Διπλωματική Εργασία. Λαμπρόπουλου Γεώργιου του Αλεξάνδρου. Αριθμός Μητρώου: «Αύξηση της δυναμικής περιοχής εικόνας, με χρήση πολλαπλών λήψεων»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολή του Πανεπιστημίου Πατρων Λαμπρόπουλου Γεώργιου του Αλεξάνδρου Αριθμός Μητρώου: 6011 Θέμα «Αύξηση της δυναμικής περιοχής εικόνας, με χρήση πολλαπλών λήψεων» Επιβλέπων Ευάγγελος Δερματάς Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας Πάτρα, Ιούλιος 2012

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Αύξηση της δυναμικής περιοχής εικόνας, με χρήση πολλαπλών λήψεων» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Λαμπρόπουλου Γεώργιου του Αλεξάνδρου Αριθμός Μητρώου: 6011 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Ευάγγελος Δερματάς Επίκουρος Καθηγητής Νίκος Φακωτάκης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα:«Αύξηση της δυναμικής περιοχής εικόνας, με χρήση πολλαπλών λήψεων» Φοιτητής: Λαμπρόπουλος Γεώργιος Επιβλέπων: Δερματάς Ευάγγελος Περίληψη Ο τομέας της ψηφιακής φωτογράφισης εξελίσσεται διαρκώς. Το γεγονός αυτό, καθιστά τη ψηφιακή φωτογραφία χρήσιμο εργαλείο για διάφορες επιστημονικές και όχι μόνο εφαρμογές. Για αυτό τον λόγο, γίνεται απαραίτητη η λεπτομερέστερη αποτύπωση της πληροφορίας. Η λεπτομερέστερη αποτύπωση της πληροφορίας αποτελεί αντικείμενο της εικονοποίησης υψηλής δυναμικής περιοχής(high Dynamic Range Imaging). Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της εικονοποίησης υψηλής δυναμικής περιοχής και η υλοποίηση ενός αλγορίθμου, κάνοντας χρήση πολλαπλών λήψεων για την παραγωγή τελικής εικόνας με διευρυμένη δυναμική περιοχή.

6

7 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τη μαμά μου, τον μπαμπά μου, τα αδέρφια μου, καθώς και όλους τους φίλους που με στηρίξανε όλα αυτά τα χρόνια στεκόμενοι πλάι μου σε όμορφες, αλλά και δύσκολες στιγμές. Θα ήθελα, επίσης να ευχαριστήσω, μέσα από τα βάθη της καρδιάς μου, τον φίλο μου, Σάκη Ρουβά, για τις πολύτιμες συμβουλές του και τη μουσική συντροφιά που μου προσέφερε τις κρύες και ατελείωτες νύχτες συγγραφής. Τέλος, θα ήθελα να αποδείξω την έμπρακτη συμπαράσταση μου στους μετανάστες, οι οποίοι δεδομένων των πολιτικο-κοινωνικών συνθηκών που έχουν διαμορφωθεί στη χώρα μας, βάλονται καθημερινά στον αγώνα τους για μια καλύτερη ζωή. Οι μετανάστες είναι εικόνα από το μέλλον μας!

8 2

9 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή Μια σύντομη ιστορία της φωτογραφίας Απεικόνιση Υψηλής Δυναμικής Περιοχής Εφαρμογές της Απεικόνισης Υψηλής Δυναμικής Περιοχής Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Εισαγωγή Η φωτογραφική μηχανή Διάφραγμα, Χρόνος έκθεσης, Ευαισθησία, Εστιακό μήκος Βάθος πεδίου Κύκλος της σύγχυσης Έλεγχος του βάθους πεδίου Eστιακό μήκος και βάθος πεδίου Έκθεση του φιλμ Οι βασικές κατευθύvσεις τoυ φωτισµoύ Αvτίθετoς φωτισµός (Φωτoγράφιση κόvτρα στo φως) Πηγές φωτισµoύ Φωτόµετρα Ψηφιακή αποτύπωση εικόνας Δημιουργία HDR Εικόνας 37

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 3.1 Φωτογραφία και Φωτομέτρηση Διαδικασία Αποτύπωσης HDR Εικόνας Λήψη των Εικόνων Ευθυγράμμιση των Εικόνων Εξαγωγή του Χάρτη Ακτινοβολίας Επεξεργασία και Χαρτογράφιση Tόνων Η τεχνική των Debevec-Malik Ανάκτηση της χαρακτηριστικής καμπύλης Κατασκευή του χάρτη ακτινοβολίας Ραδιομετρική αυτοβαθμονόμηση Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Εισαγωγή Η μέθοδος Λόγοι επιλογής Περίληψη της Μεθόδου Λήψη και οργάνωση των Εικόνων Εύρεση των Περιοχών Μεγαλύτερης Λεπτομέρειας Συνδυασμός των Εικόνων Επισκόπηση του κώδικα Φωτογραφίες δοκιμής Αποτελέσματα Σχόλια, περαιτέρω βελτιώσεις και εφαρμογές Αʹ Κώδικας 69 Βιβλιογραφία 78 1

11 2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

12 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Μια σύντομη ιστορία της φωτογραφίας Από την αρχαιότητα είναι γνωστό ότι οι άνθρωποι είχαν μια ροπή προς την αποτύπωση της εικόνας, κυρίως μέσω της ζωγραφικής. Πέρα όμως από τη ζωγραφική ήδη από το 5ο και 4ο π.χ. αιώνα έχουμε περιγραφή της λειτουργίας της Camera Obscura (Εικ. 1.1), πρόγονο της σημερινής φωτογραφικής μηχανής, από τον Αριστοτέλη και τον Κινέζο φιλόσοφο Mo Ti. Η camera obscura, μπορεί να θεωρηθεί ως ένα κουτί που στη μια άκρη του διαθέτει μια γυαλιστερή επιφάνεια και στην απέναντι άκρη μια πολύ μικρή οπή. Σε μια τέτοια κατασκευή, οι ακτίνες του φωτός διαδίδονται μέσα από την οπή και σχηματίζουν πάνω στην επιφάνεια ένα είδωλο. Στη συνέχεια και για πολλούς αιώνες, αρκετοί ασχολήθηκαν με την camera obscura και το 1558 ο Giovanni della Porta συνιστά τη χρήση μιας ανάλογης φορητής συσκευής στους ζωγράφους για σχεδίαση πορτραίτων και τοπίων. Λίγο νωρίτερα, στα 1550 είχε ήδη συντελεστεί μια σημαντική τροποποίηση της camera obscura και συγκεκριμένα η προσθήκη ενός κοίλου φακού στην οπή εισόδου του φωτός, από τον Girolamo Gardano. Το 1568 ο Daniello Barbaro επινόησε επιπλέον ένα είδος διαφράγματος που επέτρεπε την εστίαση της εικόνας, ενώ το 1636 ο Daniel Schwenter εφηύρε ένα σύστημα πολλαπλών φακών, διαφορετικών εστιακών αποστάσεων, πρόδρομο του σημερινού ζουμ. Ήδη από τον 16ο αιώνα, μπαίνουν οι αρχές πάνω στις οποίες λειτουργούν οι σύγχρονες φωτογραφικές μηχανές.

13 Εισαγωγή Εικόνα 1.1 Camera Obscura Οι μετέπειτα μεταβολές της πρωταρχικής camera obsura οδήγησαν κυρίως σε περισσότερο ελαφρές μηχανές. Παράλληλα ξεκίνησαν οι προσπάθειες για την μόνιμη αποτύπωση της εικόνας σε μια φωτοευαίσθητη επιφάνεια, καθώς παρέμενε σημαντικό μειονέκτημα το γεγονός ότι η απλή camera obscura δεν μπορούσε να διατηρήσει τα είδωλα των αντικειμένων. Τα πρώτα πειράματα πάνω σε φωτοευαίσθητα υλικά χρονολογούνται περίπου στις αρχές του 18ου αιώνα και ανήκουν στον Johann Heinrich Schulze, ο οποίος είχε πετύχει την αποτύπωση του φωτός πάνω σε ένα φωτοευαισθητοποιημένο από άλατα αργύρου χαρτί αλλά στάθηκε αδύνατη η στερέωση της εικόνας. Αργότερα, ο Γάλλος ερευνητής Nicéphore Niépce επανέλαβε (ανεξάρτητα) την αποτύπωση μιας αρνητικής εικόνας με την ίδια όμως δυσκολία στερέωσης της στο χαρτί. Το 1826 ωστόσο, κατάφερε να αποτυπώσει απευθείας σε θετικό την πρώτη φωτογραφία της ιστορίας (Εικ. 1.2), χάρη στη χρήση ενός παραγώγου του πετρελαίου. Για την αποτύπωση της φωτογραφίας αυτής απαιτήθηκε έκθεση στο φως για διάστημα οκτώ ωρών και το θέμα της ήταν οι στέγες των παραθύρων του χωριού Chalon-sur-Saone της Γαλλίας. Ο ίδιος ο Niépce ονόμασε την τεχνική του ηλιογραφία και προσπάθησε, χωρίς ιδιαίτερη επιτυχία, να την διαδώσει. Παράλληλα με τον Niépce, ο ζωγράφος Louis Jacques Mande Daguerre, εφευρέτης του προδρόμου του κινηματογράφου (Diorama), πειραματιζόταν επίσης με την τεχνική της φωτογραφίας και ήταν ο ίδιος που πρότεινε στον Niépce να συνεργαστούν εμπορικά. Αν και ο Daguerre δεν είχε ιδιαίτερες επιστημονι- 4

14 Εισαγωγή Εικόνα 1.2 Η πρώτη φωτογραφία που τραβήχτηκε το 1816 από τον Nicéphore Niépce κές γνώσεις, μετά το θάνατο του Niépce, το 1833, επιδόθηκε στην τελειοποίηση της μεθόδου του και τελικά τα κατάφερε, επινοώντας τη μέθοδο της νταγκεροτυπίας, Εικ. 1.3, την οποία ανακοίνωσε και επίσημα το 1839 στην Ακαδημία Επιστημών και στην Ακαδημία Καλών Τεχνών. Η μέθοδος αυτή βασίστηκε στη δημιουργία μιας θετικής φωτογραφίας και ως τεχνική ήταν παραπλήσια αυτής που χρησιμοποιούν οι σύγχρονες μηχανές τύπου Πολαρόιντ. Νωρίτερα ωστόσο από τον Daguerre, ο Άγγλος λόγιος και επιστήμονας William Fox Talbot είχε ανακαλύψει μια άλλη αντίστοιχη μέθοδο, την οποία είχε κρατήσει μυστική. Μετά την γνωστοποίηση της νταγκεροτυπίας, έσπευσε να την ανακοινώσει ερχόμενος και σε ρήξη με τον Daguerre σχετικά με την πατρότητα της φωτογραφίας. Ο Talbot ονόμασε αρχικά την τεχνική του καλοτυπία αλλά αργότερα μετονομάστηκε σε ταλμποτυπία. Επρόκειτο ουσιαστικά για την δημιουργία μιας ενδιάμεσης αρνητικής εικόνας, που αργότερα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αναπαραγωγή της θετικής, πραγματικής εικόνας. Η καλοτυπία υστερούσε σε ποιότητα έναντι της νταγκεροτυπίας, ωστόσο αυτό ήταν λογικό καθώς χρησιμοποιούσε ως βάση του αρνητικού χαρτί του οποίου η υφή διακρινόταν πάνω στη φωτογραφία. 5

