Остальное

HDRI новый графический стандарт

В HDRI-изображениях (от High Dynamic Range Imaging) цвет кодируется не целыми, а вещественными числами. На первый взгляд может показаться, что это усовершенствование не носит качественного характера, однако профессиональные фотографы, а также эксперты в различных областях компьютерной графики и обработки изображений связывают его с грядущими революционными переменами.


Чувствительность зрительной системы, позволяющей нам ориентироваться и при сиянии звезд, и при ярком солнечном свете, охватывает диапазон от 10-7 до 109 кандел/м2. Отношение этих предельных значений составляет шестнадцатизначную величину -- поистине космические масштабы. Такой высокий показатель не имеет аналогов в мире техники: для фотонегативов и слайдов динамический диапазон ограничен четырьмя порядками, для фото- и полиграфических отпечатков, а также ЖК- и ЭЛТ-мониторов -- всего лишь двумя-тремя.

Так называемые полноцветные изображения с 24-битной цветовой глубиной (в рамках данной статьи они будут обозначаться аббревиатурой LDRI -- Low Dynamic Range Imaging) тоже не могут претендовать на точность отображения перепадов освещенности, присущих окружающему миру. Появление HDRI-форматов (динамический диапазон которых исчисляется десятками порядков), описывающих цвет вещественными числами с плавающей запятой, является естественной попыткой преодоления ограничений, присущих традиционному целочисленному представлению цветовой информации.

Даже самые простые и распространенные операции дают более достоверные результаты при использовании формата HDRI для представления исходных материалов. Слева -- горизонтальное сглаживание (motion blur) LDRI, справа -- та же операция в цветовом пространстве HDRI (в центре -- исходный вид)

Наиболее актуальная на сегодняшний день категория HDRI-изображений -- это полноохватные текстуры (environment maps), объединяющие виды из заданной точки зрения во всех возможных направлениях. Востребованность таких текстур, в свою очередь, обуславливается растущей популярностью IML-алгоритмов визуализации (от Image Based Lightning), реализованных в текущих версиях ключевых 3D-пакетов. В IML-алгоритмах HDRI-изображения используются для моделирования освещения виртуальной сцены, что позволяет дизайнерам избежать утомительного процесса ручной настройки параметров точечных источников света и облегчает задачу "вживления" синтетических объектов в реальный антураж. Хотя первые разработки в области IML с использованием HDRI-текстур появились почти 20 лет назад, высокая ресурсоемкость до недавнего времени сдерживала их широкую коммерциализацию.

Нынешняя востребованность HDRI-изображений в сочетании с высокой стоимостью оборудования для их производства открыла в 3D-индустрии новый бизнес, лидерами которого являются немецкие компании Dosch Design, Sachform Technology и Industry Graphics, специализирующиеся на издании тематических библиотек полноохватных HDRI-текстур. При цене около $100 типичная библиотека состоит из десятков картинок, записанных на нескольких CD либо на одном DVD-диске. "Правилом хорошего тона" при составлении HDRI-библиотек считается неизменность положения Солнца на небосводе во всей серии изображений. Это обеспечивает взаимозаменяемость HDRI-текстур при компоновке сцены и задании свойств материалов.

В Internet можно найти и бесплатные подборки HDRI-текстур различного качества, однако из-за нетерпимости провайдеров бесплатного хостинга к большим файлам они не имеют устоявшихся адресов. Неплохим стартовым пунктом для исследования сетевых HDRI-ресурсов является сайт одного из ведущих специалистов в области IML Пола Дебевека (Paul Debevec).

В самых простых файловых форматах HDRI -- таких, как Portable FloatMap, IEEE-69-bit TIFF и др. -- для кодирования информации об интенсивности каждого цветового канала используются вещественные числа ординарной точности (разрядностью в 32 бита). Это в четыре раза повышает требования к объемам дискового пространства по отношению к LDRI-изображениям. В итоге размер одной-единственной полноохватной HDRI-текстуры в хорошем разрешении вполне может превысить объем компакт-диска! Отметим, что эта проблема не может быть решена за счет использования стандартных архиваторов, поскольку они плохо справляются со сжатием массивов вещественных чисел.

