HDR - Velsignelse eller forbannelse?

Edmund Schilvold

Lagre artikkel

Innledning

I utgangspunktet er HDR kun en forkortelse for et begrep, High Dynamic Range, på norsk høyt dynamisk omfang. Men HDR er i dag knyttet til langt mer enn dette. HDR er blitt et helt fagfelt, en hel vitenskap.

De siste årene har HDR også blitt gjenstand for en sterkt voksende interesse blant vanlige fotointeresserte. HDR er blitt hipt.

I denne guiden vil vi se nærmere på hva HDR egentlig er – hvordan det virker, og hvilke muligheter det gir. Vi vil også forsøke å oppklare en del utbredte misforståelser, samt ta en titt på potensielt negative konsekvenser av denne fascinerende teknologien.

Guiden har to deler – i den første tar vi for oss litt av teorien, og ser på generelle arbeidsmetoder som i stor grad er gyldige uansett hvilket system og hvilke programmer man måtte velge å bruke.

Del to, som vil bli publisert om noen dager, er den mer praktisk orienterte. I denne vil vi vise eksempler på hvordan man kan jobbe med HDR i konkrete programmer som Photoshop og Photomatix.

La oss aller først understreke at denne guiden ikke er ment å være noen fullstendig forklaring på hva HDR er og kan brukes til. Den er en introduksjon, beregnet på de som vet lite om HDR fra før av.

Hva er så HDR? Hva er det som gjør det mulig? Hva skiller HDR-bilder fra andre filer?

Her vil vi benytte en relativt streng definisjon, en definisjon som tar utgangspunkt i såkalt bitdybde (bit depth).

De fleste fotointeresserte vet at vanlige digitale bilder alltid foreligger i enten 8 og 16 bits modus. Eller, for å bruke et annet, mer presist uttrykk, 8 eller 16 bits per kanal (bits per channel, bpc).

De fleste som jobber med bildebehandling vet dessuten at 16 bpc er en langt bedre modus enn 8 bpc hvis man legger vekt på kvalitet og framtidig fleksibilitet. Jo flere bits datasystemet har å jobbe med, dess flere tallkombinasjoner er tilgjengelige. Og jo flere tallkombinasjoner som er tilgjengelige, dess mer nøyaktig kan tonene i et bilde lagres og representeres.

Sagt på en annen måte: Høy bitdybde, og dermed høy nøyaktighet i beskrivelsen av tonene, gjør det mindre sannsynlig at det oppstår ujevne, kunstige overganger i jevne, naturlige gradienter. I tillegg er høy bitdybde en god forsikring mot at det oppstår slike uønskede effekter når man utfører omfattende bilderedigering. Har man en fil med 16 bpc, har man rett og slett mye mer å gå på enn når man har en fil med 8 bpc. Man kan ”strekke” bildet uten at det begynner å ”sprekke” i for eksempel himmelen.

Både 8 og 16 bits bildefiler har imidlertid et grunnleggende problem som man ikke kommer bort fra bare ved å legge på flere bits. Dette problemet er at strukturen ikke er i stand til å takle de voldsomme spennene mellom lys og skygge som finnes i naturen. Strukturen er ikke beregnet på lagring av store dynamiske omfang. Så bilder som foreligger i 8 eller 16 bits kan aldri gjengi et tre i motlys eller en flammende solnedgang over en mørk horisont på en ekte måte. De kan aldri bli noe mer enn "jukseversjoner" av virkeligheten.

For at et bilde av en scene med et stort dynamisk omfang i det hele tatt skal kunne lagres og vises på en skjerm, må det skje omfattende manipuleringer av virkeligheten i kameraet (og eventuelt på PC-en). Det dynamiske omfanget må ”komprimeres”. Den lyseste eller mørkeste delen av det må kanskje kuttes helt vekk. Er man heldig, får man noe som i hvert fall minner om virkeligheten. Men man må ikke tro at bildet er en nøyaktig representasjon av lyset som eksisterte da man tok bildet.