15 Εισαγωγή Εικόνα 1.3 Η πρώτη Νταγκεροτυπία, 1837 Από πολλούς ο Talbot θεωρείται πατέρας της σύγχρονης φωτογραφίας, κυρίως διότι συνέλαβε τη σχέση ανάμεσα στην αρνητική και θετική φωτογραφία. Οι όροι αρνητικό και θετικό χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά από τον John Herschel, φίλο του Talbot. Επιπλέον ο Talbot ήταν ο πρώτος που δημοσίευσε βιβλίο με συλλογή φωτογραφιών, ενώ λειτούργησε την πρώτη επιχείρηση μαζικής αναπαραγωγής και πώλησης φωτογραφιών. Οι όποιες ατέλειες του αρνητικού της καλοτυπίας, σταδιακά περιορίστηκαν με την παράλληλη εξέλιξη της τεχνικής και ειδικότερα με τη χρήση ειδικών γυάλινων πλακών, αρχικά υγρών και αργότερα ξηρών, οι οποίες έπαιζαν το ρόλο των σύχρονων φίλμ και υποκαθιστούσαν όλα τα χημικά που απαιτούνταν παλαιότερα. Οι πλάκες αυτές ωστόσο ζύγιζαν αρκετά, με αποτέλεσμα να μην είναι εύκολο να διαδοθεί η χρήση της φωτογραφικής μηχανής. Τον Ιούλιο του 1888 πραγματοποιήθηκε η επαναστατική για την εποχή ανακάλυψη του φιλμ σε ρολό. Η ιδέα ανήκε στον George Eastman, ο οποίος κατασκεύασε έτσι την πρώτη φωτογραφική μηχανή-κουτί (box camera), την οποία και ονόμασε Kodak. Η μηχανή αυτή χαρακτηριζόταν από μικρό βάρος (περίπου ένα κιλό), είχε μικρές διαστάσεις και διέθετε ένα σταθερό διάφραγμα. Ήταν επιφορτωμένη με ένα ρολό φωτοευαίσθητου χαρτιού πάνω στο οποίο μπορούσαν να αποτυπω- 6

16 Εισαγωγή θούν πολλές φωτογραφίες, τις οποίες αναλάμβανε το εργοστάσιο της Kodak να εμφανίσει και να τυπώσει. Το σύνθημα με το οποίο προωθήθηκε η νέα φωτογραφική μηχανή ήταν εσείς πιέζετε το κουμπί, εμείς αναλαμβάνουμε τα υπόλοιπα. Η ανακάλυψη αυτή αποτέλεσε ορόσημο για την μαζική χρήση της φωτογραφικής μηχανής, ενώ είχε συμβολή και στην εμπορική ανάπτυξη της φωτογραφίας. Από την περίοδο αυτή μέχρι σήμερα ελάχιστες σημαντικές τροποποιήσεις συντελέστηκαν στη χημική φωτογραφία, με κυριότερη ίσως την τεχνική της έγχρωμης φωτογραφίας. Η τεχνική της φωτογραφίας χρώματος εξερευνήθηκε σε ολόκληρη τη διάρκεια του 19ου αιώνα. Τα αρχικά πειράματα αποτύγχαναν να αποτρέψουν το χρώμα από την εξασθένιση. Η πρώτη φωτογραφία χρώματος αποτέλεσε γεγονός το 1861 χάρη στο φυσικό James Clerk Maxwell. Μια από τις πρώτες μεθόδους για έγχρωμες φωτογραφίες περιλάμβανε τη χρήση συνολικά τριών φωτογραφικών μηχανών κάθε μια απο τις οποίες είχε ένα διαφορετικό φίλτρο χρώματος μπροστά από το φακό. Το πρώτο έγχρωμο φιλμ (Autochrome) κυκλοφόρησε ως εμπορικό προϊόν το 1907 αλλά η σύσταση του ήταν διαφορετική από του μεταγενέστερου φιλμ Kodachrome, που κυκλοφόρησε το 1935 βασισμένο σε τρία επιχρωματισμένα στρώματα, το κάθε ένα ευαίσθητο σε ένα από τα τρία πρωτεύοντα χρώματα (μπλε, πράσινο και κόκκινο). Τα έγχρωμα φιλμ διακρίνονται σε έγχρωμα αρνητικά και έγχρωμα θετικά ( διαφάνειες, slides). Τέλος, οι εξελίξεις στη μικροηλεκτρονική τη δεκαετία του 60, συνέβαλαν στην ανάπτυξη των τρανζίστορ και κατ επέκταση στην ανάπτυξη της ψηφιακής φωτογραφίας. Στις ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, αντί για το κοινό χημικό φιλμ χρησιμοποιούνται φωτοευαίσθητοι αισθητήρες. Το μέρος της φωτογραφικής μηχανής που βοηθά την εστίαση της εικόνας είναι το ίδιο. Βέβαια συνοδεύεται πια από πολλά βοηθητικά της χρήσης ηλεκτρονικά μέσα (Αυτόματη εστίαση). Οι αισθητήρες αποτελούνται από έναν αριθμό μικροσκοπικών εικονοστοιχείων, στα οποία αναλύεται η εικόνα. Χρησιμοποιούνται εξειδικευμένα εικονοστοιχεία για κάθε ένα από τρία βασικά χρώματα. Κάθε ένα καταγράφει τις πληροφορίες σχετικά με την ένταση του εισερχόμενου φωτός από το συγκεκριμμένο χρώμα. Στην συνέχεια μετατρέπεται η ένταση σε ένα δυαδικό αριθμό που αποτελεί την 7

17 Εισαγωγή μέτρησή της. Οι πληροφορίες αυτές μεταφέρονται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα της μηχανής τα οποία επεξεργάζονται και αποθηκεύουν την εικόνα σε μορφή αναγνώσιμη απο άλλα μέσα. Η μορφή αυτή είναι μία σειρά δυαδικών αριθμών κατάλληλα οργανωμένων που αποθηκεύονται σε ειδική προσθαφαιρούμενη ηλεκτρονική κάρτα μνήμης. Στη συνέχεια, η φωτογραφία μπορεί να αναπαραχθεί ή να αποθηκευθεί σε ψηφιακά μέσα. Συμπιέζεται σε αρχεία εικόνας (gif, jpeg) ή και καθόλου, Raw ( ωμό ) φορμά, όπου περιέχει όλη την πληροφορία του αισθητήρα, χωρίς συμπίεση και αναπτύχθηκε σαν αντίστοιχο του αρνητικού φιλμ. Τα μέσα αναπαραγωγής της εικόνας είναι οι ίδιες οι φωτογραφικές μηχανές, οι οθόνες των ηλεκτρονικών υπολογιστών αλλά και μυριάδες μέσα ψηφιακής απεικόνισης. Για κάθε ένα από αυτά χρειάζεται η προσαρμογή της μορφής καταγραφής στις απαιτήσεις του συστήματος. Η πρώτη εμπορική ψηφιακή φωτογραφική μηχανή παρουσιάστηκε το Σήμερα οι ψηφιακές μηχανές αποτελούν ευρύτατα διαδεδομένα καταναλωτικά προϊόντα, ενώ συνεχίζουν να εξελίσσονται ενσωματώνοντας επιπλέον δυνατότητες, όπως βιντεοσκόπηση, καθώς και αύξηση του μεγέθους του αισθητήρα, αγγίζοντας ποιότητα εικόνας αντίστοιχη με αυτή του φιλμ. 1.2 Απεικόνιση Υψηλής Δυναμικής Περιοχής Καθώς η τεχνολογία των μηχανών και της τεχνικής φωτογράφισης εξελίχθηκε, έγινε πιο έντονη και η ανάγκη για καλύτερης ποιότητας φωτογραφίες και μεγαλύτερης λεπτομέρειας. Η ποιότητα της φωτογραφίας (ψηφιακής) βελτιώθηκε με την εξέλιξη των αισθητήρων. Όσο μεγαλύτερου μεγέθους ο αισθητήρας, τόσο μεγαλύτερη και καλύτερη η ανάλυση της εικόνας (Εικ. 1.4). Παρόλα αυτά, οι φωτογραφικές μηχανές, οι σύγχρονες τεχνικές φωτογράφισης και ψηφιακής εικονοποίησης δεν μπορούν να αποδώσουν το πραγματικό εύρος εντάσεων που παρατηρεί το ανθρώπινο οπτικό σύστημα. Μια απλή λήψη, έχει περιορισμένη αντίθεση, με αποτέλεσμα την απώλεια πληροφορίας σε φωτεινές και σκοτεινές περιοχές. Η αποτύπωση του πλήρους εύρους των εντάσεων φτεινότητας, αποτελεί αντικείμενο της Απεικόνισης Υψηλής Δυναμικής Περιοχής (ΑΥΔΠ). Το γεγονός ότι η ποιότητα της εικόνας αυξάνεται καθώς εξελίσσεται η τεχνο- 8

18 Εισαγωγή Εικόνα 1.4 Η διαφορά στην ποιότητα της εικόνας είναι εμφανής. Η δεξιά εικόνα τραβήχτηκε με ανάλυση 128x96 pixel, ενώ η αριστερή με 1024x700 λογία των αισθητήρων, δεν επιτρέπει την πλήρη απόδοση των χρωμάτων αλλά και του εύρους φωτεινότητας μιας και υπεισέρχονται διάφοροι τεχνικοί περιορισμοί όπως είναι η φωτομέτρηση και η κωδικοποίηση. Πιο συγκεκριμένα, η πλειοψηφία των έγχρωμων εικόνων χρησιμοποιεί 1 byte ανά pixel για κάθε κανάλι χρώματος (κόκκινο, πράσινο, μπλε). Αυτό σημαίνει πως 1.6 εκατομμύρια χρώματα μπορούν να ανατεθούν σε κάθε pixel. Παρόλα αυτά, μόνο 256 τιμές χρώματος ανατίθενται, στην πράξη, σε κάθε κανάλι, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να αποδωθεί ορθά ένας μεγάλος αριθμός σκηνών (Εικ 1.5). Επίσης, οι μέθοδοι φωτομέτρησης που χρησιμοποιούμε, μας εγγυώνται την σωστή αποτύπωση μόνο ορισμένων σημείων της εικόνας, υποφωτίζοντας ή υπερφωτίζοντας σκοτεινές και φωτεινές περιοχές. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι, στη φύση παρατηρείται μεγάλο εύρος φωτεινότητας. Όπως φαίνεται και στον πίνακα, το ηλιακό φως είναι φωτεινότερο από τον εσωτερικό φωτισμό κατά 3 τάξεις μεγέθους (Πιν. 1.1). Αντίστοιχα, το ανθρώπινο μάτι μπορεί να προσαρμοστεί σε συνθήκες φωτισμού μεγάλου εύρους, περίπου 10 τάξεων μεγέθους[1], σε αντίθεση με τις τεχνικές λήψης και αποτύπωσης της εικόνας που περιορίζουν το εύρος αυτό σε μόλις 2 τάξεις μεγέθους, με αποτέλεσμα εικόνες να παρουσιάζουν έλλειψη λεπτομέρειας σε φωτεινές ή σκοτεινές περιοχές (Εικ. 1.6). Επιθυμούμε, λοιπόν, να αποτυπώσουμε την εικόνα με όσο το δυνατόν μεγαλύτερο εύρος φωτεινοτήτων και χρωματικής απόκρισης, καθώς και επίπεδο κβαντισμού που είναι αντιπροσωπευτικό της εικόνας παρά αντιστοιχισμένο στη συσκευή λήψης. Δηλαδή, αποθηκεύουμε τη μέγιστη δυνατή πληροφορία για όλα τα σημεία της εικόνας, σε αντίθεση με την εικόνα που παράγεται από τη συσκευή λή- 9

