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Kontrastmittel

HDR-Bilder mit Qtpfsgui

10.07.2008
Ein gut belichtetes Foto gelingt selten mit der ersten Aufnahme. Und besonders bei Motiven mit starken Helligkeitsunterschieden ist eine gleichmäßig belichtete Aufnahme fast unmöglich. Abhilfe schafft Qtpfsgui, das ein kontrastreiches HDR-Bild aus einer Belichtungsreihe zaubert.

Wer sich mit Fotografie auseinandersetzt, weiß, dass es Aufnahmesituationen gibt, die auf dem Foto anders aussehen als in der Wirklichkeit. Dazu gehören vor allem Motive mit großem Kontrastumfang, also sehr dunklen und sehr hellen Bildbereichen. In der Regel zeigen sich in diesen Partien nur sehr wenige Details: Schattenbereiche des Bildes erscheinen nur schwarz; sonnige, helle Bildregionen nur weiß. Das liegt am begrenzten Kontrastumfang eines herkömmlichen Digitalfotos: Während eine Tageslichtszene einen Kontrast von 100 000:1 aufweist, können Digitalkameras nur einen Kontrast von 1000:1 aufzeichnen. Im digitalen Foto fehlen also Bildinformationen.

Abhilfe schafft hier das sogenannte DRI. Dynamic Range Increase, deutsch Erhöhung des Dynamikumfangs, hat in der Digitalfotografie die Abbildung des Gesamtkontrasts einer Szene zum Ziel. Als Grundlage dienen mehrere Aufnahmen mit geringem Kontrastumfang (LDR-Bilder), wie sie Digitalkameras liefern. Die Einzelbilder sind in einer Belichtungsreihe aufgenommen und enthalten unter- sowie überbelichtete Aufnahmen. Die Software Qtpfsgui [1] erstellt aus den Vorlagen ein Bild mit hohem Kontrastumfang. Der Begriff HDR hat sich als Bezeichung für ein solches Bild durchgesetzt, das auch in sehr hellen und dunklen Bereichen Detailreichtum aufweist.

Vorarbeiten

Sie benötigen einen Fotoapparat, mit dem Sie Blende, Verschlusszeit und die Empfindlichkeit manuell einstellen können oder der zumindest eine automatische Belichtungsreihe (AEB) beherrscht. Das ist insofern wichtig, als Sie mehrere Aufnahmen eines Motivs benötigen, die absichtlich unter- und überbelichtet sind. Sie zeigen zusammengenommen viele Details eines kontrastreichen Motivs: Unterbelichtete Aufnahmen bringen Zeichnung in die hellen Bereiche (Lichter) und überbelichtete Fotos Details in die dunklen Abschnitte (Schatten). Nachdem Sie die Fotos auf den Computer übertragen haben, nutzen Sie mit Qtpfsgui ein kostenloses und grafisches Programm, das aus den Einzelaufnahmen ein HDR-Bild erzeugt. Um das Ergebnis auf Ihrem Monitor in seinem ganzen Kontrastumfang zu betrachten, benötigen Sie entweder ein unerschwingliches HDR-Display oder die Tone-Mapping-Funktion von Qtpfsgui. Der Grund: Herkömmliche Computermonitore sind nicht in der Lage, die Kontrastinformationen eines HDR-Bildes darzustellen. Das Tone-Mapping komprimiert den Kontrastumfang und bereitet das Bild für so genannte LDR-Medien (LDR-Monitor) auf. Aus dem HDR- wird also wieder ein LDR-Bild.

Fotos aufnehmen

Die Fotos sollten Sie mit einem Stativ aufnehmen, da schon leichte Unterschiede des Bildausschnitts beispielsweise durch Verwacklung unbrauchbare Ergebnisse liefern. Jetzt messen Sie bei festem Blendenwert (Blende 9 ist eine gute Orientierung) die Verschlusszeit der Kamera jeweils in der hellsten und dunkelsten Bildpartie. Am besten funktioniert das mit der punktgenauen Spotmessung. Die Zeiten geben einen Anhaltspunkt über den Kontrastumfang des Motivs und über die notwendigen Aufnahmen. Eine Belichtungsreihe sollte die längste, die kürzeste sowie dazwischen liegende Verschlusszeiten enthalten. Zeigt die Kamera die Werte 1/30 s Sekunde im dunkelsten und 1/250 s im hellsten Bereich an, erstellen Sie weitere Fotos mit 1/60 s und 1/125 s. Insgesamt haben Sie nun vier Fotos als Vorlage für das HDR-Bild. Die Anzahl der Fotos ist aber nicht begrenzt, es sollten dennoch mindestens drei sein.

