HDR -oppia aloittelijoille

Vaihteeksi valokuvauksesta. HDR on hieno kirjainyhdistelmä, joka liitetään upeisiin, silmiäsärkevän värikkäisiin auringonlaskukuviin tai muihin äärimmäisen värikylläisiin otoksiin. HDR tulee sanoista High Dynamic Range ja kyseessä on taiteenlaji, jonka perusteet jokaisen valokuvaajan olisi hyvä ymmärtää, vaikkei HDR -kuvia erityisesti haluaisikaan ottaa.

Tätä kuvaa oli mahdoton ottaa. Asiaa ei auttanut, ettei minulla ollut vielä hajuakaan siitä, mitä tarkoittaa HDR...
Tätä kuvaa oli mahdoton ottaa. Asiaa ei auttanut, ettei minulla ollut vielä hajuakaan siitä, mitä tarkoittaa HDR…

Valoämpärit

Digikameraa voi ajatella tällä tavalla. Siinä on suljin, johon voi vaikuttaa kahdella tavalla: toisaalta sen voi avata tietyksi ajaksi ja toisaalta voidaan päättää, kuinka avonaiseksi se avataan. Taaempana on kenno, joka on oleellisesti valtava ämpäriruudukko. Jokaisen ämpärin päällä on lisäksi suodatin, joka päästää vain tietynväristä – punaista, vihreää tai sinistä – valoa sisään. Suodattimessa on lisäksi se ominaisuus, että kun se päästää valoa läpi, se voi samalla itse lisätä valoa suhteessa sisään otettuun valoon – eli jos sisään pääsee yksi valoyksikkö, se voi lisätä ämpäriin esimerkiksi kaksi  tai kahdeksan yksikköä. (Tämä vahvistus on yhtä suuri kaikille ämpäreille, ja sitä kutsutaan herkkyydeksi tai ISO -arvoksi).

On siis kolme muuttujaa, jotka vaikuttavat siihen, miten paljon valoa ämpäreihin pääsee: valotusaika, aukon koko ja herkkyys. Valon määrän mittayksikkö on ”aukko” (englanniksi f-stop) ja kahden ”aukon” välinen ero on kaksinkertainen valomäärä – toisin sanoen joko valotusaika kaksinkertaistetaan, aukon koko kaksinkertaistetaan tai herkkyys (vahvistus) kaksinkertaistetaan.

Hyvää valokuvaa varten on tärkeää, että kuvassa säilyvät sävyt. Jos johonkin ämpäriin tulee niin paljon valoa, että se vuotaa yli, se näyttää puhtaan valkoiselta – ja luultavasti sen ympärillä on kokonainen alue on sävytöntä puhdasta valkoista. Sama ilmiö tapahtuu, jos ämpäreiden pohjalle ei pääse lainkaan valoa, sillä erotuksella että väri on musta. Puhutaan yli- ja alivalotuksesta. Asia on helppo korjata kuvaushetkellä: jos kuva on ylivalottunut, pitää valotusarvoa vähentää lyhentämällä suljinaikaa, pienentämällä aukon kokoa tai vähentämällä herkkyyttä.

Valotusarvot ovat oikeastaan absoluuttinen kuvattavan valon määrän mittari. Kirkkaana kesäpäivänä valoa on paljon, ja kennolle pitää päästää vain vähän valoa, tai tuloksena on silkkaa valkoista. Marraskuisena iltana valaisemattomassa sisätilassa taas saa tehdä kaikkensa, jotta ämpäreihin tulisi riittävästi valoa.

Entä jos samassa kuvassa on sekä kirkkaita että tummia alueita, eli yhdellä alueella paljon valoa ja toisella vähän? Kuvaa otettaessa kaikkiin kennoihin päästetään sama määrä valoa, joten jos valotetaan kirkkaiden alueiden mukaan, tummilta alueilta ei pääse kennoon lainkaan valoa, ja jos taas tummien alueiden mukaan, kirkkaiden alueiden ämpärit tulvivat yli.

