mini|hochkant=1.8|Mittels Belichtungsreihe erstellte Nachtaufnahme von New York mini|hochkant=1.2|Bamberger Tor bei Nacht in Kronach. Belichtungsreihe aus drei Bildern. mini|hochkant=1.8|HDR-Bild, zusammengestellt aus 3 Bildern
Unter High Dynamic Range Image (HDRI, HDR-Bild, „Bild mit hohem Dynamikumfang“) oder Hochkontrastbild versteht man verschiedene Techniken zur Aufnahme und Wiedergabe von Bildern mit großen Helligkeitsunterschieden ab etwa 1:1000. Klassische Bilder werden, wenn diese zu HDR abgegrenzt werden sollen, als Standard Dynamic Range oder Low Dynamic Range Images bzw. SDR- oder LDR-Bilder bezeichnet.
HDR-Bilder können von vielen Kameras direkt aufgenommen, aus Belichtungsreihen von Fotos mit normalem Dynamikumfang (, LDR) erzeugt oder als 3D-Computergrafiken direkt berechnet werden. Auf üblichen (TFT-)Bildschirmen und Medien und/oder bei Umgebungslicht können sie nur eingeschränkt direkt dargestellt werden – sie müssen zur Darstellung im Helligkeitskontrast reduziert werden. Dieser Vorgang wird Dynamikkompression () genannt. Ungeachtet dieser Einschränkung können ausgehend von HDR-Bildern Über- und Unterbelichtungen vermieden, Bilddetails besser erhalten und weiterreichende Bildbearbeitungen vorgenommen werden. Nicht nur die Fotografie und Computergrafik, sondern auch Anwendungen wie die Medizin oder virtuelle Realität nutzen diese Vorteile.
Die Darstellung von HDR-Fotografien reicht von sehr natürlichen und unauffälligen Darstellungen bis hin zu impressionistischen oder artefaktreichen künstlerischen Fotografien mit als übertrieben empfundenen Farben und unübersehbaren Halos.
Prinzip mini|hochkant=1.8|Falschfarbendarstellung der in einem herkömmlichen LDR-Bild (links) und einem HDR-Bild (rechts) gespeicherten Helligkeit. Während das LDR-Bild nur 256 verschiedene Helligkeitsstufen umfasst, reichen die Werte beim HDR-Bild von 0,18 bis 560. Das HDR-Bild berücksichtigt insbesondere Details in hellen Bereichen, die beim LDR-Bild gesättigt erscheinen. mini|hochkant=1.8|Vergleich einer Einzelaufnahme mit einer Kompaktkamera (links) und eines HDR-Bildes nach Tone Mapping (rechts). Die Bildausschnitte auf der rechten Seite wurden individuell dynamikkomprimiert.
Die meisten digitalen Bilder verwenden nur 256 Helligkeitsstufen (8 Bit) für jeden der Rot-, Grün- und Blau-Farbkanäle. Diese Farbtiefe reicht oftmals nicht aus, um die in natürlichen Szenen vorkommenden Helligkeitsunterschiede wiederzugeben. Höhere Farbtiefen werden üblicherweise kaum verwendet, da Bildschirme und Druckmedien zu deren Darstellung ohnehin nicht fähig sind.Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 7
Die von einer Kamera oder einem Betrachter aus sichtbare Umgebung weist typischerweise einen Dynamikumfang (Verhältnis von größter und kleinster Leuchtdichte) in der Größenordnung von 10.000:1 auf. Der Dynamikumfang kann wesentlich größer sein, wenn eine Lichtquelle sichtbar ist oder sowohl ein Innenraum als auch ein vom Sonnenlicht erhellter Außenbereich zu sehen sind.Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 187 Die menschliche visuelle Wahrnehmung ist in der Lage, sich Lichtverhältnissen anzupassen, die über nahezu zehn Größenordnungen (ein Faktor von 1010) reichen; innerhalb einer Szene sind bis zu ungefähr fünf Größenordnungen gleichzeitig sichtbar.J. A Ferwada: Elements of Early Vision for Computer Graphics. IEEE Computer Graphics and Applications 21, 5 (2001): 22–33, . Zitiert in Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 6
Im Gegensatz zur visuellen Wahrnehmung leiden Fotografien, die mit herkömmlichen Digitalkameras erzeugt wurden, häufig an Über- und Unterbelichtungen. Beim High Dynamic Range Imaging werden Bilddateien mit einem Dynamikumfang erzeugt, der die in der Natur vorkommenden Helligkeiten in ihrer Gesamtheit besser erfassen kann. Die Pixelwerte stehen dabei in proportionalem Verhältnis zur tatsächlichen Leuchtdichte. Erst bei der Darstellung eines HDR-Bildes wird dessen Helligkeitsumfang geeignet reduziert. Auch wenn nach wie vor fast alle Bildschirme einen geringen Helligkeitsumfang besitzen, bieten HDR-Bilder Vorteile; so etwa bleiben ausgehend von HDR-Bildern Details in sehr dunklen und hellen Bereichen erhalten.