Um zu den Vorlagefotos zu kommen, können Sie auch die Bracketing-Funktion (AEB) der Kamera nutzen, die das manuelle Über- und Unterbelichten für Sie übernimmt (Abbildung 1, rotes umrandet). Jetzt übertragen Sie die Fotos auf den Computer und können damit beginnen, das HDR-Bild zu erstellen.

Abbildung 1: Die Bracketingfunktion der Kamera erkennen Sie an der Anzeige der Blendenstufen.

HDR erstellen

Qtpfsgui installieren Sie über den Paketmanager, nachdem Sie die Heft-DVD als zusätzliche Paketquelle eingebunden haben. Detailliertere Informationen zum Einbinden der Heft-DVD erhalten Sie auf dem Datenträger.

In wenigen Schritten erzeugen Sie mit Qtpfsgui zunächst ein HDR-Bild, anschließend geht es an das umfangreichere Erstellen einer angepassten Bilddatei (Tone-Mapping). Als Eingabeformate unterstützt das Programm neben JPG und TIF eine ganze Reihe von Rohdatenformaten wie RAW, CRW und CR2.

Starten Sie das Programm über das Schnellstartmenü ([Alt]+[F2]) und den Befehl qtpfsgui. Die folgenden Abbildungen sind der Version 1.9.0 entnommen, die das neue Ubuntu 8.04 mitbringt. Das Mandriva-Paket enthält eine ältere Ausgabe der Anwendung und wie die Version für OpenSuse 10.3 keine deutsche Sprachanpassung. Deswegen sehen Sie in der folgenden Anleitung die englischen Begriffe nach den deutschen Bezeichnungen in Klammern gesetzt. Die Oberfläche unter Mandriva weicht nur leicht von den gezeigten Abbildungen ab. Die folgenden Schritte geben die grundlegende Vorgehensweise an, um ein HDR-Bild zu erzeugen:

  1. Klicken Sie auf Neues Hdr (New Hdr) und im erscheinenden Fenster auf Bilder Laden (Load Images), um den Dateidialog zu öffnen.
  2. Navigieren Sie zunächst zum Ordner, in dem Sie die Bilddateien der Digitalkamera gespeichert haben. Markieren Sie dort alle Fotos, die Qtpfsgui für das HDR nutzen soll. Halten Sie dazu [Strg] gedrückt, während Sie mit der Maus auf jede Datei klicken (Abbildung 3). Mit Open schließen Sie die Auswahl ab und übernehmen die markierten Dateien. Besitzen die Bilder keine EXIF-Informationen zu Verschlusszeit, Blende und Belichtungswert, warnt Sie das Programm, und Sie müssen diese Werte manuell nachtragen.
  3. Jetzt sehen Sie im linken Teil des Fensters die Liste der Aufnahmen. Daneben zeigt das Programm die Bildvorschau an (Abbildung 4). Belassen Sie die Lichtwerte (Exposure Value) der Bilder bei der Grundeinstellung, es sei denn, diese sind wegen fehlender EXIF-Informationen nicht vorhanden. In diesem Fall tragen Sie die Werte selbst ein. Die Checkbox Bilder automatisch ausrichten funktioniert wegen eines fehlenden Hugin-Moduls in der Anwendung noch nicht. Haben Sie die Fotos mit einem Stativ aufgenommen, benötigen Sie die Ausrichtung durch die Software auch gar nicht. Fahren Sie mit Weiter (Next) fort.
  4. Im nächsten Programmdialog finden Sie auf der linken Seite eine Reihe von Optionen und auf der rechten die Bildvorschau (Abbildung 5). Im Bereich Visualisierung und Navigation (Visualization and Navigation) sehen Sie neben dem Histogramm des ausgewählten Bildes vier Knöpfe (Lupensymbole), mit denen Sie die Vorschau anpassen können. Beispielsweise zeigt das Programm mit einem Klick auf den Knopf Originalgröße (Original Size bzw. Normal Size) das Foto im Maßstab 1:1, also in voller Größe an.
  5. Im Bereich Bilderliste (Editable) wählen Sie bei Bedarf ein Foto aus, das Sie vor dem Zusammenführen noch bearbeiten wollen. Mit dem Tool Zuschneiden (Crop All Images) können Sie die Ausmaße der Bilder auf einen Ausschnitt reduzieren und mit Speichern (Save Images) sichern. Das Anti Ghosting-Feature soll doppelte Ränder verhindern. Der Mandriva-Version fehlen diese Bearbeitungsfunktionen.
  6. Falls es notwendig ist, richten Sie die Fotos mit Hilfe der Regler ganz unten auf der linken Seite des Fensters nachträglich aus. Da wir aber beim Fotografieren ein Stativ empfehlen, entfällt meist das Nachbessern der Bildpositionen. Wechseln Sie mit Weiter (Next) zum nächsten Schritt.
  7. Den darauf folgenden Dialog klicken Sie mit Beenden (Finish) weg, da die hier angegebenen Werte laut Dokumentation in der Regel nicht verändert werden sollten. Damit haben Sie den Erstellprozess abgeschlossen und Qtpfsgui erzeugt das HDR-Bild.
Abbildung 3: Im Auswahldialog für die Eingabebilder können Sie gleich alle Fotos der Belichtungsreihe übernehmen.
Abbildung 4: Nach dem Laden der Fotos zeigt Qtpfsgui die Vorschau und die Lichtwerte der Bilder. Fehlen die diese EXIF-Informationen, müssen Sie diese manuell nachtragen.
Abbildung 5: Qtpfsgui verfügt auch über einfache Bildbearbeitungsfunktionen wie Zuschneiden und Bildausrichtung.

