Ähm ... HDR, DRI, Tonemapping?
Der letzte Schrei unter den Amateuerfotografen: HDR. DRI war auch schon geil! Und mit Tonemapping wird es erst richtig cool!
Schonmal davon gelesen? Verwirrt?
Kein Wunder! Die Begriffe werden oft einfach als interessant klingende Worthülsen benutzt, wie es gerade passt. Und oft weiß der "Experte" nicht wirklich, wovon er redet. Und auch, wenn ich die Weisheit in Sachen HDR & Co nun nicht mit Löffeln gefressen habe, möchte ich mal an dieser Stelle eine kleine Einführung geben. Tutorials über das WIE gibt es zu diesem Thema ja bereits wie Sand am Meer.
Die Grundbegriffe auf einen Blick
- Kontrastumfang
Oder Kontrastverhältnis, Dynamic Range, Dynamikumfang ... Beschreibt das Verhältnis der hellsten zur dunkelsten Lichtstelle, die ein Bild enthalten kann - DRI
Abkürzung für Dynamic Range Increase, deutsch: Erhöhung des Dynamikumfangs. DRI könnte man auch als Oberbegriff für HDR verstehen. Da dieser Begriff aber schon vor HDR existierte, steht er in fast jedem Fall für Exposure Blending, also für die Montage von unterschiedlich belichteten Fotos zu einem LDR-Bild (siehe unten). Das "I" in der Abkürzung steht für Increase (Erhöhung), nicht für Image (Bild). - HDR
Abkürzung für High Dynamic Range, deutsch: hoher Kontrastumfang. HDR steht für einen so hohen Kontrastumfang, dass aktuelle Monitore immer nur einen bestimmten "Helligkeits-Ausschnitt" dieses Bildes darstellen können, den man über einen Regler (Weißpunktregler) und/oder einen HDR-Viewer bestimmen kann. Auch wenn es nicht korrekt ist - landläufig wird mit HDR mittlerweile alles bezeichnet, was auch nur im Entferntesten an Bilder wie die unten dargestellten erinnert (surreal, bunt, detailreich, dunkle bis graue Himmel, Lichtflecken ...). Man sollte nur wissen, was man meint, wenn man HDR sagt. ;) - HDRI
Abkürzung für High Dynamic Range Image, deutsch: Bild mit hohem Kontrastumfang. Man kann auch einfach HDR-Bild sagen. HDRI-Bild wäre doppelt-gemoppelt. ;-) - LDRI
Abkürzung für Low Dynamic Range Image, deutsch: Bild mit "normalem" Kontrastumfang. Hiermit meint man also praktisch jedes Bild, das man derzeit direkt mit Kameras aufnehmen, im Internet und gedruckten Medien direkt betrachten kann. - Tonemapping
Tonemapping ist der kreative Prozess ein HDRI in den geringen Kontrastumfang eines LDRI zu quetschen. Man könnte also von einem DRD sprechen, einem Dynamic Range Decrease (deutsch: Verringerung des Dynamikumfangs). Ziel ist der Erhalt oder die Betonung der lokalen Kontraste/Details. - Pseudo-HDRI
Das ist ein HDRI, das eigentlich keins ist. ;-) Oft wird einfach ein LDRI (JPEG, RAW) in den 32-bit-HDR-Container gepackt. Dies ermöglicht in einigen Programmen das Anwenden von Tonemapping-Verfahren, wodurch man auch ohne Belichtungsreihe mehr oder auch weniger schön anzusehende, surrealistische Bilder erstellen kann.
Was in der Regel als HDR bezeichnet wird
Hier zwei vielleicht etwas übertriebene Beispiele, die ich für diesen Artikel gemacht habe. Wenn Sie mit der Maus über das Bild fahren, sehen Sie ein Originalbild, wie es die Kamera aufgenommen hat:
Diese Bilder zeigen kein HDR! Solche Bilder werden aber derzeit in Internetforen und anderen Medien als "HDRI" bezeichnet. Was HDR ist und warum das hier eigentlich nicht richtig ist, dazu komme ich ganz unten auf der Seite.