19 Εισαγωγή Εικόνα 1.5 Η αριστερή εικόνα έχει βάθος χρώματος 4 bits. Η δεξιά έχει 8 bits. Είναι εμφανής η διαφορά στην ποιότητα, αλλά και στην ρεαλιστικότερη αποτύπωση της σκηνής. ψης και περιέχει απώλεια πληροφορίας και ύστερα μπορούμε να αποτυπώσουμε την εικόνα αυτή στο αντίστοιχο μέσο παρουσίασης, αφού υποστεί κατάλληλη επεξεργασία, μιας και αυτό με τη σειρά του έχει περιορισμένο εύρος δυναμικής φωτεινότητας. Τις εικόνες που περιέχουν τις πληροφορίες υπό τη μορφή εύρους ακτινοβολίας τις ονομάζουμε HDR (High Dynamic Range), ή χάρτες ακτινοβολίας (radiance maps). Από την άλλη, οι εικόνες που είναι κατάλληλες για προβολή χρησιμοποιώντας συμβατικά μέσα, ονομάζονται LDR (Low Dynamic Range). Η χρήση λοιπόν Εικόνων Υψηλής Δυναμικής Περιοχής ενέχει ένα βασικό πλεονέκτημα. Οι εικόνες ταυτίζονται με τις σκηνές που απεικονίζουν παρά με τις συσκευές προβολής που προορίζονται. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η πιστότητα των HDR εικόνων να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών. Επίσης, η οποία επεξεργασία μπορεί να γίνει πάνω στο σύνολο της πληροφορίας της εικόνας, χωρίς να έχουμε απώλεια πληροφορίας. Για παράδειγμα, επεξεργασία χρώματος, αντίθεσης ή φωτεινότητας μεταβάλλει μη γραμμικά τις τιμές των pixels 10

20 Εισαγωγή με αποτέλεσμα ορισμένες τιμές να απαιτούν μεγαλύτερη ακρίβεια από αυτή που παρέχεται από τη κωδικοποίηση των 8-bit. Μια HDR απεικόνιση θα μείωνε τα σφάλματα ακρίβειας σε μη ανιχνεύσιμα από τον άνθρωπο επίπεδα. Συνθήκες Φωτεινότητα (cd/m 2 ) Ξαστεριά 10 3 Σεληνόφως 10 1 Εσωτερικός Φωτισμός 10 2 Ηλιοφάνεια 10 5 Φωτεινότητα οθόνης CRT 10 2 Πίνακας 1.1 Η φωτεινότητα του περιβάλλοντος για συγκεκριμένες συνθήκες φωτισμού.[2] 1.3 Εφαρμογές της Απεικόνισης Υψηλής Δυναμικής Περιοχής Η ΑΥΔΠ βρίσκει εφαρμογή σε διάφορους τομείς όπως: Ψηφιακή Φωτογραφία Οι εταιρίες κατασκευής φωτογραφικών μηχανών κατευθύνονται ολοένα και περισσότερο προς την αποτύπωση της πληροφορίας υπό τη μορφή σκηνοκεντρικής (scene referred) πληροφορίας, παρά προβολοκεντρικής (display referred). Σε αυτή την κατεύθυνση έχουμε την πλήρη ανάπτυξη RAW φορμά, που αποθηκεύει την πληροφορία από τον αισθητήρα χωρίς τη διαμεσολάβηση κάποιας επεξεργασίας ή συμπίεσης. Εκτός τούτου δίνεται η δυνατότητα στους χρήστες να φωτογραφίσουν μονομιάς διαφορετικά εκτεθειμένες λήψεις μιας φωτογραφίας (Auto Exposure Bracketing) και να αποσπάσουν από αυτές μια HDR εικόνα με τη χρήση ειδικού λογισμικού, είτε κατευθείαν από τη φωτογραφική μηχανή. Επιστήμη Σε πολλές επιστημονικές εφαρμογές, καταγράφουμε πληροφορία μεγάλου εύρους αλλά και μη ορατή στο ανθρώπινο μάτι (infrared photography). H χρήση HDR εικόνων είναι χρήσιμη για την απεικόνιση της πολυφασματικής 11

21 Εισαγωγή Εικόνα 1.6 Χαμηλού δυναμικού εύρους φωτογραφία και η αντίστοιχη υψηλού δυναμικού εύρους. πληροφορίας συνδυασμένης με μεταπληροφορίες. Κινηματογράφος Με τη βοήθεια ειδικού λογισμικού (HDRShop[3]) παράγονται light probes (ειδικές εικόνες που αναπαριστούν το φωτισμό στο εσωτερικό ενός δωματίου). Με τη βοήθεια αυτών των εικόνων φωτίζονται εικονικά αντικείμενα, ούτως ώστε να δίνεται η εντύπωση πως δέχονται τον ίδιο φωτισμό με τα πραγματικά αντικείμενα. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται συχνά κατά τον συνδυασμό CGI (Computer Generated Imagery) με σκηνικά. Πανόραμα Εικόνων Κατά τη λήψη πανοράματος κάποιο κομμάτι μπορεί να περιέχει τον ήλιο, με συνέπεια να είναι έντονα φωτισμένο. Αντίστοιχα, άλλα κομμάτια μπορεί να περιέχουν έντονα υποφωτισμένες περιοχές, συνθέτοντας μια εικόνα γεμάτη αντιθέσεις και οπτικά δυσάρεστη[4]. Hardware Η έρευνα σε αυτή την περιοχή έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη υλικού, όπως ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές με τη δυνατότητα λήψης HDR εικόνων, οθόνες μεγάλου εύρους φωτεινότητας[5] και κλειστά συστήματα τηλεόρασης. Οι οθόνες μεγάλου εύρους φωτεινότητας απεικονίζουν πλήρως και με μεγάλη 12

22 Εισαγωγή πιστότητα μια HDR εικόνα, σε αντίθεση με τις κλασσικές συσκευές απεικόνισης όπου μια HDR εικόνα επιδέχεται προεπεξεργασία. Τα κλειστά συστήματα τηλεόρασης, χρησιμοποιούνται πολύ συχνά για τον έλεγχο των εισόδων κτηρίων. Το εσωτερικό όμως του κτηρίου έχει μεγάλη διαφορά φωτεινότητας από το εξωτερικό. Οι συμβατικές βιντεοκάμερες δεν είναι ικανές να συλλάβουν ταυτόχρονα και πιστά τέτοιες αντιθέσεις. Αντίθετα, μια HDR βιντεοκάμερα έχει τη δυνατότητα να καταγράψει τη δραστηριότητα, ταυτόχρονα, και στο εξωτερικό και στο εσωτερικό ενός κτηρίου. Τεχνολογία γραφικών και εικονικής πραγματικότητας Γίνεται χρήση HDR εικόνων για την απεικόνιση συνθηκών φωτισμού σε εφαρμογές γραφικών, κατά το στάδιο του rendering. Επεξεργασία Εικόνας Εφαρμογές επεξεργασίας εικόνας υποστηρίζουν την επεξεργασία HDR εικόνων. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να εφαρμόσει επεξεργασίες δύσκολες ή απίθανες χρησιμοποιώντας συμβατικές εικόνες. Τέτοιες διεργασίες είναι ακραίες αλλαγές στο χρώμα και την αντίθεση και ισορροπία λευκού (δεν πραγματοποιείται με επιτυχία αν υπάρχουν υπερεκτεθειμένα pixels). 13

23

24 Κεφάλαιο 2 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία 2.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγράψουμε τα μέρη από τα οποία αποτελείται μια φωτογραφική μηχανή, καθώς και όρους οι οποίοι θα μας απασχολήσουν στη συνέχεια της εργασίας. 2.2 Η φωτογραφική μηχανή Για να περιγράψουμε γενικά τη λειτουργία και τα μέρη μιας φωτογραφικής μηχανής θα χρησιμοποιήσουμε ως πρότυπο τη μηχανή SLR. Η SLR (Single Lens Reflex) μηχανή,εικ. 2.1, είναι από τα πιο διαδεδομένα είδη φωτογραφικής μηχανής δίνοντας τον απόλυτο έλεγχο στο χρήστη κατά τη λήψη της φωτογραφίας. Αποτελείται από δύο βασικά μέρη, το κυρίως σώμα και το φακό, ο οποίος είναι αποσπώμενος. Μέσω του φακού, οι ακτίνες του φωτός εστιάζονται τόσο στο σκόπευτρο, που χρησιμοποιείται για την εποπτεία του προς φωτογράφιση θέματος, όσο και στην επιφάνεια λήψης που είναι είτε η επιφάνεια του φιλμ ή CMOS αισθητήρας. Πιο αναλυτικά, στηριζόμενοι στη εικόνα 2.2, παρακολουθούμε τη διαδρομή που

25 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Εικόνα 2.1 SLR φωτογραφική μηχανή ακολουθεί το φως. Αρχικά το φως εισέρχεται μέσω του φακού στο κυρίως σώμα της μηχανής, το οποίο είναι φωτοστεγανό. Οι ακτίνες ανακλώνται από τον καθρέπτη ο οποίος τις στέλνει στο σκόπευτρο, από όπου ο φωτογράφος εποπτεύει το θέμα του (θέση κάδρου, εστίαση). Στη συνέχεια, μετά το πάτημα του πλήκτρου λήψης, ο καθρέπτης σηκώνεται και ταυτόχρονα σηκώνεται και η κουρτίνα επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την έκθεση του φιλμ ή του αισθητήρα στο φως. [6, 7] 2.3 Διάφραγμα, Χρόνος έκθεσης, Ευαισθησία, Εστιακό μήκος Η λήψη της φωτογραφίας είναι μια απλή διαδικασία που περιλαμβάνει τρεις κύριες παραμέτρους. Αυτές οι παράμετροι είναι η ποσότητα του φωτός που θα εκτεθεί πάνω στο φιλμ, ο χρόνος της έκθεσης και η ευαισθησία του φιλμ. Η ποσότητα του φωτός ελέγχεται μέσω του διαφράγματος του φακού. Όταν πατηθεί το πλήκτρο, το διάφραγμα του φακού (Εικ. 2.3) κλείνει σχηματίζοντας 16

26 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Εικόνα Φακός 2. Καθρέπτης 3.Κουρτίνα 4.Φιλμ/Αισθητήρας 5.Οθόνη εστίασης 6.Φακός συμπύκνωσης 7.Πεντάπρισμα 8.Σκόπευτρο μια οπή μέσα από την οποία περνάει το φως. Όσο μεγαλύτερη η οπή τόσο περισσότερο το φως. Πέρα από την ποσότητα του φωτός που αφήνει να διαπεράσει το διάφραγμα, ο έλεγχος του διαφράγματος συμβάλλει στη διαμόρφωση του βάθους πεδίου της φωτογραφίας. Βάθος πεδίου ονομάζονται οι περιοχές, μπροστά και πίσω από το εστιασμένο προς φωτογράφιση θέμα, που είναι καθαρές και διακρίνονται με ακρίβεια. Το βάθος πεδίου μεταβάλετε τρεις παράγοντες: το άνοιγμα του διαφράγματος, την απόσταση της μηχανής από το θέμα και την εστιακή απόσταση του φακού. Αλλάζοντας το βάθος πεδίου μπορούμε να δημιουργήσουμε αρκετά διαφορετικές φωτογραφίες από το ίδιο θέμα δίνοντας έμφαση σε ορισμένα στοιχεία και αφήνοντας άλλα ανεστίαστα, τονίζοντας μια σκηνή με βάθος, κ.ά. Όταν ο φακός είναι κλειστός (με το μικρότερό του διάφραγμα), το βάθος πεδίου είναι το μέγιστο δυνατό. Καθώς ανοίγει το διάφραγμα αυτή η καθαρή ζώνη γύρω από το εστιασμένο θέμα σας μικραίνει. 17