Med HDR-teknologiens komme har dette forandret seg dramatisk. I hvert fall i teorien. HDR står ikke i samme forhold til 16 bpc som 16 bpc står i forhold til 8 bpc, selv om Photoshop betegner HDR-filer som foreliggende i 32 bits modus. HDR representerer noe helt nytt. Noen mener det er et like stort teknologisk sprang som overgangen fra svart-hvitt film til fargefilm.

Årsaken til jubelen er at HDR for første gang i historien har gjort det mulig å lagre bilder av virkeligheten som omgir oss, uten å ta i bruk alt det gamle juksemakeriet som man måtte da man kun hadde de gamle filtypene å jobbe med. HDR-filer kan lagre nesten ubegrensede spenn mellom lys og skygge. Står du overfor et landskap med en mørk forgrunn og flammende, solbelyste skyer? Eller en kveldsmørk by med både flombelyste husvegger og mørke smug? Ikke noe problem. Alt kan lagres. I én enkelt fil. Og forholdet i lysintensitet mellom det mørke og det lyse vil være det samme i filen som i virkeligheten.

Grunne til at dette er mulig, er at HDR-filer er basert på en annen metode for lagring av data enn tradisjonelle filer. HDR-filene er basert på flyttall, eller floating point numbers, som det heter på engelsk.

Ved å ta i bruk flyttall, har man befridd langringen av bilder fra begrensningene knyttet til det å kun kunne bruke vanlige tall. Med flyttall, som tar i bruk desimaler og eksponenter, kan man beskrive et nær sagt uendelig antall nyanser. Sagt på en litt banal måte: Man har ikke lenger kun 25 og 26, for eksempel, men også 25,5 eller 25, 546784, eller 25,879856389, og så videre.

Videre finnes det knapt noen grense for hvor stort dynamisk omfang man kan beskrive. Hvis en lampe er 500 eller 1.000 ganger lysere enn de mørkeste omgivelsene omkring, ja, så kan den faktisk bli lagret som det i HDR-bildet.

På grunn av dette brukes ikke HDR kun til foto. HDR er også blitt en viktig del av CGI-industrien, som tok i bruk HDR før fotografer i det hele tatt begynte å tenke på det (Gregory Ward skapte det første HDR-filformatet i 1985).

Det faktum at Adobe i flere år har jobbet med å utvide Photoshop slik at programmet blir fullt ut HDR-kapabelt, sier noe om hvor annerledes HDR er. Og fortsatt er det en rekke verktøy i Photoshop som bare fungerer fullt ut i 8 eller 16 bits modus.

Men – per i dag er det et stort men ved alt dette. Spesielt for fotografer. Det finnes ingen HDR-kameraer. Det vil si: Det finnes ingen sensorer som i én enkelt eksponering kan registrere hele det dynamiske omfanget til scener med svært store spenn mellom lys og skygge. I hvert fall ikke i kameraer som vanlige dødelige kan eller har råd til kjøpe.

De fleste kameraer kan ikke en gang ”se” det dynamiske omfanget det menneskelige øye kan se. For mens øynene våre kan se et omfang på mer enn 10 EV-trinn (eksponeringstrinn – hvert trinn svarer til en fordobling i lysintensitet) med ett blikk, og mer enn 20 EV-trinn hvis vi tar med i betraktning hva øyet kan se når pupillen åpner og lukker seg for å tilpasse seg lyset *, er de fleste kameraer bare i stand til å takle et sted mellom 5 og 9 EV-trinn **. Og jo høyere ISO, dess mindre blir det effektive dynamiske omfanget man får ut i bildene, siden den økende støyen forstyrrer signalet og reduserer detaljgjengivelsen, spesielt i mørke partier.

* Kilde: Cambridge in Colour: Dynamic Range in Digital Photography
** Undertegnede har her valgt å ta utgangspunkt i målinger av dynamisk omfang som vektlegger høy kvalitet. Se f.eks. testen av Canon EOS 5D II: Farger og dynamikk.