Tone-Mapping

Zurück im Startfenster der Anwendung sehen Sie das Ergebnis (Abbildung 6). Wundern Sie sich nicht über das Aussehen (Farbe oder Helligkeit) des HDR-Bildes. Qualität und Güte einer solchen Grafik lassen sich nur auf speziellen Geräten wie einem HDR-Display richtig bewerten. Bevor Sie nun beginnen, das kontrastreiche Bild in ein Format umzuwandeln, das Sie an herkömmlichen Monitoren betrachten können, speichern Sie die HDR-Datei (Speichern als bzw. Save Hdr as). Zur Auswahl stehen mehrere HDR-Formate, von denen Sie ein beliebiges auswählen. Das Programm kann all diese Dateien für spätere Nacharbeiten wieder öffnen.

Abbildung 6: Das HDR-Bild sieht auf LDR-Monitoren recht flau aus.

Im nun folgenden Tone-Mapping komprimiert das Programm den Kontrastumfang des HDR-Bildes so, dass dennoch möglichst viele Details und Helligkeitswerte erhalten bleiben. Hier können Sie zwischen mehreren Tone-Mapping-Verfahren wählen. Über die Effekte der Algorithmen informiert Sie die Tabelle Algorithmen. Weitere Informationen finden Sie auf der englischsprachigen Seite Open Source Photography[2].

Algorithmen

Algorithmus Beschreibung
Drago Imitiert den Eindruck des menschlichen Auges und ist dann sinnvoll, wenn ein möglichst natürliches Ergebnis gewünscht ist. Der Algorithmus betrachtet die Pixel des Bilds einzeln, ohne die Gesamtheit zu berücksichtigen.
Durand Erstellt sehr realistische Ergebnisse und eignet sich daher nicht für stark verfremdende Effekte.
Fattal Produziert einerseits Bilder mit sehr unrealistischen aber eindrucksvollen Effekten, verstärkt aber andererseits das Bildrauschen, das gewöhnlich bei Aufnahmen mit hoher ISO-Zahl auftritt.
Reinhard02 Bilder dieses Algorithmus enthalten hohe Detailtreue.

Welches Tone-Mapping-Verfahren das richtige ist, hängt vom gewünschten Ergebnis ab. Meist müssen Sie mit den Reglern ein wenig experimentieren. Solange Sie sich im Probelauf befinden, sollten Sie die Bilder in kleinem Format erstellen lassen. Aufgrund der Rechenintensität der Konvertierung benötigt der Computer dann weniger Zeit, um das Resultat anzuzeigen.