27 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Η απόσταση της μηχανής από το θέμα επηρεάζει κι αυτή το βάθος πεδίου όσο πιο κοντά βρίσκεστε στο θέμα σας τόσο πιο μικρό είναι και το βάθος πεδίου και το αντίστροφο. Ο τρίτος παράγοντας που επιδρά πάνω στο βάθος πεδίου είναι η εστιακή απόσταση του φακού. Η εστιακή απόσταση είναι η απόσταση από το φακό, στην οποία οι συγκεντρώμενες ακτίνες του φωτός εστιάζονται. Στη φωτογραφία, πρακτικά, μεγαλύτερη εστιακή απόσταση έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη μεγέθυνση και μικρότερη γωνία θέασης. Όσο μικρότερη είναι η εστιακή απόσταση του φακού τόσο πιο μεγάλο είναι το βάθος πεδίου ακόμη και στο μικρότερο διάφραγμά του, ένας τηλεφακός δίνει συγκριτικά μικρό βάθος πεδίου. Εικόνα 2.3 Διάφραγμα Πέρα όμως από τη ποσότητα του φωτός, πρέπει να οριστεί και ο χρόνος για τον οποίο θα εκτεθεί η φωτοευαίσθητη επιφάνεια. Αυτό ελέγχεται με την επιλογή της ταχύτητας του κλείστρου. Δηλαδή για πόσο χρόνο θα παραμείνει σηκωμένη η κουρτίνα, αφήνοντας τις ακτίνες του φωτός να περάσουν. Οι ταχύτητες κλείστρου ξεκινούν από χιλιοστά του δευτερολέπτου και φτάνουν μερικά δευτερόλεπτα. Μία τυπική κλίμακα ταχυτήτων κλείστρου είναι 1/2000, 1/1000, 1/500, 18

28 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία 1/250, 1/125, 1/60, 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8. Με τη χρήση της ταχύτητας κλείστρου μπορούμε να δημιουργήσουμε διάφορα οπτικά εφέ όπως το πάγωμα της κίνησης, θάμπωμα της κίνησης ή αποτύπωση της ροή της κίνησης. Τέλος, σημαντικό ρόλο στη λήψη της φωτογραφίας παίζει και η ευαισθησία του φιλμ ή του αισθητήρα. Το φιλμ είναι ένα υλικό που χρησιμοποιείται από φωτογραφικές και κινηματογραφικές μηχανές για να καταγράψει κινούμενες ή ακίνητες εικόνες. Με την ανάπτυξη της ψηφιακής τεχνολογίας, το φιλμ αντικαταστάθηκε από φωτοευαίσθητους αισθητήρες. Η ευαισθησία ενός φιλμ είναι ένα μέτρο σύγκρισης για την ποσότητα του φωτός που χρειάζεται ένα φιλμ προκειμένου να δώσει ένα ευκρινές είδωλο. Η ευαισθησία των φιλμ σήμερα μετριέται με το σύστημα ISO, ενώ παλιότερα συστήματα ήταν τα ASA, DIN και άλλα. Μεγαλύτερος αριθμός ISO σημαίνει μεγαλύτερη ευαισθησία. Για παράδειγμα, ένα φιλμ ISO 400 μπορεί με διπλάσια ταχύτητα φωτοφράκτη (δηλαδή με τη μισή ποσότητα φωτός) να πετύχει το ίδιο αποτέλεσμα με ένα φιλμ ISO 200. Για το λόγο αυτό, τα φιλμ με μεγάλο ISO λέγονται γρήγορα, ενώ αυτά με μικρό αργά. Λόγω της κατασκευής των φιλμς, η διαφορά σε ISO σημαίνει και διαφορά στην ποιότητα της εικόνας - τα φιλμς με μεγαλύτερο ISO συνήθως έχουν μεγαλύτερο κόκκο ( συγκεντρώσεις αλάτων μετάλλου Εικ. 2.4) στην εμφάνιση. Αντίστοιχα, στην ψηφιακή φωτογραφία, έχουμε την εμφάνιση θορύβου στην τελική εικόνα (Εικ. 2.5). Τα συνηθισμένα φιλμ του εμπορίου έχουν ταχύτητες περίπου. Η μέτρηση της ευαισθησίας κατά ISO έχει κληρονομηθεί και από τις ψηφιακές μηχανές, χωρίς ωστόσο να υπάρχει απόλυτη αντιστοιχία. Τέλος, το εστιακό μήκος του φακού είναι η απόσταση στην οποία η συγκλίνουσες ακτίνες φωτός εστιάζονται από τον φακό (Εικ. 2.6). Πρακτικά, στις φωτογραφικές μηχανές είναι η απόσταση του φακού από το φιλμ ή τον αισθητήρα (Εικ. 2.7). Όσο μεγαλύτερο είναι το εστιακό μήκος, τόσο μικρότερη είναι η γωνία λήψης φ (τηλεφακός). Αντίθετα, με μικρό εστιακό μήκος επιτυγχάνεται ευρεία γωνία λήψης. [7, 8] 19

29 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Εικόνα 2.4 Φωτογραφία με υψηλή παρουσία κόκκου 2.4 Βάθος πεδίου Βάθος πεδίου ονομάζεται το εύρος της απόστασης που φαίνεται καθαρό σε μια φωτογραφία. Ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο μηχανής, το διάφραγμα και την εστιακή απόσταση. Το μέγεθος της εκτύπωσης καθώς και η απόσταση θέασης μπορούν επίσης να επηρεάσουν την αντίληψή μας για το βάθος πεδίου. Το βάθος πεδίου δεν αλλάζει απότομα, αλλά εμφανίζεται ως μια σταδιακή μετάβαση. Στην πραγματικότητα, τα πάντα αμέσως μπροστά του ή πίσω του την περιοχή που είναι εστιασμένη χάνουν ευκρίνεια (Εικ. 2.8) - ακόμη και αν αυτό δεν γίνεται αντιληπτό από τα μάτια μας ή από την ανάλυση της φωτογραφικής μηχανής Κύκλος της σύγχυσης Καθώς δεν υπάρχει συγκεκριμένο σημείο μετάβασης από τη καθαρή εικόνα στην θολή, χρησιμοποιείται ο όρος Κύκλος της Σύγχυσης για να καθορίσει πόσο πρέπει ένα σημείο να είναι θολό ώστε να χαρακτηριστεί δυσδιάκριτο (Εικ. 2.9). Όταν ο κύκλος της σύγχυσης γίνεται αντιληπτός στα μάτια μας, η περιοχή αυτή θεωρείται ότι βρίσκεται εσωτερικά του βάθους πεδίου. Ένας αποδεκτά διαυγής (sharp) κύκλος σύγχυσης θεωρείται (χρησιμοποιώντας μια απλουστευμένη προσέγγιση) αυτός που παραμένει απαρατήρητος όταν η ει- 20

30 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Εικόνα 2.5 Το αποτέλεσμα του θορύβου εξαιτίας της ευαισθησίας του αισθητήρα. Στην πρώτη έχουμε 100 ISO, ενώ στη δεύτερη 3200 ISO Εικόνα 2.6 Εστιακό μήκος κόνα αποτυπωθεί σε διαστάσεις 8x10 ιντσών και θεαθεί από μια τυπική απόσταση 1 ποδιού Έλεγχος του βάθους πεδίου Αν και το μέγεθος εκτύπωσης και προβολής και η απόσταση θέασης επηρεάζουν το μέγεθος του κύκλου της σύγχυσης που γίνεται αντιληπτό από το οπτικό μας σύστημα, το διάφραγμα και η εστιακή απόσταση είναι οι δύο βασικοί παράγοντες που καθορίζουν το μέγεθος του κύκλου σύγχυσης στον αισθητήρα της φωτογραφικής μηχανής. Μεγαλύτερα ανοίγματα (μικρότερος αριθμός f-stop) και μικρή εστιακή απόσταση παράγουν μικρό βάθος πεδίου (Εικ. 2.10). 21

31 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Εικόνα 2.7 Εστιακό μήκος, πρακτικά Εικόνα 2.8 Βάθος πεδίου Eστιακό μήκος και βάθος πεδίου Πέραν των παραπάνω, σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του βάθους πεδίου, παίζει το εστιακό μήκος του φακού. Οπτικά οι τηλεφακοί φαίνεται να έχουν μικρό βάθος πεδίου, και αυτό συμβαίνει γιατί χρησιμοποιούνται για να μεγεθύνουν μακρινά αντικείμενα. Όμως, εάν το αντικείμενο διατηρεί το ίδιο ποσοστό της φωτογραφίας (έχει σταθερή μεγέθυνση), τόσο για ένα τηλεφακό όσο και για ένα ευρυγώνιο φακό, το συνολικό βάθος πεδίου παραμένει σχεδόν το ίδιο (όπως προκύπτει και από τον παρακάτω πίνακα) για σταθερό διάφραγμα. Αυτό βέβαια απαιτεί να πλησιάσει κανείς πολύ κοντά στο θέμα με ένα ευρυγώνιο φακό ή να απομακρυνθεί από αυτό με ένα τηλεφακό. Υπάρχει πράγματι μια λεπτή διαφορά για τα μικρότερα εστιακά μήκη. Αυτό 22

32 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Εικόνα 2.9 Απλουστευμένη απεικόνιση του κύκλου της σύγχυσης Εικόνα 2.10 Βάθος πεδίου συναρτήσει του διαφράγματος είναι ένα πραγματικό φαινόμενο, αλλά είναι αμελητέα σε σύγκριση τόσο με διάφραγμα και την απόσταση εστίασης. Ακόμα κι αν το συνολικό βάθος πεδίου είναι σχεδόν σταθερό, το κλάσμα του βάθους πεδίου που βρίσκεται μπροστά και πίσω από την απόσταση εστίασης αλλάζει με εστιακή απόσταση, όπως φαίνεται παρακάτω: Ένας ευρυγώνιος φακός παρέχει μια πιο βαθμιαία εξασθένιση του βάθους πεδίου από το σημείο εστίασης παρά από μπροστά, το οποίο είναι χρήσιμο στις παραδοσιακές φωτογραφίες τοπίου. Φακοί με μεγαλύτερη εστιακή απόσταση μπορεί να φαίνεται ότι έχουν χαμηλό βάθος πεδίου επειδή έχουν ισότιμο βάθος τόσο στο φόντο όσο και στο προσκήνιο (λόγω της στενότερης γωνία λήψης). Αυτό μπορεί να κάνει ένα φόντο εκτός εστίασης να φαίνεται ακόμα περισσότερο ανεστίαστο λόγω της μεγέθυνσης του θαμπώματος. Ωστόσο, αυτό είναι μια άλλη έννοια εξ ολοκλήρου, δεδομένου ότι το βάθος πεδίου περιγράφει μόνο την διαυγή περιοχή της φωτογραφίας, και όχι οι θολές περιοχές. 23

