähnt sollte die erste Belichtung ja so eingestellten werden, dass die Lichter nicht überstrahlen. Misst man aber automatisch, kann man weder die Lichter noch die Schatten im Histogramm genau begutachten (das Histogramm wird ja bei einer DSR erst später erstellt, der Live View ist hier eine Ausnahme) und muss die einzelnen Aufnahmen später noch einmal durchgehen um zu schauen ob die Belichtungsreihe beide Bereiche zur Genüge abdeckt. Fehlt eine Aufnahme an einem Ende muss die Kamera wieder aus dem AEB Mode in den manuellen Mode gesetzt und die eine Aufnahme manuell ausgelöst werden. Steht die Kamera auf dem Stativ, so ist das eigentlich kein Problem. Wurde die AEB Reihe aber aus der Hand geschossen, wird es nun schwierig denselben Ausschnitt wieder zu finden. Ich finde es bedeutend einfacher die Belichtung auf Manuell zu stellen, die Belichtungszeit für die Lichter zu ermitteln um dann die nächsten Aufnahmen durchzuführen. Ist kein Stativ zur Hand wird man die Reihe einfach aus der Hand schiessen ohne die Kamera vom Auge zu nehmen. Ohne das Histogramm zu sehen macht man einfach so lange Aufnahmen, bis man die Belichtungsreihe nicht mehr aus der Hand halten kann oder so lange, bis man meint den Dynamikbereich der Szene abgedeckt zu haben. Beim späteren Durchschauen der Reihe werden die überflüssigen Aufnahmen ganz einfach gelöscht. Das lästige Wechseln zwischen AEB und manuellem Modus entfällt. Ausserdem kann die Belichtungsreihenlänge frei gewählt werden und es ist nicht nötig nachträglich zusätzliche Aufnahmen zu schiessen.

    Andererseits ist es auf jeden Fall besser von einer Situation mit zu hohem Dynamikumfang mehrere Aufnahmen mit einem schnellen Bracketing aufzunehmen als ganz auf die Belichtungsreihe zu verzichten. Das AEB kann hier also einen guten ‚Bequemlichkeitskompromiss' darstellen. Einige Kameras zeigen bei aktiviertem AEB im Sucherfenster drei statt nur einen Strich für die Belichtung an. Die drei Striche stehen dann Stellvertretend für die drei Belichtungswerte, die die einzelnen Aufnahmen erhalten. Der linke Strich wird nun ganz einfach auf eine Normalbelichtung gesetzt, dann werden die beiden anderen Belichtungen automatisch doppelt und viermal so lange belichtet. Wer auf Nummer sicher gehen möchte (damit die Lichter nicht ausbrennen), setzte den Linken Strich auf -1, also eine Blende Unterbelichtung. Einige Kameramodelle erlauben die Wahl zwischen Blenden- und Verschlusszeitenänderung im AEB Modus. Hier stellt man natürlich die Verschlusszeitenänderung ein, damit die Blende wie oben erwähnt konstant bleibt. Ausserdem kann man oft wählen, in welcher Reihenfolge die AEB Serie durchgeführt wird. Eine Standerdeinstellung ist oft 0 / - / +, das heisst die erste Belichtung ist unkorrigiert, dann folgt die unterbelichtete und anschliessend die überbelichtete letzte Aufnahme. Für ein HDR ist es aber sinnvoller - / 0 / + zu wählen. Der Abstand sollte wie schon erwähnt bei 2 Blendenstufen liegen.

    Weiter unten werde ich noch auf die Möglichkeiten von AEB eingehen, bei der Aufnahme langsame Bewegungen einzufrieren. Hier kann AEB ebenfalls hilfreich sein und erfolgreich eingesetzt werden.