Geschichte und Anwendungen Die physikalisch basierte Bildsynthese („Rendering“) war die vielleicht erste Anwendung von HDR-Bildern.Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 87 Die von Greg Ward Larson ab 1985 entwickelte Rendering-Software Radiance verwendete intern Gleitkommazahlen zur Speicherung von Helligkeitswerten. Um die gerenderten Bilder speichern zu können, ohne dass Helligkeitsinformationen verloren gingen, entwickelte Ward das Radiance-HDR-Format.Bloch: Das HDRI-Handbuch, S. 44 Auch Paul Debevec befasste sich mit HDR-Techniken, als er zur Simulation von Bewegungsunschärfe bei einer Computeranimation bewegte Glanzlichter mit hohem Dynamikumfang abspeicherte. , abgerufen am 22. Februar 2009 Bereits 1968 hatten Oppenheim und andere in einem anderen Zusammenhang den ersten Tone-Mapping-Operator veröffentlicht;A. Oppenheim u. a.: Nonlinear Filtering of Multiplied and Convolved Signals. In: IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics 16, 3 (September 1968), S. 437–466, die dort vorgestellten Prinzipien wurden von einigen neueren Operatoren wiederentdeckt.Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 326–331
Die Anwendungen von High Dynamic Range Imaging umfassen folgende Bereiche:Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 87–89 Bildsynthese. Bei physikalisch basierten Renderern müssen Helligkeitswerte mit einem hohen Dynamikumfang repräsentiert werden, um die Wechselwirkung von Licht und Materialien innerhalb einer kontrastreichen 3D-Szene korrekt zu berechnen. Bei Anwendungen wie der Architektursimulation müssen außerdem absolute radiometrische Werte berechnet werden, um Beleuchtungsverhältnisse korrekt einzuschätzen. Weiterhin ist es möglich, 3D-Szenen von HDR-Bildern beleuchten zu lassen (Image-based Lighting). Neuere Grafikkarten beherrschen rudimentäres HDRI in Echtzeit, was vor allem für Computerspiele interessant ist.
Digitalfotografie. In der Digitalfotografie vermeiden HDR-Aufnahmen Über- und Unterbelichtungen und erlauben einen unproblematischen softwarebasierten Weißabgleich.Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 48 f. Hersteller haben den Dynamikumfang ihrer Bildsensoren zwar im Laufe der Zeit erhöht, der Dynamikumfang von HDR-Bildern wird jedoch bisher nur von wenigen Spezialkameras erreicht. Um HDR-Bilder mit herkömmlichen Kameras zu erzeugen, ist zusätzlicher Arbeitsaufwand erforderlich.
mini|hochkant=1.8|Anwendung eines Bewegungsunschärfe-Filters, links auf ein LDR-Bild, rechts auf ein HDR-Bild (Resultat nach Tone Mapping). Durch die Speicherung der korrekten Helligkeitsinformationen beim HDR-Bild wirkt das Ergebnis naturgetreuer, ähnlich einer tatsächlichen Verwacklung der Kamera.
Bildbearbeitung. Neuere Versionen einiger Bildbearbeitungsprogramme können HDR-Bilder direkt bearbeiten. Dies erlaubt es, Helligkeits-, Kontrast- und Farbänderungen vorzunehmen, ohne dass es zu Verlusten in Form von gesättigten Pixelwerten kommt. Effekte und Filter wie etwa Weichzeichner wirken ausgehend von HDR-Bildern realistischer, insbesondere bei Glanzlichtern.