33 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Εστιακό μήκος (mm) Εστιακή απόσταση (m) Βάθος πεδίου (m) 10 0,5 0, ,0 0, ,5 0, ,0 0, , ,404 Πίνακας 2.1 Βάθος πεδίου για διάφορους φακούς με σταθερό διάφραγμα Εστιακό μήκος (mm) Όπισθεν Έμπροσθεν 10 70,2% 29,8% 20 60,1% 39,9% 50 54,0% 46,0% ,0% 48,0% ,0% 49,0% ,5% 49,5% Πίνακας 2.2 Κατανομή του βάθους πεδίου Από την άλλη πλευρά, όταν στεκόμαστε στο ίδιο σημείο και εστιάζοντας σε ένα θέμα στην ίδια απόσταση, ένας φακός μεγαλύτερου εστιακού μήκους θα έχει μικρότερο βάθος πεδίου (έστω και αν οι εικόνες θα δείχνουν κάτι τελείως διαφορετικό). Αυτό είναι ένα αποτέλεσμα που οφείλεται στη μεγαλύτερη μεγέθυνση και όχι στο εστιακό μήκος. [7, 8] 2.5 Έκθεση του φιλμ Η έκθεση τoυ φιλµ στο φως γίvεται µε τη λειτoυργία τoυ κλείστρου και τoυ διαφράγµατoς. Τo µεv διάφραγµα ρυθµίζει την πoσότητα τoυ φωτός πoυ θα φτάσει στo φιλµ, τo δε κλείστρo ρυθµίζει τo χρόvo πoυ η πoσότητα αυτή θα επιτραπεί vα ευαισθητoπoιήσει τo φιλµ. Τo φως, πoυ απoτελεί προφανώς τη βάση της φωτογραφίας αφού αυτό δημιουργεί την εικόνα, έχει τρία κύρια χαρακτηριστικά: την ποσότητα την ποιότητα 24

34 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία την κατεύθυvση 1. Η πoσότητα τoυ φωτός πρέπει vα είvαι τόση ώστε vα επιτρέψει την απoτύπωση της εικόνας στo φιλµ. Ο χρόvoς έκθεσης πρέπει, κατά συvέπεια, vα πρoσδιoρίζεται όσo τo δυvατόv ακριβέστερα, γιατί από αυτόv, κατά έvα µεγάλo µέρoς, εξαρτάται η τελική πoιότητα της εικόvας. 2. Η πoιότητα τoυ φωτισµoύ ρυθµίζει την oµαλή διαβάθµιση τωv τόvωv αvάµεσα στά φωτειvά και τα σκιερά µέρη της εικόvας. Ετσι µε την ισoρρoπία τωv τόvωv δηµιoυργείται εικόvα αρµovική ευχάριστη και τελικώς χρήσιµη. 3. Η κατεύθυvση τoυ φωτός τovίζει τo σχήµα τoυ αvτικειµέvoυ και απoτυπώvει, µε τη βoήθεια τωv σκιώv, τo αvάγλυφό τoυ στηv εικόvα. Για vα γίvει σωστή εκµετάλλευση της κατεύθυvσης τoυ φωτισµoύ, πρέπει vα είvαι γvωστά τα βασικά απoτελέσµατα πoυ παρoυσιάζει κάθε περίπτωση κατεύθυvσης φωτισµoύ Οι βασικές κατευθύvσεις τoυ φωτισµoύ Κατά µέτωπo φωτισµός Οταv o φωτισµός πέφτει επάvω στo αvτικείµεvo από τηv διέυθυvση της θέσης λήψης, τότε αυτό θα φαvεί στη φωτoγραφία επίπεδo, χωρίς καµιά σκιά πoυ vα δείχvει τo αvάγλυφo. Αφαιρώvτας τις σκιές µε τov κατά µέτωπo φωτισµό, αφαιρείται η ζωvτάvια τoυ θέµατoς. Γι αυτό o φωτισµός αυτoύ τoυ είδoυς συvιστάται για τη φωτoγράφιση επίπεδωv αvτικειµέvωv Αvτίθετoς φωτισµός (Φωτoγράφιση κόvτρα στo φως) Η κατεύθυvση τoυ φωτισµoύ αυτoύ είvαι εvτελώς αvτιθετη από τηv πρoηγoύ- µεvη. Η κύρια πηγή φωτισµoύ ευρίσκεται πίσω από τo θέµα και κατευθύvει τo φως πρoς τη φωτoγραφική µηχαvή, δηµιoυργώvτας έτσι έvα φωτoστέφαvo γύρω από τo αvτικείµεvo. Μια µικρή συµπληρωµατική πηγή τoπoθετείται συvήθως για vα φωτίσει τo µπρoστιvό µέρoς της εικόvας. Ο φωτισµός αυτός πρoσφέρεται κυρίως για θέµατα σιλoυέτας, ατµοσφαιρικών τoπίωv ή για τη φωτoγράφιση διάφαvωv (π.χ.κρυστάλλιvωv) αvτικειµέvωv. 25

35 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Πλευρικός φωτισµός Κατά τov πλευρικό φωτισµό, τo φως κατευθύvεται πρoς τo αvτικείµεvo µε διεύθυvση κάθετη πρoς τov άξovα λήψης. Εvα αvτικείµεvo πoυ φωτoγραφίζεται µε πλευρικό φωτισµό παρoυσιάζει έvτovες διαφoρές αvάµεσα στις φωτειvές και µη περιoχές. Απoτέλεσµα αυτής της µεγάλης αvτίθεσης (κovτράστ) είvαι vα δη- µιoυργείται έvα διαφoρετικό εφέ στηv εικόvα, πoυ πoλλές φoρές µπoρεί vα είvαι αvεπιθύµητo. Φωτισµός τριώv τετάρτωv Η πηγή φωτισµoύ βρίσκεται λίγo ψηλότερα από τo αvτικείµεvo και πρoς τo µέρoς της µηχαvής, έτσι ώστε vα φωτίζει µεγαλύτερo µέρoς τoυ θέµατoς από ό,τι o πλευρικός φωτισµός. Ο φωτισµός αυτός τovίζει τo αvάγλυφo, oι σκιές γίvovται απαλές και η κατεύθυvσή τoυς συµβάλλει στo vα παρoυσιαστεί έvα απoτέλεσµα δυvαµικό. Ο φωτισµός τριώv τετάρτωv είvαι κατάλληλoς για τoπία, πoρτραίτα και κυρίως αρχιτεκτovικά έργα. Είvαι ίσως o καταλληλότερoς φωτισµός για τις φωτoγραµµετρικές λήψεις αvτικειµέvωv σε αvoιχτό ή κλειστό χώρo. Κατακόρυφoς φωτισµός Η κύρια φωτειvή πηγή ευρίσκεται ακριβώς επάvω από τo αvτικείµεvo και δίvει έvτovα τovισµέvες σκιές χωρίς λεπτoµέρειες. Η φωτoγράφιση µε αυτή τηv κατεύθυvση πρέπει εv γέvει vα απoφεύγεται γιατί oι εικόvες δεv παρoυσιάζoυv ιδιαίτερo εvδιαφέρov και η απώλεια τωv λεπτoµερειώv είvαι πoλύ µεγάλη. Φωτισµός από κάτω πρoς τα επάvω Η κύρια φωτειvή πηγή ευρίσκεται ακριβώς κάτω από τo αvτικείµεvo. Ο φωτισµός αυτός είvαι αφύσικoς, γιατί o άvθρωπoς έχει συvηθίσει vα βλέπει τov φωτισµό vα έρχεται πάvτα ψηλότερα από τo θέµα. Είvαι o χειρότερoς φωτισµός για τη µετρητική αξιoπoίηση τωv λήψεωv. 26

36 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Πηγές φωτισµoύ Υπάρχoυv δύo βασικά είδη φωτισµoύ: Ο φυσικός φωτισµός και o τεχvητός φωτισµός. Φυσικός φωτισµός είvαι βεβαίως o ήλιoς. Ο µεγαλύτερoς αριθµός φωτoγραφιώv βγαίvει κατά τη διάρκεια της ηµέρας. Παρόλα αυτά, υπάρχoυv αρκετά πρoβλήµατα στη φωτoγράφιση µε τov ήλιo, κυρίως για αvτικείµεvα πoυ δεv µετακιvoύvται (κτίρια, τoπία κ.τ.λ.), δεδoµέvoυ ότι η τρoχιά τoυ ήλιoυ µεταβάλλεται από επoχή σε επoχή και η διάρκεια της ηµέρας τov χειµώvα είvαι πιo µικρή. Η έvταση επίσης αυξoµειώvεται συvεχώς, όταv υπάρχoυv έστω και µικρά σύvvεφα. Ετσι, όταv η φωτoγράφιση πρέπει vα γίvει κάπoια oρισµέvη ώρα της ηµέρας, o χρόvoς πoυ χάvεται κατά τηv πρoετoιµασία είvαι πoλύτιµoς. Θερµoκρασία χρώµατoς Η διαφoρoπoίηση στo χρώµα τoυ φωτός πoυ ακτιvoβoλoύv oι διάφoρες φωτειvές πηγές εξαρτάται, όπως είvαι γvωστό, και από τη θερµoκρασία τoυς. Υπεvθυµίζεται ότι, εάv έvα σώµα θερµαvθεί, θα ακτιvoβoλεί κυρίως κόκκιvo χρώµα, εάv θερµαvθεί περισσότερo, λευκό και στo τέλoς, σε πoλύ µεγάλη θερµoκρασία, θα ακτιvoβoλεί µπλε χρώµα. Με αυτό τo σκεπτικό απoδίδovται τιµές θερµoκρασίας στα διάφoρα σώµατα πoυ απoτελoύv φωτειvές πηγές (Εικ 2.11). Για τη θερµoκρασία χρώµατoς, όπως λέγεται τo φαιvόµεvo αυτό, χρησιµoπoιείται η κλί- µακα τωv απόλυτωv θερµoκρασιώv µε µovάδες µέτρησης τoυς βαθµoύς Kelvin (oκ). Υπενθυµίζεται ότι 0οΚ = -273οC Η θερµoκρασία χρώµατoς είvαι πάρα πoλύ σηµαvτικός παράγovτας για τηv κατάλληλη επιλoγή φιλµ και φίλτρωv κατά τη φωτoγράφιση. Τo αvθρώπιvo µάτι πρoσαρµόζεται πoλύ εύκoλα, ώστε vα αvτιλαµβάvεται σχεδόv κάθε είδoυς φωτισµό, φυσικό ή τεχvητό, ακόµα και εvός κεριoύ, ως λευκό. Αvτιθέτως oι φωτoευαίσθητες επιφάvειες δεv έχoυv αυτή τη δυvατότητα. Ετσι, για παράδειγµα, έvα φιλµ πoυ είvαι κατασκευασµέvo για φως ηµέρας (5500oΚ) θα απoδώσει µια κόκκιvη χρoιά στη φωτoγραφία πoυ θα παρθεί µε φωτισµό εvός κεριoύ (1800oΚ). ιαπιστώvεται ότι η θερµoκρασία χρώµατoς είvαι αvτιστρόφως αvάλoγη αυτoύ πoυ έχει επικρατήσει vα θεωρείται ως θερµό ή ψυχρό χρώµα. Οι θερµoκρασίες τωv χρωµάτωv πρέπει, ειδικώς για δύσκoλες φωτιστικές συvθήκες, vα µετρώvται µε ακρίβεια πριv από τη φωτoγράφιση. Για τo σκoπό αυτό χρησιµoπoιoύvται ειδικά όργαvα πoυ λέγovται πυρόµετρα ή, πιo συvηθισµέvα, κελβιvόµετρα. Η επιλoγή τoυ κατάλληλoυ φιλµ και φίλτρoυ για τηv 27

37 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία σωστή απεικόvιση απoτελεί αvτικείµεvo επόµεvoυ κεφαλαίoυ. Εικόνα 2.11 θερμοκρασία χρώματος Είδη τεχvητoύ φωτισµoύ Οι τεχvητές πηγές φωτισµoύ όµως, µπoρoύv vα υπερvικήσoυv τις δυσκoλίες. Πρoέρχovται από φωτιστικά σώµατα πoυ µπoρoύv vα δώσoυv διάχυτo ή κατευθυvόµεvo φωτισµό. Τα φωτιστικά σώµατα για διάχυτo φωτισµό µπoρεί vα έχoυv και περισσότερoυς από έvα λαµπτήρες, τoπoθετηµέvoυς µέσα σε αvακλαστήρες, για vα συγκεvτρώvεται και vα κατευθύvεται καλύτερα o φωτισµός. Μπoρεί επίσης vα καλύπτovται στo εµπρός τµήµα τoυς από µία ηµιδιαφαvή επιφάvεια, 28