    Eine Belichtungsreihen muss sich nicht immer über eine grössere Anzahl Aufnahmen ausdehnen. Ein HDR Bild kann auch nur aus zwei oder drei Belichtungen zusammengesetzt werden. Immerhin kann man mit zwei Aufnahmen schon zwei Blendenstufen mehr abdecken, als der Sensor ohne HDR imstande wäre. Oder man möchte nur das Signal zu Rauschverhältnis in den Schatten verbessern ohne den Dynamikbereich stark anzuheben. Viele Aufnahmen leben ja gerade vom begrenzten Dynamikbereich. Man denke nur an Silhouetten. Es ist sicherlich nicht sinnvoll jedes Motiv mit HDR zu erschlagen, nur weil es technisch möglich ist. Wie jede Technik sollte auch HDR bewusst und nicht zu forciert eingesetzt werden.

    Neben dem eigentlichen HDR gibt es noch die Möglichkeiten mit den Bildern einer Belichtungsreihe ein Exposure Blending durchzuführen. Das Exposure Blending wird ebenfalls weiter unten behandelt. Man setzt Exposure Blending vor allem bei Aufnahmen mit nicht allzu grossem Dynamikumfang ein. Hier kann es sinnvoll sein die Schrittweite der Aufnahmen dem Dynamikumfang des Objektes anzupassen. Da Exposure Blending auch nicht so rauschanfällig ist, braucht man die Schatten nicht so extrem überzubelichtete wie dies HDR verlangt. Es kann aus diesen Gründen sinnvoll sein, z.B. mit Schritten von einer Blende zu arbeiten, besondere dann, wenn schon 3 Aufnahmen mit einem Blendenschritt Zwischenraum den gesamten Dynamikumfang des Bildes abdecken. Eine solche Reihe wird mit den untenstehenden Bildern dargestellt.

    Exposure Blending 1 Histogramm 01 Die erste Belichtun in der Reihe: Nur sehr wenige Werte sind rechts abgeschnitten (Spitzlichter).
    Exposure Blending 2 Histogramm 02 Die zweite Belichtung wurde um eine Stufen länger belichtet.
    Exposure Blending 3 Histogramm 03 Hier wurde wiederum um eine Stufe länger belichtet.
    Exposure Blending 4 Histogramm 04 Die Schatten sind nun voll durchzeichnet, die Reihe wird für das Exposure Blending abgebrochen. Bei HDR würde man noch zwei weitere Aufnahmen machen.

    Das mit Exposure Blending in Photomatix zusammengesetzte Bild sieht folgendermassen aus:

    Exposure Blending Mit dem Exposure Blending konnte die helle Lichtquelle gut durchzeichnet werden.

    Die Erzeugung des HDR Bildes

    Die einzelnen Aufnahmen werden nun per Software zu einem HDR Bild zusammengesetzt. Den Prozess kann man sich so vorstellen, dass ja nach Belichtung der Bilder verschiedene Partien für das finale HDR Bild verwendet werden, und zwar genau die, die eine ideale Belichtung erhalten haben. Die über und unterbelichteten Partien werden aus dem jeweiligen Bild entfernt und von nächsten über oder unterbelichteten Bild entnommen. Um die einzelnen Bilder zusammenzusetzen muss man die verschieden belichteten Pixel in den jeweiligen Aufnahmen miteinander vergleichbar machen. Das Problem besteht darin, das ein doppelt so heller Punkt nicht unbedingt im Bild die doppelte Belichtung erhält. Dies geschieht nur, wenn die Reaktionskurve der Kamera bzw des Sensors absolut linear ist. In allen anderen Fällen müssen die Punkte erst per Reaktionskurve der Kamera linearisiert werden bevor man die einzelnen Aufnahmen übereinander legen kann. Interessanter Weise scheint dieser Prozess nicht allzu kompliziert zu sein und die meisten Programme erledigen die HDR Generation fast vollständig automatisch. Bei einigen Programmen kann man zwar noch die Reaktionskurve wählen (wie zum Beispiel in Photomatix), manchmal sogar (wie z.B. in fdr Tools) wie die Bilder genau zusammengesetzt werden sollen. Photoshop wiederum braucht überhaupt keine Angaben um das HDR zu erzeugen, zumindest was die Reaktionskurve anbelangt. Die Belichtungsinformation muss aber für die einzelnen Aufnahmen vorhanden sein, sonst kann das Programm ja nicht wissen, wie die einzelnen Aufnahmen belichtet wurden (es könnte höchstens eine Belichtung schätzen, was natürlich suboptimal ist). Die Belichtungsangaben werden den EXIF Daten, die automatisch von der Kamera bei der Bilderzeugung generiert und dem Bild angefügt werden, entnommen. Fehlen die Daten in der EXIF Datei, wird automatisch ein Dialog angezeigt in dem man die Belichtungsangaben für die einzelnen Aufnahmen eintragen muss.