Starten Sie den Vorgang mit einem Klick auf Das HDR farbabbilden (Tonemap the Hdr) und nutzen Sie die folgenden Schritte als Grundlage:

  1. Wichtigster Teil des Fensters ist das Farbabbildungseingabefeld (Tone Mapping Panel), das Sie – wenn nicht schon vorhanden – mit dem gleichnamigen Knopf einblenden. Stellen Sie die Ergebnisgröße (Result size) auf ein kleines Format (Abbildung 7, rot umrandet) ein, solange Sie mit den Verfahren experimentieren.

    Abbildung 7: Um aus einem kontrastreichen HDR- ein auf normalen Monitoren anzeigbares LDR-Bild zu erstellen, nutzen Sie einen der acht Algorithmen.
  2. Belassen Sie die Gamma-Korrektur auf dem Wert 1 und klicken Sie auf den gewünschten Reiter, um ein Tone-Mapping-Verfahren auszuwählen.
  3. Alle Algorithmen haben Voreinstellungen. Belassen Sie diese auf den Standardwerten und erstellen Sie mit einem Klick auf Anwenden (Apply) ein erstes Bild.
  4. Sind Sie mit dem Ergebnis nicht zufrieden, nehmen Sie Veränderungen an den Schiebereglern vor. Alle Werte können Sie durch einen Klick auf Standardeinstellungen für Operator (Default Values for operator) jederzeit auf die Ausgangswerte zurücksetzen. Mit einem Klick auf Alle Schließen (Close All) im oberen Bereich des Fensters machen Sie in der Vorschau wieder Platz für neue Bilder.
  5. Entspricht ein Versuch Ihren Vorstellungen, vergrößern Sie das Ausgabeformat mit dem Drop-down-Feld Ergebnisgröße (Result size) und erstellen mit Anwenden (Apply) ein neues HDR-Bild. Speichern Sie es abschließend mit einem Klick auf Speichern als (Save As).

Abbildung 8 zeigt das mit Qtpfsgui erzeugte Bild und daneben eine Aufnahme der Digitalkamera mit automatischer Belichtung. Vor allem das Fenster hat deutlich mehr Detail gewonnen, was eine herkömmliche Aufnahme (Abbildung 8, rechtes Bild) nicht ermöglicht. Aber auch die Bereiche vor der Couch und im linken Regal saufen nicht mehr im Schwarz ab (so der Fachbegriff), sondern zeigen einen erheblichen Zuwachs an Zeichnung. Das Foto ist aber noch nicht perfekt, und es lohnt sich, beispielsweise die Schärfe mit Gimp nachzuregeln.

Abbildung 8: Der direkte Vergleich zeigt, was Qtpfsgui vermag: links das für LDR-Monitore optimierte HDR-Bild und rechts eine normale Aufnahme des Fotoapparats.

Glossar

Kontrast

Intensitätsunterschied zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Punkt einer Aufnahme.

LDR

Die Abkürzung steht für Low Dynamic Range und bezeichnet Bilder mit schwachem Kontrastumfang. Normale Digitalkameras liefern LDR-Bilder.

HDR

High Dynamic Range bezeichnet in der Fotografie den sehr hohen Kontrastumfang einer Aufnahme.

AEB

Beherrscht der Fotoapparat das Auto Exposure Bracketing, erstellt das Gerät automatisch meist drei Aufnahmen mit unterschiedlicher Belichtung: ein normal und jeweils ein unter- sowie überbelichtetes Foto.

Rohdatenformat

Dateiformat digitaler Fotokameras, bei dem die Aufnahme nach der Digitalisierung ohne Bearbeitung und Kompression abgespeichert wird.

Histogramm

Zeigt in der digitalen Bildverarbeitung die Häufigkeit und Verteilung der Farb- oder Grauwerte an und gibt somit Auskunft über Helligkeit und Kontrast eines Fotos.

EXIF

Im Exchangeable Image File Format speichern Digitalkameras zusätzliche Informationen zu einer Aufnahme. Dazu gehören neben Blende, Verschlusszeit und ISO-Wert weitere Belichtungsdaten.

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