Результат борьбы за экономию места на диске -- появление форматов Radiance HDR и OpenEXR, к применению которых тяготеют составители HDRI-библиотек. В первом из упомянутых форматов, разработанном Грегом Уардом (Greg Ward) в рамках открытого проекта Radiance, пикселы описываются четверками байтов вида RGBn, кодирующими цвет (R*2n-128,G*2n-128,B*2n-128).

Формат OpenEXR, зародившийся три года назад в недрах компании ILM (уже успевшей опробовать его в производстве спецэффектов для таких блокбастеров, как "Гарри Поттер и философский камень" и "Люди в черном -- 2"), более изощрен: цветовые каналы в нем описываются 16-битным типом half ("вещественное половинной точности", заимствованное из языка Cg от NVidia). Область положительных допустимых значений типа half охватывает диапазон от 6,1e--4 до 6,5e+4. Пользователям формата OpenEXR гарантируется обратная совместимость версий и поддержка любого количества слоев; кроме того, возможно использование дополнительных данных произвольного типа, а также применение нескольких алгоритмов сжатия без потери качества. Утверждается, что наиболее ресурсоемкий из этих алгоритмов (основанный на wavelet-преобразованиях) в типичных случаях обеспечивает примерно двукратный коэффициент сжатия. Подробное описание формата и исходный код, полезный для создания OpenEXR-совместимого ПО, можно бесплатно получить на сайте http://www.openexr.net/.

Впрочем, несмотря на относительную компактность, оба эти формата явно страдают "избыточным весом". Отсутствие возможности задания степени сжатия, определяющей компромисс между качеством изображения и размером файла (как в JPEG), становится сегодня все более ощутимым минусом, препятствующим внедрению HDRI в такие массовые технологии, как цифровое фото и 2D-графические редакторы. Есть все основания надеяться, что этот недостаток будет устранен в следующей версии OpenEXR.

Отвлекшись на время от проблем глобально-стратегического характера, представим себя на месте дизайнера, желающего задействовать современные средства 3D-графики для визуализации некоего архитектурного проекта, призванного при реализации гармонично вписаться в городской ландшафт. В своей работе мы хотели бы по возможности с максимальной точностью учесть влияние окрестных строений, зеленых насаждений и прочих факторов на освещение нового здания. В этом не обойтись без IML-алгоритмов и полноохватной HDRI-текстуры, хотя бы приблизительно соответствующей реальному ландшафту. Если в доступных нам библиотеках не окажется ни одного подходящего изображения (что вполне вероятно), то поневоле придется задуматься,


как самостоятельно получить полноохватную HDRI-текстуру?

Весь мир отражается на поверхности шара! Вероятно, первыми это явление открыли наши предки, увидевшие в яйце-писанке модель Вселенной
На этот вопрос имеется по меньшей мере три варианта ответа:

1. Наиболее легкий способ заключается в использовании цифровой камеры SpheroCam HDR, производимой немецкой компанией SpheronVR.
<--pagebreak-->
Правда, при этом бюджет нашего проекта придется увеличить примерно на 50 тыс. долл. Модель SpheroCam HDR оснащена штативом с моторизированной поворотной головкой и объективом типа "рыбий глаз" (со 180-градусным углом обзора); от обычных цифровых камер ее отличает светочувствительная матрица, выполненная в виде узкой вертикально ориентированной полосы. Матрица состоит из 53 тыс. строк, каждая из которых, в свою очередь, содержит несколько ячеек различной светочувствительности. В процессе вращения камеры яркость всех участков изображения поочередно фиксируется несколькими ячейками, что позволяет встроенному ПО определить действительное значение яркости пикселов в виде 32-битных вещественных чисел. В зависимости от условий освещенности сканирование полноохватной панорамы занимает от минуты до получаса (что автоматически исключает возможность использования SpheroCam HDR для фотографирования движущихся объектов). Готовый результат представляет собой полноохватную HDRI-текстуру размером 5300 10600 96 b, в некомпрессированном виде занимающую 642 MB.