    Die oben beschriebene Vorgehensweise setzt die Verwendung von RAW Dateien voraus. Damit Programme mit RAW Dateien zu Recht kommen, brauchen sie einen RAW Konverter. Das ist bei Photoshop der Adobe Camera Raw Konverter (ACR), andere Programme verwenden die freeware dcraw als RAW Konverter. Es gibt auch Programme, die nur das offene RAW Format DNG (Digital Negative von Adobe) verwenden und dies selbst konvertieren können. Man muss in diesem Fall das von der Kamera erzeugte RAW Format in das DNG Format mit Hilfe des Adobe DNG Konverters, der als Freeware erhältlich ist, umwandeln.

    Es zeigt sich aber, das nicht alle Programme bei der Verwendung von RAW Dateien optimale Ergebnisse erzeugen. So wird z.B. bei Photomatix oft der Umweg über einen externen RAW Konverter genommen. Man kann z.B. in Lightroom die einzelnen Aufnahmen konvertieren. Hier ist es auch ganz einfach, für alle Aufnahmen denselben Weissabgleich einzustellen. Über die Dateisynchronisierung wird z.B. der Weissabgleich aller Aufnahmen abgeglichen indem man bei der ersten Datei den Weissabgleich manuell einstellt, dann alle anderen Aufnahmen der Reihe anwählt und darauf achtet, dass die erste Aufnahme, bei der man den Weissabgleich verändert hat, selektiert ist und nun denselben synchronisiert. Danach exportiert man die Aufnahmen in einem 16bit TIF Format und verwendet diese Dateien für die HDR Generation.

    OMV Dunkler Tank im Vordrgrund, viele kleine Lichtquellen im Hintergrund: Ein Fall für HDR

    Aufnahmen ausrichten

    Für die HDR Generierung muss man die einzelnen Aufnahmen zueinander ausrichten. Nicht alle Programme sind fähig einen grossen Versatz zwischen den Bildern auszugleichen. Meist muss man wählen, ob die Aufnahmen mit einem Stativ gemacht werden oder ob sie aus der Hand geschossen wurden. Im ersten Fall wird nur ein Versatz in horizontaler oder vertikaler Richtung korrigiert während beim zweiten Fall auch Drehungen ausgeglichen werden. Der zweite Vorgang ist schon rechenintensiver. Alternativ zu den beiden Methoden kann man teilweise auch eine Ausrichtung aufgrund gleicher Bildteile veranlassen (matching features). Hier werden wie beim automatischen Stitching, das bei der Erstellung von Panoramabildern aus einzelnen Aufnahmen angewendet wird, gleiche Bildstellen in den einzelnen Bildern gesucht und übereinandergelegt. Je nach Aufnahmesituation erhält man mit der letzten Methode die besten Resultate. Auch bei Aufnahmen vom Stativ kann eine leichter Versatz generieren kann. Es ist daher ratsam auf jeden Fall die Bilder zueinander auszurichten. Wenn Ihr Rechner die Aufgabe relativ zügig abarbeitet, können Sie auch standardmässig die dritte Methode verwenden, sie ist aber bei Stativaufnahmen eigentlich unnötig.