Vi har altså en situasjon der HDR-filer kan lagre, og HDR-programmer kan behandle, mye mer informasjon enn det kamera-sensorer er i stand til å fange opp. Det er ikke lenger filene som utgjør begrensningen, men kameraets hardware.

Heldigvis finnes det en vei rundt dette problemet, i hvert fall i en del tilfeller. Som vi slo fast, kan et kamera ofte bare ”se” en del av det totale dynamiske omfanget per eksponering. Men dersom man kan ta flere eksponeringer av den samme scenen – noen for skygger, noen for mellomtoner og noen for høylys – kan man likevel få registrert hele det dynamiske omfanget til scenen.

Eksempel: Soloppgang sett fra søndre Jeløy. For å få registrert hele det dynamiske omfanget i høyest mulig kvalitet, måtte jeg ta fire ulike eksponeringer. I én enkelt eksponering kunne kameraet – et Canon 5D (versjon I) – bare registrere en del av scenen av gangen.

Så, når man returnerer hjem og setter seg foran PC-en, kan man laste serien av eksponeringer inn i et program (eksempelvis Photoshop eller Photomatix) som er i stand til å ”smelte” dataene i bildene sammen til ett enkelt HDR-bilde.

Denne bildeserie-teknikken er den teknikken de fleste tenker på når de snakker om HDR i forbindelse med praktisk fotografering. Med den kan man komme ganske langt, til tross for kameraets begrensninger: Man kan lese av alt scenen inneholder, og man kan dataene i en enkelt HDR-fil.

Men – per i dag er det et stort men til knyttet til bruk av HDR. For at ”løsningen” beskrevet over skal fungere, og gi et brukelig sluttresultat, må i utgangspunktet de følgende forhold være oppfylt:

a) Det må ikke være noe i scenen som beveger seg. Biltrafikk, spaserende mennesker, løv som svaier i vinden, rennende vann og bølger, og så videre – alt dette kan skape problemer fordi visse elementer vil kunne komme til å befinne seg på ulike steder i de ulike bildene. Og hvis det skjer vil HDR-bildet, som er resultatet av en sammensmeltning av alle bildene i serien, kunne oppvise problemer relatert til såkalt ghosting.

Ghosting oppstår i områder der objekter har rukket å endre posisjon i løpet av tiden man brukte på å ta bildeserien, og kan framstå som alt fra delvis gjennomsiktige skygger til flekker med fargefeil.

I noen tilfeller er ikke ghostingen mer omfattende enn at man kan klare å eliminere den. Men hvis ghostingen er omfattende, kan det hende at bildeserien bare må kastes.

b) Kameraet må holdes stille så lenge fotograferingen pågår. I praksis innebærer dette at man må benytte stativ. Dette kan være en utfordring. For det er jo slett ikke alltid at man har et stativ tilgjengelig.

Som en nødløsning kan man benytte en monopod istedenfor en tripod. En monopod er lettere å ha med seg, og raskere å plassere, og kan, hvis ikke lukkertidene er for lange, gi nok stabilitet under fotograferingen til at bildeserien kan bakes sammen uten for store problemer.

De fleste HDR-programmer har nemlig en ”automatically align”-funksjon som kan klare å posisjonere faste elementer i en scene nøyaktig over hverandre selv om kameraet har flyttet seg noen millimeter i horisontal eller vertikal retning løpet av fotograferingen.

c) Man må ha et kamera som tillater manuell styring av eksponeringen.

I noen tilfeller kan man riktignok klare seg med den vanlige eksponeringskompensasjon-funksjonen, som de fleste kameraer har, og som lar brukeren ta tre bilder i serie, ett normalt, ett mørkere og ett lysere. Men i mange situasjoner, kanskje spesielt ute i naturen, spenner det dynamiske omfanget over et betydelig større område enn vanlig eksponeringskompensasjon er beregnet på å takle.