Was den Reiz dieser Bilder ausmacht und weshalb nicht wenige puristische Fotografen den "Effekt" verabscheuen, ist klar: Es sieht ein wenig aus wie gemalt! Das wirkt so, weil die Helligkeitsverhältnisse nicht mit dem übereinstimmen, was das menschliche Auge auf einmal zu "sehen" vermag. Dadurch wirken die Bilder "hyperreal". Surrealistisch! Jedes Detail ist sichtbarer als in der Realität. Helle Bildstellen sind oft dunkler, dunkle Bildstellen oft heller, als man es mit bloßem Auge gesehen hätte ... Der lokale Kontrast ist wesentlich höher ... Alles in allem wirkt das doch wie eine Illustration. Also wie ... ähm ... ja ... wie gemalt eben. ;-)
Und meiner Meinung nach ist genau das der entscheidende Punkt, der für die große, aktuelle Beliebtheit dieser Art Bilder gesorgt hat. Mit einfachen Programmen wie dem beliebten und leistungsfähigen Photomatix oder den FDRTools kann jeder Durchschnittsknipser auch aus langweiligen Allerweltsmotiven wie den oben gezeigten mit wenigen Reglern und auch relativ wenig Gespür für das Bild doch recht eindrucksvolle Bilder schaffen. Bei aller Effekthascherei geht da die eigentliche Bildgestaltung und der Bildinhalt gern mal unter. Das ist zwar schade - der Effekt bleibt aber trotzdem 'obercool'.
HDR ist trotzdem etwas anderes - und ist allein für diesen Effekt nicht wirklich nötig.
Warum man DRI und HDR braucht und weshalb dafür Belichtungsreihen notwendig sind
DRI heißt Dynamic Range Increase (deutsch: Erhöhung des Dynamikumfangs).
HDRI heißt High Dynamic Range Image (deutsch: Bild mit hohem Dynamikumfang).
Aha! ... ... ... Aha???
Warum gibt es diese Begriffe überhaupt? Wozu benötigt man Verfahren wie DRI oder HDR?
Es gibt sie aufgrund der derzeitigen Beschränkungen unserer Kameras. Diese haben keinen hohen, sondern einen geringen Dynamikumfang. Nehmen wir eine normale Landschaft bei Sonnenschein: So eine Szene ist sehr hell (Sonne/Himmel) und sehr dunkel (Feld, Wald, Wiese) zugleich. Oben werden wir geblendet - und um unten etwas zu erkennen, müssten wir unsere Augen erst anpassen und gegen den hellen Himmel mit der Hand abschatten. Im Fachjargon: Diese Szene hat ein hohes Kontrastverhältnis, also eine hohe "Dynamic Range". Man kann das Verhältnis der hellsten zu der dunkelsten Bildstelle als Quotient darstellen: In der beschriebenen Szene kann die hellste, durch uns spontan wahrnehmbare Stelle zehntausendmal heller als die dunkelste, wahrnehmbare Stelle sein. Dies würde einem Kontrastverhältnis von 1:10 000 entsprechen, wobei die reale Szene ein weit größeres Kontrastverhältnis (z.B. 1:100 000) aufweisen kann.
Digitalkameras - also aktuelle, vom Normalbürger auch bezahlbare Kameras - können diesen Dynamikumfang nicht festhalten. Diese schaffen mit einer Aufnahme maximal 1:1000. Wie kläglich! Das heißt, mit jeder einzelnen Aufnahme kann man nur einen bestimmten Helligkeitsausschnitt der Realität aufnehmen. Nun ist es zwar reizvoll den möglichen Lichtausschnitt genau wie die gewünschte Schärfentiefe beim Fotografieren festzulegen, manchmal hätte man aber doch gern mehr.
Der Ausweg: Belichtungsreihen!
Bei einer Belichtungsreihe hält man Blende, Fokus und Weißabgleich konstant und verändert nur die Belichtungszeit. Man fotografiert dann das gesamte Helligkeitsspektrum einer Szene Schritt für Schritt ab und hat damit prinzipiell alles im Kasten. Optimalerweise würde man die Belichtungen wesentlich mehr als in der folgenden Grafik dargestellt, überlappen lassen. Das ist ein toller Trick gegen das lästige Rauschen der Digitalkamera-Sensoren!