    Die meisten Programme erlauben auch beim Dialog über das Ausrichten zu wählen, ob das Programm versuchen soll, Geisterbilder zu entfernen. Ich habe mit dieser Funktion unterschiedliche Erfahrungen gemacht. Das Programm versucht offensichtlich die Bilder miteinander zu vergleichen und Bilddaten, die nur bei einem Bild vorhanden sind, zu eliminieren. Darum muss man meist ein Bild wählen, welches als Ausgangsbasis für die Berechnungen dient. Wenn man nicht wählen kann wird wahrscheinlich das erste Bild als Referenz bestimmt. Es ist klar, dass bewegte Bildbereiche in anderen Aufnahmen nur dann analysiert werden können, wenn sie eine gute Belichtung erhalten haben. Bei einer Aufnahmereihe mit unterschiedlichen Belichtungen ist das natürlich nicht gegeben. Ist das bewegte Objekt auf mehreren Aufnahmen vorhanden und überschneiden sich die Gebiete der Bewegung auch noch, wird die Analyse sehr aufwendig. Es ist sicherlich hilfreich wenn mehrere Aufnahmen zur Verfügung stehen. Generell sollte man aber schon bei der Aufnahme (wie oben erwähnt) versuchen, Bewegungen im Bild zu vermeiden. Man wartet also entweder ab bis niemand mehr durch das Bild läuft oder bis z.B. der Wind nachgelassen hat. Eine andere Methode wäre, die Bildabfolge sehr schnell zu fotografieren, damit sich langsame Bewegungen im Bild nicht negativ auf das Gesamtbild auswirken. Eventuell kann das Programm auch langsame Bewegungen besser analysieren da gleiche Zonen näher zusammen sind und sich nicht so stark verändern. Die schnelle Bildfolge kann z.B. mit einem automatischen Exposure Bracketing und einem schnellen Motortransport erfolgen. Hier gelten natürlich die weiter oben beschriebenen Nachteile. Man kann aber alternativ eine erste Testreihe schiessen und dann Korrektur hinsichtlich der Ausgangsbelichtung und der Anzahl Aufnahmen vornehmen. Je schneller eine Kamera Belichtungsreihen schiesst, desto besser. Heute übliche Werte liegen um 3 Bilder pro Sekunde, einige teurere Modelle könne aber mehr also 3 mal so schnelle Bildfolgen erzeugen.

    Es sei noch darauf hingewiesen, dass man in Photoshop wählen muss, mit welcher Bittiefe die HDR Datei erzeugt werden soll. Nur wenn man 32 Bit wählt, wird wirklich ein HDR Bild generiert. In den beiden anderen Fällen (8 und 16 Bit) wird sofort das Tonemapping der HDR Erzeugung nachgeschaltet ohne die HDR Datei selbst abzuspeichern. Das kann man durchaus tun, möchte man keine HDR Version zwischenspeichern: Das Tonemapping soll aber erst im nächsten Kapitel besprochen werden.

    Refinery 2937 Bei solchen Aufnahmen stört ein etwas künstlicher Touch wenig, da ja auch die ganze Situation etwas Surreales mit sich bringt.

    HDR Format

    Das HDR Format muss in einem speziellen Format gespeichert werden, da z.B. jpeg nur 8, das Standard -TIFF nur 16 Bit Dateien unterstützt. Eine HDR Datei muss aber 32 Bit enthalten, um den riesigen Tonwertumfang aufzuzeichnen. Die Auswahl ist gross. Von den vielen Formaten sollte man entweder OpenEXR oder Radiance verwenden, da sie im Moment die weiteste Verbreitung haben und von praktisch allen Programmen gelesen werden können. Beide Formate erlauben auch eine relative gute Kompression und verwenden das Gleitkommaverfahren um die Daten optimal abzuspeichern.

    Tone Mapping

    Im Tone Mapping wird die HDR Datei wieder in eine 8Bit bzw. 16Bit Datei umgewandelt, die entweder auf einem Bildschirm direkt angeschaut oder von einem Drucker ausgegeben werden kann. 16Bit wählt man immer dann, wenn man noch nachträgliche Bearbeitungsschritte am Bild vornehmen muss. Das ist bei HDR Dateien praktisch immer der Fall, man sollte generell eine 16Bit Datei erzeugen. Hier steht ganz einfach mehr Informationen zur Verfügung, die sich manipulieren lassen, ohne dass in einzelnen Bildteilen ein sichtbarer Datenverlust vorkommt. 8Bit Dateien sind diesbezüglich weniger flexibel. Der Drucker selbst braucht nicht mehr als 8Bit, da der von ihm dargestellte Dynamikbereich gut mit einer Auflösung von 8Bit übertragen werden kann.