Digitales Kino und Video. Die Projektion von digitalen Kinofilmen mit mittelgroßem Dynamikumfang ist absehbar; Produktion und Bearbeitung derartiger Filme wird jedoch in einem HDR-Format erfolgen.Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 88 MPEG-4-kompatible Kodierungen für HDR-Videodaten wurden bereits vorgeschlagen.R. Mantiuk u. a.: Perception-motivated High Dynamic Range Video Encoding. ACM Transactions on Graphics 23, 3 (2004), S. 733–741, Siehe auch High Dynamic Range Video.
Virtuelle Realität. Herkömmliche Panoramabilder und virtuelle Umgebungen, die über das World Wide Web geladen und interaktiv erkundet werden, leiden besonders unter Über- und Unterbelichtungen. Wenn Panoramen als HDR-Bilder vorliegen, können die zu einem bestimmten Zeitpunkt sichtbaren Bildausschnitte individuell dynamikkomprimiert werden, was eine natürlichere Bildwirkung erzeugt.
Überwachungssysteme und maschinelles Sehen. Die Fähigkeit, gleichzeitig innerhalb und außerhalb von Gebäuden Bilddetails wiederzugeben, ist besonders bei Überwachungskameras sinnvoll.Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 12 Auch beim maschinellen Sehen ist die Robustheit von HDR-Kameras gegenüber extremen Lichtverhältnissen von Vorteil.
Medizin. In der Endoskopie besteht ein Bedarf an möglichst kleinen Bildsensoren, die auch bei geringer Helligkeit hochwertige Bilder liefern. So etwa liefert ein Prototyp eines im Rahmen des europäischen IVP-Projekts entwickelten Sensors bei kleinsten Abmessungen einen Dynamikumfang von über 100 dB.Hoefflinger: High-Dynamic-Range (HDR) Vision, S. 138 Für die Augenheilkunde werden künstliche Retinae entwickelt, die bei sehbehinderten Menschen die Sehzellen der Netzhaut stimulieren und ebenfalls einen hohen Dynamikbereich aufweisen.
Architektur und Lichtdesign. Selbst ohne fotometrische Kalibrierung bieten HDRIs ein ausreichend präzises Abbild der Lichtverteilung in einer Szene. Indem maßstabsgerechte Architekturmodelle fotografiert werden, können so quantitative Aussagen über die Helligkeitsbedingungen in einem geplanten Gebäude gemacht werden.Jacobs: High Dynamic Range Imaging and its Application in Building Research
Speicherung Kodierung Es gibt zwei gebräuchliche Möglichkeiten, die Pixelwerte in HDR-Bildern geräteunabhängig zu kodieren. Idealerweise nähern sich HDR-Kodierungen dem nichtlinearen Sinneseindruck des Auges auf Helligkeiten an. Dadurch wird vermieden, dass unterschiedliche Helligkeiten im Bild mit scheinbar unterschiedlicher Präzision kodiert werden und es zu sichtbaren Farbabstufungen kommt.
Eine Möglichkeit ist die logarithmische Kodierung, die Helligkeiten gemäß folgender Formel dekodiert:
ist hierbei die normalisierte kodierte Helligkeit, die Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Aufeinanderfolgende Werte in dieser logarithmischen Kodierung haben ein konstantes Verhältnis von , wobei N die Anzahl der Quantisierungsschritte ist.
HDR-Daten können auch mittels einer Kombination aus Mantisse und Exponent (als Gleitkommazahlen) kodiert werden. Aufeinanderfolgende Gleitkommazahlen haben kein konstantes Verhältnis, sondern folgen einem sägezahnförmigen Verlauf. Damit die Farbquantisierung unsichtbar bleibt, darf die relative Abstufung (Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Helligkeitswerten, geteilt durch den Wert) 1 % nicht überschreiten.G. Wyszecki, W. S. Stiles: Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae. John Wiley and Sons, New York 2000. Zitiert in Reinhard u. a.: High Dynamic Range Imaging, S. 90
Weitere Eigenschaften von HDR-Kodierungen neben der relativen Abstufung sind der Farbraum und die Farbtiefe. Auf die Speicherung der absoluten Leuchtdichte (in der Einheit cd/m²) wird oft verzichtet.
Formate mini|hochkant=1.9|Ein JPEG-HDR-Bild, das hier dynamikkomprimiert angezeigt wird; die Datei enthält HDR-Daten
Von der Kodierung der Pixelwerte ist das verwendete Grafikformat zu unterscheiden, das bestimmt, in welche zusätzlichen Datenstrukturen die eigentlichen Bilddaten eingebettet werden. Einige HDR-Formate unterstützen mehrere Kodierungen.