Og tre bilder er uansett i minste laget til en HDR-serie (hvis man vil ha best mulig kvalitet). Funksjonen for eksponeringskompensasjon er altså ofte ikke fleksibel nok til at man kan bruke den til å utnytte HDR-mulighetene fullt ut.

Selv speilreflekskameraer har ofte en nokså primitiv eksponeringskompensasjon-funksjon. Dermed må fotografen endre eksponeringen manuelt for hvert bilde i serien. Det ideelle for HDR-fotografering hadde vært en kompensasjonsfunksjon som lot fotografen velge både antallet bilder i serien og avstanden i EV-trinn mellom de enkelte bildene.

Hvis man befinner seg i en situasjon der HDR er lite egnet på grunn av bevegelser i deler av scenen, men man trenger mer fleksibilitet enn det en enkelt eksponering kan gi, kan det faktisk gi mye mer mening å ty til tradisjonell digital blending framfor å prøve å tvinge fram et brukbart resultat ved hjelp av HDR.

Ved hjelp av digital blending, som innebærer bruk av lag og masker, kan man for eksempel kombinere en eksponering som inneholder de bevegelige elementene korrekt representert med et bilde som inneholder den lyse himmelen korrekt representert.

Men tilbake til HDR. I en arbeidsflytsammenheng er noe av det mest positive med HDR-programmer at man slipper å sitte og legge de ulike bildene sammen manuelt, ved hjelp av lag og masker, pensling og seleksjoner.

Isteden legger programmet bildene sammen for deg, automatisk.

Dette er særlig nyttig når scenen inneholder en komplisert blanding av soner med lys og skygge, som for eksempel et foto av et mørkt rom med vinduer mot lyse omgivelser.

Så har man fått smeltet sammen bildene og laget en HDR-fil. Denne lagrer man selvfølgelig på et trygt sted, for i denne ligger all den informasjon man senere kan komme til å trenge. Men det for tidlig å slippe jubelen løs. Altfor tidlig.

Det er nemlig enda et stort men mellom oss og målet, som selvfølgelig er et ferdig, fullt ut brukelig bilde. Det men-et er LDR-skjermer. Altså skjermer med lavt dynamisk omfang (low dynamic range). Og ”løsningen” kalles tonemapping, som kanskje kan oversettes med tonedistribusjon.

Utgangspunktet vårt er dette: Det finnes ingen forbrukerskjermer som kan vise hele det dynamiske omfanget som et HDR-bilde kan inneholde. Ikke på en og samme tid. Det finnes HDR-skjermer, men de er for øyeblikket utenfor rekkevidde for vanlige fotointeresserte. Med mindre man har titusener av kroner å svi av på ren luksus.

Foreløpig må vi altså forholde oss til egenskapene til vanlige LDR-skjermer. Vi har å gjøre med en maskinvare-begrensning som kanskje ikke vil ha forsvunnet helt før om 20 eller 30 år fram i tid.

Når man åpner et HDR-bilde på en vanlig skjerm, vil det ofte se helt forferdelig ut, selv om bildet egentlig er helt i orden. Dette skyldes at skjermen bare kan vise litt av HDR-dataene av gangen. Slik sett er det en parallell mellom kameraer og skjermer: Begge typer hardware kan bare takle en viss del av et stort dynamisk omfang i et gitt øyeblikk. Og slik vi ved fotografering må velge hvilken del av omfanget vi vil prioritere i en eksponering, må vi ved skjermvisning av en HDR-fil bruke kontroller i HDR-programmet til å velge hvilken del av omfanget vi vil vise på skjermen – i praksis skyggene, mellomtonene eller høylysene.

Dette kan man selvfølgelig ikke forvente at bestemor skal holde på med. Eller den jevne PC-bruker, for den saks skyld. Antakeligvis er de ikke en gang i stand til å åpne HDR-filer fordi de ikke har de rette programmene.

Og det nytter ikke å printe dem eller sende dem til trykking heller. For alt som involverer blekk og papir er av natur LDR.