38 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία όπως πλεξιγκλάς, θαµπόγυαλo κ.τ.λ., για µείωση τωv αvτιθέσεωv και τηv καλύτερη απόδoση τωv λεπτoµερειώv. Η πιo απλή µέθoδoς είvαι η χρήση εvός αvακλαστήρα, πoυ θα κατευθύvει τo φως από τηv κύρια πηγή, εκεί πoυ είvαι επιθυµητό. Η oρoφή, o πλησιέστερoς τoίχoς, µια oθόvη πρoβoλής, µια φωτoγραφική oµπρέλα ή ακόµη και έvα λευκό χαρτόvι, είvαι µερικά είδη αvακλαστήρωv πoυ θα επιτύχoυv διάχυτo φωτισµό. Τov κατευθυvόµεvo φωτισµό τov δίvoυv τα φωτιστικά πoυ λέγovται σπoτ. Εµπρός από τη λυχvία υπάρχει έvας ισχυρός συγκεvτρωτικός φακός και πίσω έvα κoίλo κάτoπτρo. Η απόσταση της λυχvίας από τo φακό µπoρεί vα µεταβληθεί, ώστε αvτιστoίχως vα µεταβάλλεται και η διάµετρoς της εξερχόµεvης δέσµης. Ο συγκεvτρωτικός φακός τωv σπoτ είvαι φακός τύπoυ Φρεvέλ. Σήµερα υπάρχει µεγάλη δυvατότητα στηv εκλoγή τωv τεχvητώv πηγώv φωτισµoύ, σπoυδαιότερες από τις oπoίες είvαι: 1. Λαµπτήρες φθoρισµoύ για γεvικό διάχυτo φωτισµό. Σ αυτή τηv περίπτωση θα πρέπει vα χρησιµoπoιηθεί ειδικό φίλτρo, για εξισoρρόπηση της θερµoκρασίας χρώµατoς τoυ φωτός. 2. Λάµπες φωτo-φλoυvτ (Photoflood) σε δυo κυρίως µεγέθη έvτασης, 250 και 500 Watt. Η θερµoκρασία χρώµατoς τoυ φωτός πoυ εκπέµπoυv είvαι 3200 Κ Κ. Η διάρκεια ζωής τωv λαµπτήρωv είvαι περιoρισµέvη. 3. Λάµπες χαλαζίoυ-ιωδίoυ, από Watt, 3200 Κ Κ. Οι λαµπτήρες αυτώv τωv φωτιστικώv δεv πρέπει σε καµµία περίπτωση vα έρχovται σε επαφή µε τo γυµvό χέρι. 4. Φλας. Πoλλές φoρές τo φως πoυ υπάρχει στoυς χώρoυς, πoυ πρόκειται vα γίvει φωτoγράφιση δεv είvαι ικαvoπoιητικό σε πoσότητα ή πoιότητα, για vα γίvει η εκφώτιση τoυ φιλµ. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η ιδαvική λύση είvαι τo φλας. Η χρήση τoυ φλας πρέπει vα γίvεται µε πoλλή πρoσoχή, αφoύ τo φως πoυ παράγεται είvαι πoλύ µεγάλης έvτασης, µε απoτέλεσµα vα πρoκαλoύvται έvτovες διαφoρoπoιήσεις φωτειvώv και σκoτειvώv περιoχώv. Εvα άλλo σηµείo πoυ πρέπει vα λαµβάvεται υπόψη κατά τη χρήση τoυ φλας, είvαι τo θέµα τoυ συγχρovισµoύ της λάµψης µε τo άvoιγµα τoυ κλείστρoυ. Εv γέvει πάvτως η χρήση φλας πρέπει vα απoφεύγεται για µετρητικές λήψεις. 29

39 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Φωτόµετρα Για vα επιτευχθεί καλή και σωστή φωτoγραφία, πρέπει πρώτα απ=όλα vα απoκτηθεί έvα καλό αρvητικό. Τo πόσo καλό είvαι τo αρvητικό, εξαρτάται από τηv πoσότητα και τηv πoιότητα τoυ φωτός πoυ θα τo φωτίσει. Εάv κατά τη λήψη της φωτoγραφίας, τo φως πoυ θα πρoσβάλει τo φιλµ είvαι πoλύ λιγότερo απ ό,τι πρέπει, τότε τo αρvητικό θα είvαι υπoεκτεθειµέvo (αδύvατo) και oι λεπτoµέρειες στα σκoτειvά µέρη της εικόvας θα έχoυv χαθεί. Εάv πάλι τo φως, πoυ θα πρoσβάλει τo φιλµ, είvαι πoλύ περισσότερo απ ό,τι πρέπει, τότε τo αρvητικό θα είvαι πoλύ πυκvό (υπερεκτεθειµέvo), και oι λεπτoµέρειες στα φωτειvά µέρη θα έχoυv εξαφαvισθεί. Για αισθητικoύς, και όχι µόvo, λόγoυς, πρέπει vα υπάρχει µια ισoρρoπία αvάµεσα στα φωτειvά και στα σκιερά µέρη της εικόvας, όπως ακριβώς είvαι oι εvδιάµεσoι τόvoι της κλίµακας. Μπoρεί ακόµη vα πρoσβάλλovται ή και vα υπoβαθµίζovται oρισµέvες περιoχές τoυ θέµατoς, ή vα φαίvovται σαv σιλoυέτες ή vα µη διακρίvovται πoλλές λεπτoµέρειες στo φόvτo. Για vα τα πετύχει καvείς αυτά, θα πρέπει vα γίvεται αυστηρός έλεγχoς στηv έκθεση. Ο σωστός έλεγχoς τoυ φωτισµoύ επιτυγχάvεται µόvo µε τη χρήση τoυ φωτoµέτρoυ. Φωτόµετρo είvαι τo όργαvo πoυ µετρά απoκλειστικά και µόvo τo φως. Απoτελείται από τo φωτoκύτταρo, τo µικρoαµπερόµετρo και τo σύστηµα µετατρoπής τωv εvδείξεωv της βελόvας σε συvδυασµoύς εκθέσεωv. Τo φωτoκύτταρo είvαι η βάση τoυ φωτoµέτρoυ και µετατρέπει τo φως πoυ πέφτει επάvω τoυ σε ηλεκτρικό ρεύµα. Τα φωτόµετρα διακρίvovται αvάλoγα µε τo είδoς τoυ φωτoκύτταρoυ πoυ χρησιµoπoιoύv, σε φωτόµετρα σεληvίoυ, θειoύχoυ καδµίoυ και πυριτίoυ. Τα φωτό- µετρα πoυ χρησιµoπoιoύv κύτταρo σεληvίoυ, έχoυv τηv ικαvότητα vα µετατρέπoυv τo φως πoυ δέχovται σε ηλεκτρική εvέργεια. εv πρoσαρµόζovται εύκoλα σε έvτovες φωτιστικές αυξoµειώσεις. Τα φωτόµετρα πυριτίoυ συγκεvτρώvoυv όλα τα κύρια χαρακτηριστικά τωv σεληvίoυ και καδµίoυ, µε µόvo µειovέκτηµα τo υψηλό κόστoς. Τo µικρoαµπερόµετρo είvαι τo όργαvo πoυ µετρά τηv έvταση τoυ ηλεκτρικoύ ρεύµατoς. Η µέτρηση αυτή εκφράζεται µε τηv κίvηση της βελόvας τωv εvδείξεωv σε µια κατάλληλη κλίµακα, ή στα σύγχρovα φωτόµετρα µε τηv κατάλληλη ψηφιακή έvδειξη. Οσo µεγαλύτερη είvαι η λαµπρότητα τoυ θέµατoς, τόσo ισχυρότερo θα είvαι και τo ηλεκτρικό ρεύµα πoυ θα δηµιoυργηθεί από τo φωτoκύτταρo oπoιoυδήπoτε τύπoυ και εάv είvαι αυτό. 30

40 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Τέλoς τo σύστηµα µετατρoπής τωv εvδείξεωv της βελόvας σε συvδυασµoύς εκθέσεωv διευκoλύvει τo χρήστη vα επιλέξει τα στoιχεία της σωστής έκθεσης. Η µετατρoπή αυτή επιτυγχάvεται µε τo συvδυασµό δύo δίσκωv, πoυ αvαγράφoυv τα διάφoρα διαφράγµατα και τις ταχύτητες τoυ κλείστρoυ. Οι κατασκευαστές βρίσκoυv πειραµατικά για κάθε σηµείo πoυ δείχvει η βελόvα, τηv αvτιστoιχία πoυ θα έχει σε διάφραγµα και ταχύτητα. Τα φωτόµετρα έχoυv δύo κλίµακες µέτρησης, µία για µέσo φωτισµό και µία για χαµηλό. Οι εvδείξεις σηµειώvovται είτε µε τη βελόvα τoυ µικρoαµπερόµετρoυ είτε ψηφιακά. Η πρώτη εvέργεια για τη λειτoυργία τoυ φωτoµέτρoυ είvαι η τoπoθέτηση της ευαισθησίας τoυ φιλµ. Στα φωτόµετρα χειρός η βελόvα πρέπει vα είvαι πάvτα µηδεvισµέvη. Στα φωτόµετρα καδµίoυ πρέπει vα ελέγχεται, εάv έχει εξαvτληθεί η µπαταρία µε τηv oπoία αυτά λετoυργoύv. Οι κλίµακες τoυ φωτoµέτρoυ πoυ συσχετίζoυv κάθε αριθµό έvτασης, µε ταχύτητες και διαφράγµατα, είvαι σε γεvικές γραµµές σχεδιασµέvες για έvα αρvητικό, όπoυ µε καvovική µέθoδo εκτύπωσης, vα δίvει µία φωτoγραφία µε έvα µέσo γκρίζo τόvo, η τιµή τoυ oπoίoυ αvτιστoιχεί σε αvταvάκλαση 18αvταvάκλασης είvαι η λεγόµεvη γκρίζα κάρτα, της Kodak. Τύπoι φωτoµέτρωv Τα φωτόµετρα χειρός χωρίζovται, αvάλoγα µε τη µέθoδo πoυ µετρoύv τo φως, σε φωτόµετρα αvακλώµεvoυ φωτός και σε φωτόµετρα πρoσπίπτovτoς φωτός. Η φωτoµέτρηση τoυ αvακλώµεvoυ φωτός γίvεται από τη θέση της µηχαvής, στρέφovτας τo φωτoκύτταρo τoυ φωτoµέτρoυ πρoς τo αvτικείµεvo φωτoγράφισης. Η oπτική γωvία φωτoµέτρησης αυτή τη περίπτωση είvαι περίπoυ της τάξης τωv 30. Για µεγαλύτερη ακρίβεια φωτoέκθεσης υπάρχει µια άλλη κατηγoρία φωτoµέτρωv τα λεγόµεvα σπoτ. Η oπτική τoυς γωvία είvαι συvήθως µεταβαλλόµεvη από 1o-15o. Για τη µέτρηση τoυ αvακλώµεvoυ φωτισµoύ µπoρεί vα ληφθoύv υπόψη: 1. φωτoµέτρηση γεvικoύ φωτισµoύ 2. φωτoµέτρηση µε βάση τα σκιερά µέρη τoυ θέµατoς - όταv υπερισχύoυv. 3. φωτoµέτρηση µε βάση τα φωτειvά µέρη τoυ θέµατoς - όταv υπερισχύoυv 4. φωτoµέτρηση µέσoυ όρoυ λαµπρότητας - όταv η αvτίθεση αvάµεσα τα φωτειvά και στα σκιερά µέρη είvαι πoλύ µεγάλη. 31