Unten links im Bild wird dargestellt, dass das RAW-Format gegenüber dem JPEG-Format einige Reserven aufweist. Mit einer einzelnen Aufnahme kann man also mit RAW einen größeren Ausschnitt der Realität in den digitalen Speicher schaufeln, als mit JPEG.
DRI und HDR brauchen wir also im Grunde nur dann, wenn etwas, das wir fotografieren wollen, das Wahrnehmungsvermögen unserer Kamera übersteigt. Sozusagen.
Okay, die Aufnahmen sind im Kasten. Was nun? Es gibt zwei Möglichkeiten :Verarbeitung der Belichtungsreihe.
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Möglichkeit 1: DRI ***
Gemeint ist damit, dass man die Einzelbelichtungen in einem Programm wie Photoshop als Einzelebenen übereinanderlegt. Und dann wird Ebene für Ebene das ausgeblendet, was nicht richtig belichtet ist. Das könnte man malerisch mit dem Pinsel in einer Ebenenmaske machen. Aus praktischen Gründen wählt man aber automatisiert zum Beispiel die Lichter aus, zeichnet diese Auswahl für sanfte Übergänge weich und benutzt diese Auswahl als Ebenemaske.
Einfachstes Beispiel: Ein Blick durch das Fenster. Draußen zu hell, drinnen zu dunkel.
Man benötigt dafür also mindestens zwei Belichtungen: eine korrekte Belichtung für die Welt da draußen, plus eine korrekte Belichtung für den Innenraum. Beides als Ebenen übereinanderlegen, Innenraum oben, Lichter auswählen, Maske dran, die Maske falls nötig weichzeichnen. Fertig. Man erhält ein Bild, in dem man alles sieht, was man bei entsprechender Anpassung der Augen auch vor Ort gesehen hätte.
Der kreative Prozess (=der manuelle Eingriff des Bearbeiters), der das Aussehen des Endbildes bestimmt, ist hier die Erstellung der nötigen Masken.
Prinzipiell ist damit jede erdenkliche Lichtsituation in guter Qualität zu meistern. Je mehr Details und harte Kanten eine Szene hat und je höher der Belichtungsunterschied wird, umso aufwändiger wird der Spaß. Es gibt zwar Programme und Photoshopaktionen, die DRI automatisieren, aber genau hier kommt HDR ins Spiel.
Verarbeitung der Belichtungsreihe.
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Möglichkeit 2: HDR und Tonemapping ***
Gemeint ist damit, dass man die Einzelbelichtungen zu einem Gesamtbild (HDRI) verrechnen lässt, das tatsächlich (!) den gesamten Kontrastumfang einer Szene enthält. "Gesamter Kontrastumfang einer Szene" ist aber kein Kriterium für das Vorliegen eines HDRI. Es gibt leider keine allgemeingültige Definition, die derzeitige Darstellung in Wikipedia.org halte ich aber für sinnvoll: Es handelt sich dann um ein HDRI, wenn das Bild einen "… Dynamikumfang von mindestens vier Größenordnungen (1:10.000), eine relative Abstufung feiner als 1 % und Abdeckung sämtlicher sichtbaren Farben unterstützt."
Leider gibt es ein Problem: Es gibt keine bezahlbaren Bildschirme, die ein HDRI richtig und vollständig darstellen können. Auf einem HDR-Bildschirm würden Sie tatsächlich durch die Sonne geblendet werden - es wäre wie der Blick durch ein echtes Fenster! Bis diese Bildschirme in unsere Arbeits- und Wohnzimmer einziehen ist nur noch eine Frage der Zeit ... aber heutige Bildschirme können nur einen Tonwert-Ausschnitt des HDRI darstellen. Diesen kann man in Photoshop mit einem Regler bestimmen oder sich mit einem HDR-Viewer jeweils einen Bildausschnitt mit angepasster Helligkeit ansehen.