HDR-filer er altså i praksis ubrukelige til alt annet enn lagring av data i høy kvalitet på systemer med de rette programmene. Samt til det å forberede seg på en framtid der HDR blir regelen heller enn unntaket.

Så hva gjør man hvis man vil publisere et HDR-bilde? Hva gjør man hvis man vil at HDR-bildet skal kunne vises på ordinære skjermer, eller printes ut som et fullverdig bilde på en printer? Svaret er: Man må gjøre en kopi av det om til et LDR-bilde – men på en kontrollert måte. Mens vi i stad måtte finne en vei rundt kameraets begrensninger, må vi nå finne en vei rundt skjermens begrensninger.

Men egentlig kan ikke det å gjøre om et HDR-bilde til LDR kalles for en vei rundt. Det ville være som å smile fornøyd mens man hogger store stykker av møblene i flyttelasset for å få dem inn gjennom den trange døråpningen til leiligheten man skal flytte inn i. Egentlig er omgjøringen fra HDR til LDR bare en nødløsning, noe man er nødt til å gjøre fordi det ikke finnes andre muligheter.

Heldigvis kan jukseløsningen, som har fått navnet tonemapping, gi helt akseptable resultater. Men løsningen serveres ikke på noe sølvfat. Tonemapping er utvilsomt det mest utfordrende aspektet ved det å jobbe med HDR-bilder. Det innebærer at man hogger vekk en god del av dataene i HDR-fila, og endrer de gjenværende ganske dramatisk. Man må presse det store dynamiske omfanget i HDR-fila sammen på en ganske brutal måte, slik at man får et omfang som passer inn i en vanlig bildefil, og som kan vises på en vanlig skjerm.

Denne prosessen er i utgangspunktet irreversibel, og det er derfor uhyre viktig å ta vare på HDR-fila, og gjøre tonemappingen på en kopi.

Tonemappingen er den delen av prosessen som i stor grad avgjør hvordan sluttresultatet, det publiserbare LDR-bildet, blir seende ut. Det er naturligvis mulig å redigere bildet videre etter at tonemappingen er over, men det er ikke noen ideell løsning med tanke på datakvalitet.

Når folk synes at bilder produsert ved hjelp av HDR ser ”kunstige” ut, er det gjerne fordi tonemappingen som ikke er utført på en god måte. Et viktig moment i den sammenheng er at det som kritiseres ikke er HDR-bildet, men LDR-versjonen av HDR-bildet.

En feilslått tonemapping er heldigvis ikke noen katastrofe så lenge man tar vare på HDR-fila. Gjør man det, kan man alltids gå tilbake til denne senere, når man har lært mer, og gjøre en ny tonemapping.

I forbindelse med tonemapping kan det være verdt å huske på at et bilde ikke nødvendigvis blir noe bedre som bilde ved at man tar med alt man kan av detaljer i skygger og høylys. Det bildet man lager, kan uansett aldri matche virkeligheten.

Videre må man ha i mente at vi alle er vant til å se bilder som i større eller mindre grad har fått sitt utseende på grunn av lavt dynamisk omfang. Bilder som har hvitere høylys eller svartere skygger enn det fotografen faktisk så med det blotte øyet da han eller hun var ute og fotograferte.

Faktisk er det slik at kameraer alltid ”manipulerer” virkeligheten hvis det man tar bilde av har et høyere dynamisk omfang enn det kameraet kan ”se”. Men folk flest tenker sjelden eller aldri over dette. Selv om de ser effektene skapt av LDR-kameraer nesten daglig.

Skal man lage LDR-versjoner av HDR-bilder, kan det derfor lønne seg å til en viss grad simulere effekten av et LDR-kamera ved å gjøre visse grep (lage mørkere skygger og lysere høylys enn man strengt tatt behøver å gjøre).