Ilmeinen ratkaisu on lisätä ämpäriin syvyyttä. Yhden aukon ero kuitenkin on kaksinkertainen valomäärä, joten ämpärin kapasiteetin kasvattaminen yhden aukon verran tarkoittaa sen syvyyden kaksinkertaistamista. Ämpärin kapasiteetin kasvattaminen neljällä aukolla tarkoittaisi siis ämpärin syvyyden 16-kertaistamista. Johan siinä alkaa tulla kameran takaseinä vastaan!

Vakavammin puhuen, kameran dynaaminen alue on erotus niiden maksimi- ja minimivalotusarvojen välillä, jolla se pystyy esittämään kaikki sävyt. Ämpärianalogiaa käyttäen kameran dynaaminen alue on siis ämpärin syvyys. Ämpärin syvyyttä mitataan sen kylkeen piirretyllä asteikolla. Kukin merkki on aina 2 kertaa niin kaukana pohjasta kuin edellinen. Jos ämpärissä on 12 merkkiä (mukaanlukien pohja), siinä on 11 väliä. Sanotaan, että kameran dynaaminen alue on 11 aukkoa.

Ystäväsi histogrammi

Histogrammi on paitsi kumma sana ja epämääräinen käyrä, myös HDR -kuvaajan paras ystävä. Ensinnäkin se kertoo, onko ylipäätään tarpeen ottaa HDR -kuvaa, ja toiseksi miten kuvaa pitäisi lähestyä. Mutta aloitetaan kysymällä, mikä histogrammi itse on?

Historgrammi mittaa ämpäreiden vedensyvyyttä. Se laaditaan asettamalla vaakaviivalle piste kutakin ämpärin vedenkorkeutta varten, ja lisäämällä tuohon pisteeseen yksikkö jokaista sellaista ämpäriä kohti, jossa on vastaava määrä valoa sisällä.

Histogrammista on helppo nähdä, ollaanko dynaamisen alueen sisällä: jos histogrammi koskee oikeaan reunaan, jotkut ämpärit ovat täynnä, ja kuva on ylivalottunut. Jos se taas koskee vasempaan reunaan, jotkut ämpärit ovat tyhjiä. Normaalisti kuvan ylivalotus korjataan vähentämällä siihen tulevan valon määrää – yhden aukon vähennys puolittaa kuvaan tulevan valomäärän. Vastaavasti alivalottuneeseen ämpäristöön voidaan päästää lisää valoa.

Ongelma syntyy, jos kuva on yhtä aikaa sekä yli- että alivalottunut, eli siinä on sekä tyhjiä että täysiä ämpäreitä. Tämä tarkoittaa, että kuva-alalla tapahtuvat kirkkausmuutokset eivät mahdu yhden ämpärisyvyyden, eli kameran dynaamisen alueen – sisään.

Histogrammin vaaka-akseliin liittyy tärkeä ominaisuus. Asiallisesti ottaen se kelluu ja kiinnitetään vain kulloiseenkin absoluuttiseen valotukseen (aika, aukko, herkkyys), mutta tapa, jolla se mittaa veden määrän ämpäreissä, on tärkeä. Apuna käytetään erikoista mittatikkusarjaa. Ensimmäisen tikun pituus on yksi yksikkö, seuraavan kaksi, sitten neljä, kahdeksan jne. Mikä tahansa yksikkömääräinen ämpärin pinnan taso voidaan ilmaista yksikäsitteisesti joukolla tikkuja, joista jokaista käytetään tasan kerran. Tyhjää ämpäriä kuvataan ilman mitään tikkuja, täydessä jokaista tikkua käytetään kerran. Tätä järjestelyä voidaan kuvata myös binääriluvuilla, joissa jokainen bitti (1 tai 0) tarkoittaa numeroa 1, 2, 4, 8 jne. Esimerkiksi, jos bittejä on 8, voidaan ilmaista numerot (ämpärin väritasot) 0 – 255, ja jos bittejä on 12, voidaan ilmaista numerot 0 – 4095.