41 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία Η φωτoµέτρηση τoυ πρoσπίπτovτoς φωτός γίvεται πoλύ κovτά στo αvτικεί- µεvo, µετρώvτας τo φως πoυ πέφτει επάvω στo αvτικείµεvo από τη φωτειvή πηγή µε τo φωτoκύτταρo στραµµέvo πρoς τη µηχαvή. Συvήθως εµπρός από τo φωτoκύτταρo υπάρχει έvας πλαστικός, ηµιδιαφαvής, ηµισφαιρικός θόλoς, µε oπτική γωvία 180o. Τo κάλυµµα αυτό µειώvει τηv έvταση της ακτιvoβoλίας, ώστε vα γίvεται ίση µε αυτή πoυ αvακλάται, και έχει τηv ιδιότητα vα διαχέει τo πρoσπίπτov φως. Οι κατασκευαστές φωτoµέτρωv έχoυv σχεδιάσει µια σειρά από πρόσθετα εξαρτήµατα, για διαφoρετικές χρήσεις, σε oρισµέvα φωτόµετρα. Για παράδειγµα, φωτoµέτρηση στηv oθόvη εστίασης για αερoφωτoγράφηση, για µικρoσκόπιo, φωτoµέτρηση για φλας κ.τ.λ. Τα εvσωµατωµέvα στις µηχαvές φωτόµετρα είvαι αvακλώµεvoυ φωτός και διαιρoύvται σε δύo κατηγoρίες: 1. Τα φωτόµετρα πoυ τoπoθετoύvται εξωτερικά στις µηχαvές σκoπεύτρoυ, µε ρυθµισµέvη τηv oπτική γωvία τoυ φωτόµετρoυ στηv αvτίστoιχη τoυ φακoύ και 2. Tα φωτόµετρα πoυ βρίσκovται µέσα στη µηχαvή και παίρvoυv έvδειξη µέσα από τov φακό (TTL- through the lens) και έτσι λαµβάvεται υπόψη και τo είδoς τoυ φακoύ πoυ χρησιµoπoιείται. Στη δεύτερη αυτή περίπτωση υπάρχoυv δύo συστήµατα φωτoµέτρησης: Μέσoυ όρoυ, στηv oπoία η έvδειξη πραγµατoπoιείται από όλo τo κάδρo της φωτoγραφίας Σπoτ ή στεvής δέσµης, στηv oπoία η έvδειξη πραγµατoπoιείται µόvo από έvα πoλύ µικρό κυκλικό τµήµα, στo κέvτρo της oθόvης εστίασης. Στα φωτόµετρα δια µέσoυ τoυ φακoύ, όταv χρησιµoπoιoύvται φίλτρα, δεv χρειάζεται πρoφαvώς vα λαµβάvovται υπόψη oι συvτελεστές τωv φίλτρωv, πoυ εvδεχoµέvως χρησιµoπoιoύvται. [9, 7] 2.6 Ψηφιακή αποτύπωση εικόνας Με την πρόοδο της τεχνολογίας μεταπηδήσαμε από την κλασσική αποτύπωση εικόνας μέσω του φιλμ στην ηλεκτρονική αποτύπωσή της μέσω αισθητήρα. O 32

42 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία αισθητήρας αυτός μπορεί να είναι είτε CCD είτε CMOS. Πρόκειται για ένα ειδικό τύπο ολοκληρωμένου που βρίσκεται ακριβώς πίσω από τον φακό. Ο φακός εστιάζει την εικόνα του ειδώλου κατευθείαν πάνω στον αισθητήρα, ο οποίος τη σαρώνει και παράγει ηλεκτρονικό ρεύμα το οποίο στη συνέχεια ψηφιοποιείται παράγοντας την ψηφιακή αναπαράσταση του ειδώλου.. κάποιων Ο αισθητήρας είναι ένα σύνολο φωτοευαίσθητων στοιχείων διατεταγμένων σε μορφή πίνακα (Εικ. 2.12). Κάθε φωτοευαίσθητο στοιχείο φορτίζεται ανάλογα με την ποσότητα φωτός που προσπίπτει πάνω του. Το φορτίο κάθε στοιχείου μεταφέρεται μέσω των οριζοντίων καταχωρητών στους κατακόρυφους και από εκεί στους οριζόντιους καταχωρητές ολίσθησης. Αυτοί τροφοδοτούν έναν ενισχυτή που μετατρέπει το φορτίο σε τάση, παράγοντας έτσι ένα σήμα τάσης, ανάλογο του φορτίου. Το κάθε δείγμα ονομάζεται εικονοστοιχείο (pixel). Το παραπάνω σύστημα αισθητήρα είναι τύπου μετασχηματισμού γραμμών (interline transfer type). Εικόνα 2.12 Δομή κάμερας CCD Εάν το φωτοευαίσθητο στοιχείο μείνει πολύ ώρα εκτεθειμένο στο φως, τότε θα αποδώσει μια πολύ φωτεινή κουκίδα, ενώ αν εκτεθεί πολύ λίγο θα αποδώσει μια πολύ σκούρα. Για να αποδοθεί σωστά η φωτεινότητα θα πρέπει ο χρόνος έκθεσης των φωτοευαίσθητων στοιχείων να διαρκεί ανάλογα με τον φωτισμό 33

43 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία του περιβάλλοντος. Για την απόδoση χρωμάτων στην εικόνα είναι απαραίτητη ανάκτηση 3 τιμών για κάθε κανάλι χρώματος (Κόκκινο, Πράσινο, Μπλε). Αυτό γίνεται είτε με τη χρήση ενός αισθητήρα σε συνδυασμό με χρωματικά φίλτρα, είτε με τη χρήση 3 διαφορετικών αισθητήρων, σε συνδυασμό με ένα σύστηµα διαχωρισμού της εικόνας του ειδώλου σε κάθε αισθητήρα (Εικ 2.13). Εικόνα 2.13 Λήψη ψηφιακής εικόνας μέσω αισθητήρα Η ποιότητα (ευκρίνεια) εικόνας μιας ενός αισθητήρα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Ο γνωστότερος παράγοντας, αλλά όχι ο κυριότερος, είναι η ανάλυσή του αισθητήρα, καθώς όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυσή του, τόσο καλύτερη εικόνα αποδίδει. Η ανάλυση του αισθητήρα καθορίζεται από τον αριθμό των φωτοευαίσθητων στοιχείων που τον αποτελούν. Όμως το τελικό αποτέλεσμα δεν 34

44 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία εξαρτάται μόνο από την ποιότητα του αισθητήρα CCD. Μια άλλη αιτία εμφάνισης θορύβου στην εικόνα είναι η ευαισθησία των CCD αισθητήρων υπέρυθρο (IR) φως. Παρόλο που η μέγιστη ευαισθησία τους αντιστοιχεί στην περιοχή των 500 έως 550nm, υπάρχει μια ευαισθησία σε ποσοστό 20 % στα 780nm (αρχή φάσματος υπέρυθρης ακτινοβολίας). Αυτό το χαρακτηριστικό μπορεί να θεωρηθεί μειονέκτημα στην λήψη κατά την διάρκεια της ημέρας κυρίως στις ασπρόμαυρες κάμερες, καθώς θολώνει κατά ένα ποσοστό την εικόνα. Όμως στις έγχρωμες κάμερες που χρησιμοποιούν χρωματικά φίλτρα το υπέρυθρο φως φιλτράρεται και δεν επηρεάζει τόσο τον αισθητήρα.[7, 8, 10, 11] 35

45 Η φωτογραφική μηχανή και όροι γύρω από τη φωτογραφία 36

46 Κεφάλαιο 3 Δημιουργία HDR Εικόνας Εικόνες HDR μπορούν να ληφθούν είτε φωτογραφίζοντας πραγματικά σκηνικά είτε παράγοντας τρισδιάστατες αναπαραστάσεις. 3.1 Φωτογραφία και Φωτομέτρηση Μια φωτογραφική μηχανή είναι ουσιαστικά μια συσκευή μέτρησης της κατανομής ακτινοβολίας, αφού δεν είναι ικανή να αποτυπώσει όλο το χρωματικό φάσμα και το εύρος φωτεινοτήτων ενός θέματος. Το φιλμ ή ο αισθητήρας εκτίθεται στο φως καθώς ο φακός εστιάζει τις ακτίνες του φωτός πάνω στο φωτογραφικό επίπεδο. Όλη η ποσότητα της πληροφορίας είναι διαθέσιμη, αλλά λόγω των κατασκευαστικών περιορισμών, ένα μικρό μέρος της αξιοποιείται. Κατά τη διαδικασία λήψης μιας εικόνας, σημαντικό ρόλο παίζει και η φωτομέτρηση του θέματος, καθορίζοντας κατά μεγάλο βαθμό το τελικό αποτέλεσμα, Εικ Επηρεάζοντας το σύνολο των αντικειμένων του κάδρου που θα αποτυπωθούν πιστότερα από άποψη φωτισμού. Ανάμεσα στην ψηφιακή και στην αναλογική αναπαράσταση της πληροφορίας, το αρνητικό του φιλμ παρουσιάζει μεγαλύτερο δυναμικό εύρος, της τάξης 4 λογαριθμικών μονάδων Εικ Το εύρος αυτό μπορεί να μειωθεί ή να βελτιωθεί κατά τη διαδικασία της εμφάνισης και να πέσει στην τάξη των 2 λογαριθμικών μονάδων ύστερα από το τύπωμα.

47 Δημιουργία HDR Εικόνας Εικόνα 3.1 Παρατηρούμε ότι λόγω φωτομέτρησης, φαίνεται καθαρά η πληροφορία έξω από το παράθυρο, στη δεύτερη εικόνα. Αντίθετα, στην πρώτη, η πληροφορία αυτή έχει υπερεκτεθεί. 3.2 Διαδικασία Αποτύπωσης HDR Εικόνας Η διαδικασία που ακολουθείται για την αποτύπωση μιας εικόνας υψηλής δυναμικής περιοχής, μπορεί να χωριστεί στα παρακάτω στάδια: 1. Λήψη των Εικόνων 2. Ευθυγράμμιση των Εικόνων 3. Εξαγωγή του Χάρτη Ακτινοβολίας 4. Επεξεργασία και Χαρτογράφιση Τόνων Λήψη των Εικόνων Κύριο μέλημά μας για τη δημιουργία μιας HDR εικόνας, είναι η αποτύπωση του μεγαλύτερου δυνατού εύρους φωτεινότητας. Αυτό δεν είναι δυνατό να γίνει με μια μοναδική λήψη. Για αυτό το λόγο, λαμβάνουμε πολλαπλές φωτογραφίες της σκηνής που μας ενδιαφέρει, ξεκινώντας από ύποφωτισμένες και καταλήγοντας σε υπερφωτισμένες, ανεβαίνοντας κάθε φορά κι από ένα stop. Με αυτό τον τρόπο, κάθε εικόνα θα έχει διάφορα pixels σωστά εκτεθιμένα, άλλα υπερεκτεθιμένα και άλλα υποεκτεθιμένα, αλλά κάθε pixel θα είναι σωστά 38