    Tone Mapping Operatoren (TMO)

    Für das Tone Mapping wird ein Tone Mapping Operator (TMO) verwendet. Verschiedene HDR Programme bieten meist eine Auswahl an TMOs an, es gibt aber grundsätzlich zwei Gruppen von TMOs: globale und lokale TMOs. Während globale TMOs die Operationen auf den gesamten Bildbereich gleichmässig anwenden versuchen lokale TMOs die einzelnen Bildbereiche getrennt zu beurteilen und zu behandeln. Die Ergebnisse der lokalen TMOs sind meist ansprechender wenn man die Paramter sachte verwendet. Bei Überregelung bekommen die Bilder ein künstliches Aussehen. Man muss sehr vorsichtig damit umgehen, da dieser HDR-Look schnell langweilig wirkt und alle Aufnahmen dadurch sehr ähnlich aussehen.

    Photoshop bietet zum Beispiel vier verschiedene TMOs an:

  • Belichtung und Gamma (globaler TMO)
  • Lichter komprimieren (globaler TMO)
  • Histogramm equivalisieren (globaler TMO)
  • lokale Anpassung (lokaler TMO)
  • Zum Tone Mapping Dialog kommt man bei Photoshop folgendermassen: Man wählt: Datei -> Automatisieren -> zu HDR zusammenfügen, wählt die Dateien aus und anschliessend 16Bit um direkt in den Tone Mapping Dialog zu gehen. Nun kann man sich das Histogramm anzeigen lassen und den TMO wählen. Sie müssen selbst ein wenig Erfahrung mit den einzelnen TMOs gewinnen. Die verschiedenen TMOs bieten auch verschiedene Regler an, auf die ich hier nicht weiter eingehen möchte. Am einfachsten sie spielen ein wenig mit den TMOs und deren Reglern um ein Gespür dafür zu bekommen, welcher TMO welche Effekte erzielt. Wollen sie nicht zu viel probieren, konzentrieren Sie sich auf den einzigen lokalen TMO ´lokale Anpassung´.

    Lokale TMOs habe zwar mehr Möglichkeiten und oft sind die Resultate aus ihnen besser als von globalen TMOs, dafür hat man aber teilweise mit Artefakten zu kämpfen, die durch zu starke lokale Anpassung entstehen. Es gibt vor allem drei Effekte:

  • Halos entstehen an Übergängen von dunklen zu hellen Bildbereichen und umgekehrt, also an grossen örtlichen Helligkeitssprüngen (steiler lokaler Kontrast) innerhalb eines Bildes. Wird zum Beispiel ein im Schatten befindliches Hausdach vor einem hellen Himmel aufgehellt, so kann es zu einem ‚Heiligenschein' um das Hausdach kommen. Um den Halo Effekt zu verringern kann man entweder die lokale Korrektur verringern oder man verwendet die Option Lichter glätten, falls diese vom Programm angeboten wird.
  • Refinery 2937 Fehler Lokaler TMOs: Halos (oben) und Tonwertumkehr (unten)
  • Tonwertumkehr entsteht dann, wenn ein lokales Gebiet stark aufgehellt wird und dann einzelne Grauwerte innerhalb dieses Bereiches heller werden als ehemals dunklere Grauwerte in helleren Gegenden. So bekommt z.B. eine beleuchtete Zone auf einmal Bereiche, die Grau werden und damit dunkler sind als Bereiche in ihrer direkten Umgebung. Es kann auch dazu kommen das Lampen auf einmal dunkler werden als die von ihnen beleuchteten Gebiete, was natürlich unsinnig ist.
  • Das Rauschen in dunklen Bereichen kann durch starkes Aufhellen verstärkt werden. Diesen Effekt kennt man ja schon von 'Lichter aufhellen' in Photoshop oder Lightroom. Wir die Methode zu stark angewendet kommt es zu verrauschten Bereiche. Vor der Anwendung des Filters war das Rauschen ganz einfach nicht sichtbar, da der Bereich realtiv dunkel abgebildet wurde. Hier ist also Vorsicht geboten.
  • Photomatix bietet ebenfalls einen lokalen (Detail Enhancer) und einen globalen (Tone Compressor) TMO.