Ved hjelp av HDR og tonemapping har man ofte muligheten til lage et LDR-bilde med rikelig med detaljer i alle soner, men det betyr ikke at man har muligheten til å gjenskape den opplevelsen virkeligheten ville ha gitt. I virkelighetens verden er det ”milevis” i lysintensitet mellom en lys, solbelyst himmel og en mørk bakke. Dette gir en ”wow-effekt” når man beskuer dette med øynene som det ikke er mulig å gjenskape på en vanlig skjerm fordi skjermen ikke kan komme i nærheten av lysstyrken til sollys.

Først når HDR-skjermer blir allemannseie vil man ha begynt å nærme seg naturen.

Man må derfor inngå noen kompromisser i forbindelse med tonemappingen. Nøkkelen til suksess er å inkludere mer detaljer i skygger og høylys enn man kunne ha fått fra en LDR-eksponering, samtidig som man ikke går for langt i å redusere kontrasten.

Tonemapping er en kunst, og det finnes ikke noen fasit, resultatet avhenger av fotografen, og hans eller hennes smak. Slik sett er fotografien med HDR-programmer og tonemapping kommet enda et skritt nærmere full kreativ frihet. Noen elsker denne nyvunne friheten, andre kan ikke fordra den.

Enden på HDR-visa blir altså at man får en HDR-fil som man per i dag knapt kan bruke til noe som helst, samt et LDR-bilde med mange av de samme ulempene som man kjenner så altfor godt til fra før av.

Man kan spørre seg: Er det verdt alt styret?

I visse situasjoner er svaret utilsomt ja. Dette er kanskje spesielt situasjoner man støter på utendørs, i byen eller i naturen, der man ikke har kontroll over lyset, og dermed ikke over det dynamiske omfanget. Med HDR-teknikkene kan man få med seg både skyggene og høylysene, uten å måtte bale med graderte gråfiltere mens man er ute, eller lag og masker når man kommer hjem. Men – man må helst kunne benytte stativ, og scenen må helst være statisk, uten elementer i bevegelse.

En ekstra bonus ved å lage HDR-filer, er at er man forbereder seg på framtiden. En dag om ikke så altfor mange år kommer HDR-skjermene for fullt. Når det skjer, vil man forhåpentligvis kunne hente HDR-filene fra 2010 fram fra arkivet og vise dem i all deres storslagenhet direkte på skjermen, uten noen form for tonemapping eller annen triksing og tilpasning til LDR-teknologi.

For øyeblikket befinner vi oss i en overgangsfase. HDR kan være kjekt, og veldig spennende hvis man er interessert i data og teknikk, men HDR er ikke nødvendig. Det er nyttig å kunne teknikkene hvis man ofte tar bilder av bestemte typer motiver, deriblant landskap og interiører med dagslys inn fra vinduer, men til en del former for foto, pressefoto for eksempel, er HDR lite interessant.

Er hovedformålet med fotograferingen et godt LDR-bilde, kan man fortsatt klare seg utmerket i svært mange situasjoner ved å bruke mulighetene som lag og masker gir. Og selv når man jobber med HDR-filer, kan lag og masker være svært nyttige hjelpemidler

HDR er morsomt, og kommer godt med i visse situasjoner, men det er mye annet innen foto og bildebehandling som det er viktigere å lære seg.

Til slutt en takksigelse: En viktig kilde i forbindelse med skrivingen av denne guiden har vært boken The HDRI Handbook. High Dynamic Range Imaging for Photographers and CG Artists av Christian Bloch. Boken kom sist ut i 2007, men inneholder fortsatt mye aktuell informasjon, og kan anbefales på det varmeste til de som måtte ønske å dykke dypere ned i temaet HDR.

I del 2, som kommer i løpet av et par uker, ser vi nærmere på det rent praktiske knyttet til bruk av HDR-programmer og tonemapping.

Les også

Videokamera tar opp HDR-video

29. juni 2011

iPhone-app gir geotagging til alle kameraer

15. juni 2011

Et vanvittig bilde

5. juni 2011

Mange veier til Rom

22. jan. 2010