Echtes HDR ist klasse! HDRI werden zum Beispiel in 3D-Programmen zur fotorealistischen Beleuchtung virtueller Szenen benutzt. Fast jede gedruckte Autowerbung mit den neuesten Fahrzeugmodellen wird heute so erzeugt. Andererseits sind HDRI auch sehr viel bequemer als ein DRI zu erstellen. Bearbeitungen an einem HDRI erfordern zwar einen leistungsstarken Computer mit großem Arbeitsspeicher. Dafür sind Helligkeits- und Farbänderungen am HDRI aufgrund der Fließkommaberechnung fast nondestruktiv.
Ein HDRI anzulegen ist reines Handwerk, der kreative Prozess (=der Einfluss und die Handschrift des Bearbeiters) kommt erst später. Man kann ein HDRI leicht in verschiedenen Belichtungssituationen ausgeben (und dann wider besseren Wissens ein DRI-Bild draus basteln :D), man kann dank Fließkommabrechnung praktisch verlustfrei mit Tonwert- und Farbkorrekturen jonglieren und echtes HDR ist ein Zaubertrick gegen das allgegenwärtige Rauschen der aktuellen Kamerasensoren.
Tonemapping
Damit ein HDRI dargestellt und auch gedruckt werden kann, muss man die Tiefen und die Lichter so zusammenstauchen, dass sie in den Darstellungsbereich des Bildschirms/Druckers passen. Das nennt sich Tonemapping, und ist de facto eine Dynamikkompression. Die Tiefen werden aufgehellt, die Lichter abgedunkelt. Und damit das nicht völlig unmöglich aussieht, haben sich findige Programmiermenschen Algorithmen ausgedacht, mit deren Hilfe die lokalen Kontraste weitgehend erhalten bleiben. Auch wenn ähnliches per Handarbeit in Photoshop möglich ist - für den in Photomatix oder den FDRTools wirklich kinderleichten Detailverstärkungs-Effekt braucht es in Photoshop schon ziemliche Expertise und Zeit.
Tonemapping ist der kreative Prozess im HDR-Processing. Es gibt hier kein richtig oder falsch. Es kommt nur drauf an, was man erreichen will. Realismus? Surrealismus? HDR ermöglicht beides. Und entsprechend wählt man die geeignete Tonemapping-Methode im bevorzugten Programm mit den geeigneten Einstellungen aus.
NACH dem Tonemapping ist das Bild kein HDRI mehr. Ein gemapptes HDRI entspricht in etwa einem normalen Foto bei dem die Schatten ausgeleuchtet und die Lichter abgedämpft wurden. Übertreibt man das, erreicht man die oben beschriebene, surreale, faszinierende, malerische ... Wirkung.
Oft wird das Ergebnis dennoch als HDR bezeichnet. Dass das eigentlich Unsinn ist, wird am Vergleich schnell klar: Wir bezeichnen ein JPEG, das aus einem RAW entwickelt wurde, ja auch nicht mehr als RAW. Und Milch bezeichnen wir ja auch nicht als Kuh. ;-)
Ähm ... und was ist dann ein Pseudo-HDRI?
Mit Pseudo-HDRI bezeichnet man ein LDRI (JPEG, RAW), das in ein HDRI (32 bit) umgerechnet wurde. Sinnvoll ist dies nur, wenn man einen Tonemapper über das Bild laufen lassen möchte, der nur bei HDR-Bildern funktioniert - also wenn man diesen surrealistischen Effekt aus einer Einzelaufnahme erreichen möchte. Es soll ja Leute geben, die das brauchen und mögen. ;-)
HDR hat zur Zeit leider einen entscheidenden Nachteil: Da für eine Belichtungsreihe mehrere aufeinanderfolgende Aufnahmen nötig sind, ist es fast unmöglich auf diese Weise bewegte Motive scharf einzufangen. Der einzige derzeitige Ausweg ist, von dem leicht höheren Dynamikumfang des RAW-Formats Gebrauch zu machen und über den Umweg des Pseudo-HDRIs zum Beispiel den Detail-Enhancer von Photomatix oder den Compressor der FDRTools anzuwenden.