2. Можно прибегнуть и к менее дорогой (но более трудоемкой) технологии, основанной на применении обычной камеры (к которой, впрочем, предъявляется одно обязательное требование -- возможность ручного задания выдержки). Надежно закрепив камеру на штативе, надлежит сделать серию из нескольких снимков, варьируя выдержку в диапазоне от T/64 до T*64, где T -- оптимальная выдержка, определенная с помощью фотоэкспонометра (естественно, первый кадр этой серии будет напоминать "Черный квадрат" Малевича, а последний окажется почти полностью засвеченным). Для преобразования полученных фотографий в HDRI-изображение может служить бесплатная (при условии использования в некоммерческих целях) программа Пола Дебевека HDR Shop, доступная по адресу www.debevec.org/HDRShop (ее размер -- всего 860 KB). Из другого ПО подобного рода заслуживает внимания Mac-совместимый пакет Photosphere Грегори Уарда.

Экранная копия программы, демонстрирующей вычислительную мощь последних моделей графических карт ATI Radeon. Бескомпромиссно реалистичные отражения и преломления, наводящие на мысль об использовании трассировщика лучей, в действительности построены в реальном времени с помощью программных пиксельных шейдеров, остроумно использующих заранее просчитанные полноохватные HDRI-текстуры для каждого объекта
Количество серий, необходимых для формирования полноохватной текстуры, зависит от фокусного расстояния объектива: если "рыбий глаз" позволяет охватить окружающую действительность всего "в два приема", то менее широкоугольные объективы делают этот процесс более рутинным: 15-миллиметровая оптика потребует отснять 14 серий, а 35-миллиметровая -- 50. Приведенные цифры взяты из документации к ПО RealViz Stitcher -- стандартному инструменту сшивания панорамных изображений по принципу "лоскутного одеяла".

3. Наличие зеркального шара диаметром около полутора десятков сантиметров открывает доступ к "дешевой и сердитой" технике светового зондирования (light probing), основанной на способности сферической поверхности к отражению (за исключением "слепого пятна", т. е. участка сцены, скрытого непосредственно за шаром). При умеренных требованиях к качеству текстуры как световой зонд может быть использована елочная игрушка.

Камера, надежно закрепленная на штативе, фокусируется на шар, располагаемый в месте планируемой "имплантации" синтетического объекта, дальнейший порядок действий не отличается от описанного в предыдущем пункте. Правда, для получения полноохватной текстуры оказывается теперь достаточно всего одной серии фотографий.

Отметим, что в данном случае более выгодным является использование длиннофокусной оптики: она позволяет отдалить камеру от шара, что уменьшает "слепое пятно" и угловой размер отражения фотоаппарата (а равно и фотографа, если тому некуда укрыться во время съемок).

Будем считать, что требуемое HDRI-изображение получено.


Как его увидеть?

Результат обработки HDRI-изображения с помощью алгоритма автоматического осветления/затемнения, разработанного Эриком Рейнхардом (Erik Reinhard) и его коллегами из университетов США
Неблагоприятные условия освещения ставят фотографа перед сложным выбором: установив экспозицию "по светам", он утрачивает детали "в тенях", и наоборот. Доверившись же экспозиционной автоматике, измеряющей усредненную освещенность, рискуешь потерять и то и другое (как на этом снимке)

Безупречное воспроизведение красок реального мира на экране монитора -- идея на первый взгляд соблазнительная. Но лишь на первый, поскольку более пристальное ее изучение выявляет некоторые несуразности. К примеру, устраивая на таком идеальном дисплее публичную демонстрацию фотоотчета о вашем отпуске в Крыму, придется припасти для каждого из зрителей пару солнцезащитных очков.