    Exposure Blending

    Zusätzlich zu den beiden TMOs gibt es in Photomatix auch noch eine Variante die einzelnen Aufnahmen ineinander zu verschmelzen ohne ein HDR zu erzeugen. Dieses Verfahren wird 'Exposure Blending' genannt. Man hat auch bei diesem Verfahren wieder eine grosse Auswahl (dazu unten mehr) an Methoden. Ich habe mit Exposure Blending teilweise sehr gute Resultate erhalten, man muss aber auch hier ein wenig Erfahrung gewinnen um zu beurteilen welches Bild am besten mit welchem Verfahren behandelt werden soll. Das Exposure Blending kann man eigentlich auch in Photoshop manuell erzeugt, indem man die einzelnen Bilder in verschiedene Ebene lädt und dann mit Ebenenmasken versieht. Dies ist sozusagen die einfachste wenn auch aufwendigste Methode mit mehreren Bildern einer Szene einen hohen Dynamikbereich zu bewältigen. Photomatix kann diesen Prozess automatisieren und bietet noch verschiedene Methoden an, wie die Bilder ineinander verrechnet werden sollen.

    Es ist fraglich auf welches Verfahren man sich konzentrieren soll: auf die HDR Generiereung mit anschliessendem Tone Mapping mit einem TMO oder auf das Exposure Blending aus mehreren Aufnahmen ohne jemals eine HDR Aufnahme zu generieren. Dazu möchte ich ein Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren auflisten:

    HDR mit anschliessendem Tone Mapping

    Vorteile

  • Es gibt eine grosse Auswahl and Tone Mapping Operatoren (TMOs), die auf das HDR Bild angewendet werden können. Man kann für einen Bildtyp den idealen TMO verwenden.
  • Ein lokaler TMO kann ein Bild detailliert analysieren und so einen bildabhängigen Umgang mit den Daten ermitteln und durchführen.
  • Das HDR Bild kann als Zwischenschritt gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt mit einem anderen TMO in verschiedener Weise verarbeitet werden.
  • Je nach TMO den man verwendet und je nachdem wie stark die verschiedenen Einstellungen ausgeregelt werden kann man zwischen einem eher natürlichen und einem eher künstlichen Aussehen des Bildes wählen. Man hat also während des Tone Mappings viele Möglichkeiten in den Prozess regelnd einzugreifen.
  • Nachteile

  • Ein  lokaler TMO kann Artefakte wie Halos und Tonwertumkehr erzeugen.
  • Ein lokalre TMO kann das Rauschen in den dunklen Bildbereichen zuweilen stark verstärken.
  • Exposure Blending

    Vorteil

  • Die bei Tone Mapping auftretenden Artefakte wie Halos, Tonumkehr und andere entstehen beim Exposure Blending nicht.
  • Das Bild hat meist einen sehr natütlichen Ausdruck, ein künstliches Aussehen wie bei einem lokalen TMO tritt selten auf.
  • Das Rauschen wird nicht so stark verstärkt, wie das bei einem lokalen TMO der Fall ist. Hat man die Belichtungsreihe nicht so lange weitergeführt bis man die Schatten im mittleren Histogrammbereich platzieren konnte, so kann man mit einem Exposure Blending dennoch sehr gute Resultate erzielen. Das Rauschen alleine kann ein Grund sein, ein Exosure Blending statt ein Tone Mapping zu verwenden.
  • Nachteil

  • Es gibt keine Möglichkeiten die ein lokaler TMO bietet um verschiedene Bildbereiche unterschiedlich zu bearbeiten. Dieser Schritt kann erst anschliessend ausgeführt werden (z.B. mit Schatten aufhellen in Photoshop oder Lightroom).
  • Man muss immer wieder mit den originalen Dateien beginnen um das Exposure Blending zu starten. Man kann keinen Zwischenschritt wie ein HDR speichern, bei dem die ausgerichteten Bilder schon überlagert sind.