Näillä luvuilla on läheinen yhteys dynaamiseen alueeseen. Digikamera, joka tallentaa kuvadataa 12 bittiä, pystyy käsittelemään 4095 valoarvoa. Dynaamisen alueen kasvattaminen yhdellä aukolla yli kaksinkertaistaa tämän määrän.

HDR -kuvan periaate

Jos kuvan histogrammi törmää molempiin seiniin, kameran luonnollinen dynaaminen alue ei riitä. Tässä tilanteessa voidaan turvautua samanlaiseen trikkikuvaukseen kuin mitä ihmissilmä tekee luonnostaan: ottaa useita kuvia nopeasti peräjälkeen samasta paikasta ja yhdistellään.

Ämpärianalogiaa käyttäen HDR -kuvan kuvainformaatio kootaan näin: otetaan useita kuvia (tyypillisesti 3) eri valotusarvoilla. Jossain kuvassa tummien alueiden ämpärit jäävät tyhjiksi, mutta kirkkaat alueet valottuvat selkeästi. Toisessa taas on ylitsevuotavia ämpäreitä, mutta jokaisessa ämpärissä on jotain. Sitten tehdään taikatemppu: otetaan kuvankehityslaboratoriossa suurempia ämpäreitä. Ämpärit, jotka ovat samoissa koordinaateissa, sovitetaan yhteen.

Oletetaan, että on otettu 3 kuvaa yhden aukon eroin. Toisessa kuvassa on siis kaksi kertaa niin paljon valoa kuin ensimmäisessä, ja kolmannessa neljä kertaa. Oletetaan lisäksi, että kameran dynaaminen alue on 11 aukkoa. Kuvankehityslabrassa tarvitaan siis ämpäri, jonka koko on kaksi aukkoa suurempi, eli nelinkertainen.

  1. Poistetaan kaikista kuvista ämpärit, jotka ovat joko täynnä tai tyhjiä. Sitten täytetään uudet ämpärit ensimmäisen kuvan änpäridatalla.
  2. Otetaan toinen kuva ja kaksinkertaistetaan valomäärä kaikissa ämpäreissä.(Sehän oli saanut kaksi kertaa niin paljon valoa kuin ensimmäinen kuva, eli sen perustasolla oli 2 kertaa niin paljon valoa kuin pohjatasolla.
  3. Havaitaan, että jos kuvassa 1 jollain pisteellä on arvo, kuvassa 2 sillä pisteellä on sama arvo. Lisätään arvot pisteistä, joissa kuvaa ei ole vielä määritelty.
  4. Toistetaan vaiheet 2 & 3 kolmannelle kuvalle, mutta nelinkertaistetaan valomäärä.

Voilà! Meillä on HDR -kuva, jonka dynaaminen alue on 13 aukkoa, ja jonka kuva-informaatio esitetään 14:sta bitillä.

Viimeinen muunnos

Vielä yksi pikku juttu. Kuinka kuva voidaan vielä esittää, jos sen aiempi bittisyvyys oli 12, ja nyt 14?

Samalla tavalla kuin alun perinkin. Tietokoneen ruudulla käytetään järjestelmää, jossa kukin väreistä punainen, vihreä ja sininen saa arvon 0-255. Tästä on helppo nähdä, että kuvainformaatio esitetään 8-bittisessä muodossa. Koska kuvat joka tapauksessa pitää muuntaa, on melko yhdentekevää, olivatko ne alun perin 12- vai 14-bittisiä.

Muuntamisen periaate on tämä. Otetaan 8-osainen mittakeppisarja ja mitataan, mikä keppiyhdistelmä antaa oikean pituuden. (Tähän on olemassa hyvin suoraviivainen algoritmi.)

Tämä kuvasi yleisellä tasolla HDR -kuvan idean. Kuvaus on epämääräinen. epätarkka ja mahdollisesti jopa harhaanjohtava. Tarkempia teknisiä oppaita on netti väärällään, mutta tämän luettuaan aloittelijallakin on paremmat edellytykset ymmärtää niitä.

Osallistu keskusteluun