Эти сомнения не уменьшили энтузиазма сотрудников канадской компании Sunnybrook Technologies, которым недавно удалось добиться революционного (на два-три порядка) расширения динамического диапазона ЖК-дисплеев: на последней конференции SIGGRAPH они представили устройства, обеспечивающие яркость от 0,01 до 10 000 кандел/м2. Главной отличительной особенностью HDR-дисплеев является использование мощной светодиодной матрицы вместо обычной лампы задней подсветки, яркость свечения каждого светодиода регулируется встроенным контроллером.

Согласно утверждениям разработчиков, при внедрении в массовое производство эта технология повысит стоимость 20-дюймовых мониторов не более чем на $500, а в перспективе, с учетом прогнозируемого удешевления светодиодов, и вовсе на смехотворную сумму. Вот только организация такого серийного выпуска представляется пока сомнительным предприятием. Чтобы понять, почему HDRI-дисплеи не обладают преимуществами, способными заинтересовать массового потребителя, достаточно взглянуть на движок контрастности вашего монитора. Если он не выставлен на максимальные 100%, то сохранность зрения, видимо, имеет для вас большее значение, чем ширина динамического диапазона отображаемой картинки.

Дополнительный фактор, омрачающий коммерческие перспективы Sunnybrook Technologies, -- отсутствие на рынке графических карт с поддержкой режима 16-битной глубины цветовых каналов (нужных для полной реализации возможностей HDR-дисплеев). О том, скоро ли появятся такие карты, можно судить по следующей выдержке из онлайнового дневника Джона Кармака (John Carmack) из компании id Software, мнение которого не только формирует облик игровой индустрии, но и определяет эволюционный путь развития графических акселераторов в течение последнего десятилетия: "Следует ли продолжить наращивание динамического диапазона видеобуфера в новом поколении графических карт? Едва ли... Целесообразнее оставить его 32-битным, предусмотрев средства для компрессии диапазона значений, переносимых в видеобуфер из внутренних массивов".

Итак, если в прошлом распространение полноцветных графических форматов сопровождалось массовым переходом на новую аппаратную базу (т. е. на дисплеи true color и графические карты), то аналогичных тенденций в отношении форматов HDRI ждать не приходится. Эти рассуждения приводят нас к закономерному вопросу:

<--pagebreak-->
так ли важны HDRI-изображения, если их невозможно даже увидеть?

Фотопейзажи, снятые в безоблачную погоду, как правило, отображают небо в виде равномерно окрашенного светлого фона: солнечный диск, яркость которого выходит далеко за верхний предел стандартного динамического диапазона, сливается с небом. Тем не менее характер освещения объектов пейзажа (в частности, вид отбрасываемых ими теней) позволяет вполне уверенно судить о положении солнца. Более того, на некоторых поверхностях -- вроде влажного асфальта -- можно отчетливо рассмотреть очертания отражающегося солнечного диска.

 






DVD Russian VJ's Vol 2

russian vj Человек не может жить без музыки. И в то же время музыка становится только началом некой цепочки, к которой тянутся люди в свободные часы и во время самых радостных праздников.

Музыка рождает танец, движение вслед за мелодией, вместе с ритмом, способное надолго придать отличное настроение эмоциональный подъем.

Есть и другое направление – к музыке добавляется изображение, уже чужое движение, за которым человек следит, сопереживая.

подробнее

DVD Russian VJ's vol 1

russian vj  Вы когда-нибудь задумывались о том, что за странные и, в то же время завораживающие, картинки двигаются на экранах в клубе на уютной вечеринке или на многотысячном фестивале, на краю земли?

Откуда берутся эти фрагменты? Почему очень сложно описать словами то, что находится перед глазами всю ночь?

Кто следит за тем, чтобы ваши глаза впитывали музыку с экранов?

подробнее

Яндекс.Метрика Copyright by www.Malbred.com 2005