Oft liest man in diesem Zusammenhang den Tipp, eine RAW-Datei aus dem Raw-Konverter in drei verschiedenene Belichtungen (-2 Lichtwerte, 0, + 2 Lichtwerte) auszugeben. Das ist heutzutage schlicht Unsinn. Wenn man eine RAW-Datei (derzeit maximal 14 bit) ohne Tiefen/Lichter-Beschneidung (wichtig!) im 16 bit-Format ausgibt, enthält dieses alle Bildinformationen, die das RAW enthalten hat.
Davon abgesehen ist es besser, das lineare RAW-Format direkt in das ebenfalls lineare HDR-Format umzuwandeln, als erst in die gammakorrigierten Einzelbelichtungen auszugeben. Abgesehen von der Tatsache, dass die Ausgabe von unterschiedlichen Belichtungen aus einem RAW eigentlich unnötig ist, sollte man das ganze aber pragmatisch sehen: Wenn jemand auf diese Weise schnell zu seinem gewünschten Ergebnis kommt, warum sollte man dagegen argumentieren? DAS ist doch das schöne an der Bildbearbeitung - es gibt Miiiiiiiiiiiiilliarden unterschiedlicher Wege zum Ziel!
Übrigens - wer nur den surrealistischen Effekt mag, muss nicht den Umweg über HDR & Co. gehen. Entweder verbessert man zielstrebig seine Fähigkeiten in Photoshop und kriegt das irgendwann so hin, oder man kauft sich Plug-ins wie LucisArt oder NikEffex, die ähnliche vorgefertigte und regulierbare Effekte bei LDR-Bildern problemlos erzeugen können.
Eine Frage bleibt: Wie hängt der Dynamikbereich mit der Bittiefe eines Bildes zusammen?
Kurze Antwort: 1. Gar nicht und 2. irgendwie doch. ;-) Aber langsam:
Warum gar nicht? Weil die Bittiefe nur eins aussagt: In wieviele verschiedene Helligkeitsstufen man das Bild unterteilen kann. Je höher die Bitzahl, umso mehr Helligkeitswerte sind zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Tonwert möglich. Das berechnet sich nach der Formel 2 hoch x:
1 bit: 2 Tonwertstufen: Schwarz und weiß. Sowas nennt man übrigens Bitmap.
8 bit: 256 Tonwertstufen.
16 bit: 65536 Tonwertstufen.
32 bit: 4,29 Milliarden …
Was das aber NICHT aussagt: Wie hell der hellste Wert im Bild tatsächlich ist!
Angenommen wir nehmen ein Landschaftsbild auf, in dem oben die Sonne zu sehen ist und in dem man unten in eine Berghöhle hineinschauen kann. Man könnte nun theoretisch mit einem entsprechenden Profil definieren, dass die fotografierte Sonne im Bild tatsächlich soviel heller als die fotografierte Höhle ist, wie das Verhältnis in der Realität.
Pressen wir nun diese Szene in ein 8-bit-Bild, muss der riesige Tonwertebereich zwischen Sonne und Höhle auf nur 256 Stufen aufgeteilt werden. Es ist klar wie das aussehen würde, wenn man die Szene per Tonemapping zusammenstaucht: Tonwertabrisse (sichtbare Helligkeitsabstufungen im Bild).
Und daraus folgt Punkt 2: Aber ein HDRI, das der oben genannten Defintion entspricht (Kontrastverhältnis > 1:10 000), MUSS in 32 bit vorliegen, damit genügend Tonwertabstufungen zur Verfügung stehen, den riesigen Dynamikumfang ohne sichtbare Mängel darzustellen.
Der Umkehrschluss "Ein 32-bit-Bild ist immer ein HDRI" gilt indes nicht. Was meinen Sie, warum? ;-)
Was Sie sich merken sollten:
- Ein HDR-Bild enthält den tatsächlichen Dynamikumfang einer kontratsreichen Szene in ihren echten Helligkeitsverhältnissen.
- Fotomontagen aus Einzelbelichtungen (DRI), durch Tonemapping aus einem HDRI erzeugte Ergebnisse und auch einfach so bearbeitete Fotos, dass sie surreal aussehen, sind keine HDR-Bilder. Wenn sie dennoch als solche bezeichnet, sollte man wissen, was man meint.
- derzeit braucht man für DRI und HDR aufgrund technischer Beschränkungen noch Belichtungsreihen
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