  • Photomatix kann auf folgende Arten ein Exposure Blending durchführen:

  • Average
  • Highlight & Shadow, Auto
  • Highlight & Shadow, adjust
  • Highlight & Shadow 2 images
  • Highlight & Shadow, Intnesive
  • Dabei ist Highlight & Shadow (H&S), adjust ein neues Verfahren, das viel gelobt wird. Ich habe alle Verfahren durchprobiert und auch teilweise mit den anderen Methoden gute Resultate erzielt. Aber eben: man muss die einzelnen Verfahren kennen lernen um auch festzustellen welche Methode am besten nicht nur zu seiner eigenen Arbeitsweise aber auch zu seinen eigenen Bildern passt. Untenstehend wurden drei Ausgangsbilder mit den verschiedenen Methoden bearbeitet. Man beachten z.B. das Halo auf dem Heizkörper unter dem Fenster.

    HDR 31 HDR 31 HDR 31 Ausgangsbilder für das Exposure Blending
    HDR 31 HDR 31 HDR 31 HDR 31 HDR 31 Von Links nach Rechts und Oben nach Unten: 1) Average, 2) H&S 2 Images, 3) &S adjust, 4)H&S auto, 5) H&S intensive

    Auf jeden Fall ist aber das Exposure Blending eine gute und attraktive Alternative zum HDR Verfahren über das Tone Mapping. Die natürlich aussehenden Resultate überzeugen und sind gerade dann relativ einfach zu erreichen, wenn der Dynamikbereich der Ausgangsreihe nicht allzu gross ist.

    HDR 31 In solchen Fällen kann es zu Problemen beim Mapping kommen wenn sich die Rauchschwaden im Wind bewegen.

    Rauschreduktion

    Als letztes möchte ich noch auf die Möglichkeit hinweisen, in einigen Programmen Bilder mit identischer Belichtung übereinander zu legen um das Rauschen zu verringern. So kann man z.B. vier Aufnahmen mit gleicher Belichtung verschmelzen und erhält dadurch ein verbessertes Signal zu Rauschverhältnis in den Schattenbereichen. Dadurch ist der Dynamikbereich des Bildes erhöht worden, da der Dynamikbereich ja durch Rauschen in dunklen Bereichen und durch Übersteuerung in hellen Bereichen begrenzt wird. Kann man aus irgendeinem Grund von einer Szene keine längere Belichtung machen, entweder weil man aus der Hand fotografiert oder weil sich etwas im Bild bewegt, so kann diese Methode helfen das Rauschen in Grenzen zu halten bzw. bezüglich einer einzigen Aufnahme zu verringern. Man aktiviert in diesem Fall ganz einfach den ‚Continous Drive' der Kamera und löst ein paar mal aus.

    Schlusswort

    Mit HDR und Tone Mapping bzw. mit Exposure Blending lassen sich Bilder von Szenen mit hohem Dynamikumfang erstellen. Beide Techniken erweitern die Möglichkeiten des Fotografen mit verschiedenen Situationen fertig zu werden.

    Abschliesend möchte ich noch auf mein Folio Refinery hinweisen, das teilweise mit Exposure Blending und mit Tone Mapping hergestellt wurde. Beide Techniken sind sehr gut auch in der Panoramafotografie anzuwenden, da gerade hier wegen des grossen Winkelbereiches oft ein grosser Dynamikumfang vorliegt.



    Links zum Thema

    Photomatix
    Photomatix ist ein HDR Tool das sowohl HDR Generiereung, Tone Mapping wie auch Exposure Blending unterstützt.

    FRD Tools
    FDR Tool bietet vor allem bei der HDR Generierung mehr Möglichkeiten als andere Programme.

    Adobe DNG Konverter
    Informationen zum Adobe DNG Format. Hier finden Sie auch den Link zum DNG Konverter





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    --- Der Autor und Publisher dieser Seite ist Bernd Margotte ---