48 Δημιουργία HDR Εικόνας Εικόνα 3.2 Χαρακτηριστικές καμπύλες αρνητικών φιλμ που δείχνουν την απόκριση στα 3 κανάλια χρώματος και στο ασπρόμαυρο εκτεθιμένο σε τουλάχιστον μια φωτογραφία. Πράγμα που θα μας χρησιμεύσει κατά το συνδυασμό των εικόνων Ευθυγράμμιση των Εικόνων Οι εικόνες της ακολουθίας μπορεί να μήν είναι ευθυγραμμισμένες μεταξύ τους γιατί μπορεί να μην χρησιμοποιήθηκε ειδικός εξοπλισμός (τρίποδο), χωρίς όμως η χρήση του τριπόδου να αποκλείει την οποιαδήποτε μετατόπιση της μηχανής κατά τη διάρκεια λήψης. Το γεγονός αυτό επηρεάζει την τελική εικόνα, μιας και πρέπει να υπάρχει πλήρης αντιστοίχιση των pixel μεταξύ τους κατά την αλγοριθμική επεξεργασία τους. Έτσι, χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος ευθυγράμμισης (registration) για να αποφευχθούν τυχόν επιπτώσεις στην τελική εικόνα Εξαγωγή του Χάρτη Ακτινοβολίας Εν συνεχεία, παράγεται από την ακολουθία των εικόνων μια νέα εικόνα, που περιέχει το σύνολο των φωτεινοτήτων που είναι παρούσες στην προς αποτύπωση 39

49 Δημιουργία HDR Εικόνας σκηνή. Το εύρος των φωτεινοτήτων αυτών είναι εξαιρετικά μεγάλο, επομένως είναι δύσκολο να αποθηκευθεί με τις κλασσικές μεθόδους κωδικοποίησης φωτογραφίας. Για αυτόν τον λόγο, έχουν αναπτυχθεί διάφορα φορμά αρχείων για την απεικόνιση HDR εικόνων, Εικ. 3.3, καθώς και κωδικοποιήσεις χρωμάτων, Εικ Συνακολούθως, ο χάρτης ακτινοβολίας, δεν είναι δυνατόν να αποτυπωθεί σωστά από τα συμβατικά μέσα προβολής. Εικόνα 3.3 Φορμά αρχείων που έχουν αναπτυχθεί για την αποθήκευση HDR εικόνων. Ο χάρτης ακτινοβολίας μπορεί να εξαχθεί χρησιμοποιώντας την χαρακτηριστική καμπύλη της φωτογραφικής μηχανής[12, 13, 14] είτε χωρίς τη χρήση αυτής[15] Επεξεργασία και Χαρτογράφιση Tόνων Κατόπιν, ο χάρτης ακτινοβολίας, μπορεί να υποστεί επεξεργασία όπως κάθε απλή φωτογραφία (φωτεινότητα, αντίθεση κλπ), εφαρμόζοντάς την σε όλο το εύρος της πληροφορίας της εικόνας και όχι μονάχα στην περιορισμένη από πληροφορία συμβατική εικόνα. Η συμβατική εικόνα η οποία χρησιμοποιεί κωδικοποίηση διαφορετική της HDR, έχει εξ ορισμού απώλεια πληροφορίας. Το ίδιο συμβαίνει και με την εικόνα που αποτυπώνεται στα μέσα προβολής, καθώς έχουν και 40

50 Δημιουργία HDR Εικόνας Εικόνα 3.4 Διάφορες κωδικοποιήσεις χρωμάτων που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές HDR. αυτά περιορισμένο εύρος φωτεινότητας. Τέλος, για να καταστεί δυνατή η προβολή της φωτογραφίας στα συμβατικά μέσα παρουσίασης που διαθέτουμε, πρέπει να αντιστοιχηθεί το εύρος φωτεινοτήτων της HDR εικόνας με το αντίστοιχο εύρος του μέσου προβολής, ώστε να έχουμε τη βέλτιστη δυνατή παρουσίαση της εικόνας. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται χαρτογράφηση τόνων (Tone mapping) 3.3 Η τεχνική των Debevec-Malik Στο σημείο αυτό, θα κάνουμε μια συνοπτική ανάλυση της τεχνικής αυτής, που αποτελεί μια από τις πιο θεμελιώδεις τεχνικές στο πεδίο της HDR καθώς και αντιπροσωπευτικό παράδειγμα μεθόδου που χρησιμοποιεί την εξαγωγή της χαρακτηριστικής καμπύλης της μηχανής, ούτως ώστε να υπάρξουν συγκρίσεις με τον κώδικα που αναπτύσσουμε στο επόμενο κεφάλαιο. Η εργασία των Debevec-Malik [13] παρουσιάζει μια απλή και εύρωστη τεχνική εξαγωγής της χαρακτηριστικής καμπύλης από μια σειρά από ευθυγραμμισμένες λήψεις, επεκτείνοντας πρότερη δουλειά των Mann-Picard [12]. 41

51 Δημιουργία HDR Εικόνας Ανάκτηση της χαρακτηριστικής καμπύλης Η μέθοδος στηρίζεται στη φυσική ιδιότητα των συστημάτων αποτύπωσης εικόνας, την αμοιβαιότητα (reciprocity). Συγκεκριμένα, η απόκριση του φιλμ σε εναλλαγές έκθεσης, συνοψίζεται στην χαρακτηριστική καμπύλη. Η καμπύλη αυτή είναι το διάγραμμα που προκύπτει αποτυπώνοντας την οπτική πυκνότητα D συναρτήσει του λογάριθμου της αντίσtοιχης έκθεσης X. Η έκθεση X ορίζεται ως το γινόμενο της ακτινοβολίας (irradiance) E στο φιλμ επί του χρόνου έκθεσης Δt. Στα πλαίσια αυτά της χαρακτηριστικής καμπύλης, παίζει σημαντικό ρόλο η υπόθεση πως μόνο το γινόμενο EΔt είναι σημαντικό, ότι υποδιπλασιάζοντας την ακτινοβολία Ε και υποδιπλασιάζοντας το χρόνο έκθεσης, η οπτική πυκνότητα παραμένει σταθερή. Η υπόθεση αυτή της αμοιβαιότητας παύει να ισχύει σε ακραίες περιπτώσεις πολύ μικρού ή μεγάλου χρόνου έκθεσης (αποτυχία αμοιβαιότητας). Ύστερα από την εκτύπωση του φιλμ και την ψηφιοποίηση του (στην περίπτωση της αναλογικής φωτογραφίας) αντλούμε έναν αριθμό Ζ που είναι μια μη γραμμική συνάρτηση της έκθεσης X στο εικονοστοιχείο. Τη συνάρτηση αυτή την ονομάζουμε f, όπου είναι η χαρακτηριστική καμπύλη του φιλμ συμπεριλαμβάνοντας τις μη γραμμικότητες που εισήχθησαν κατά τη διαδικασία της ψηφιοποίησης. Δεδομένων των παραπάνω στοιχείων, πρώτος στόχος της μεθόδου αυτής, είναι η ανάκτηση της χαρακτηριστικής καμπύλης f. Δεδομένης αυτής, μπορούμε να υπολογίσουμε την έκθεση X σε κάθε εικονοστοιχείο, αφού X = f 1 (Z). Υποθέτουμε ότι η f αυξάνεται μονότονα, έτσι η αντίστροφη f 1 ορίζεται. Έχοντας γνώση της έκθεσης Χ και του χρόνου έκθεσης Δt, βρίσκουμε την ακτινοβολία Ε, αφού E = X/t, η οποία είναι ανάλογη της λάμψης (radiance) στη σκηνή. Ο αλγόριθμος τους δέχεται ως είσοδο ένα σύνολο ψηφιακών φωτογραφιών της ίδιας σκηνής με διαφορετικούς χρόνους λήψης. Η σκηνή θεωρείται στατική και η λήψη των φωτογραφιών αρκετά ταχεία ώστε οι αλλαγές φωτισμού να θεωρηθούν αμελητέες. Έτσι οι τιμές ακτινοβολίας E i για κάθε εικονοστοιχείο i θεωρούνται σταθερές. Οι τιμές των εικονοστοιχείων είναι Z ij όπου το i αντιστοιχεί στο εικονοστοιχείο και το j στο χρόνο λήψης. Η εξίσωση αμοιβαιότητας είναι Z ij = f(e i t j ) (1) 42

52 Δημιουργία HDR Εικόνας και συνακολούθως. f 1 (Z ij ) = E i t j (2) Λογαριθμίζοντας έχουμε lnf 1 (Z ij ) = lne i + lnt j (3) Θέτοντας g = lnf 1 η σχέση γίνεται g(z ij ) = lne i + lnt j (1). Τα Z i j, tj είναι γνωστά, ενώ τα E i, g άγνωστα. Ωστόσο, υποθέτουμε ότι η g είναι ομαλή και μονότονη. Θέλουμε να εξάγουμε την g και τις ακτινοβολίες Ε που ικανοποιούν τη τελευταία σχέση έχοντας ελάχιστο τετραγωνικό σφάλμα. Η εξαγωγή της g απαιτεί μόνο την εξαγωγή των πεπερασμένων τιμών που μπορεί να πάρει, μιας και το πεδίο τιμών του Ζ είναι πεπερασμένο. Z min, Z max είναι η ελάχιστη και η μέγιστη τιμή των εικονοστοιχείων, Ν ο αριθμός των εικονοστοιχείων και P ο αριθμός των φωτογραφιών. Το πρόβλημα διατυπώνεται ως η εύρεση (Z max Z min + 1) τιμών της g(z) και των Ν τιμών της lne i που ελαχιστοποιούν την τετραγωνική αντικειμενική συνάρτηση N P O = [g(z ij lne i ) lnt j ] 2 i=1 j=1 + λ Z max 1 Z=Z min +1 g (Z) 2 (4) Ο πρώτος όρος εξασφαλίζει ότι η λύση που προκύπτει για τη συνάρτηση (1) είναι βέλτιστη σύμφωνα με τη μέθοδο ελαχίστων τετραγώνων. Ο δεύτερος παράγοντας εξασφαλίζει την ομαλότητα της συνάρτησης g. To λ καθορίζει τον όρο της ομαλότητας σε σχέση με τα δεδομένα. Η επιλογή του γίνεται σύμφωνα με το προσδωκόμενο θόρυβο στις μετρήσεις. Το πρόβλημα της εύρεσης λύσης μετατρέπεται σε ένα πρόβλημα ελαχίστων τετραγώνων, το οποίο λύνεται εύρωστα με μια μέθοδο singular value decomposition (SVD). 43

53 Δημιουργία HDR Εικόνας Η λύση για τα g(z) και i αγγίζει ένα συντελεστή κλίμακας α. Εάν αντικαταστήσουμε g + α και lne i + α η εξίσωση (1) και η αντικειμενική συνάρτηση Ο παραμένουν αμετάβλητες. Για την καθιέρωση ενός συντελεστή κλίμακας θέτουμε τον επιπρόσθετο περιορισμό g(z mid ) = 0 με Z mid = (Z min + Z max )/2. Αυτό σημαίνει ότι ένα εικονοστοιχείο με τιμή στο μέσο του πεδίου τιμών Ζ, θα έχει μοναδιαία έκθεση. Επίσης η g(z) είναι στη μεσαία περιοχή τιμών πολύ ομαλή σε αντίθεση με τις ακραίες τιμές όπου είναι απότομη. Έτσι εισάγεται ένας συντελεστής βάρους w(z) που να το προσομοιώνει αυτό. w(z) = { z Zmin Για z (Z min + Z max )/2 Z max z Για z > (Z min + Z max )/2 έτσι η αντικειμενική συνάρτηση γίνεται, } (5) N P O = w(z ij )[g(z ij lne i ) lnt j ] 2 i=1 j=1 + λ Z max 1 Z=Z min +1 [w(z)g (Z)] 2 (6) Τελικά δεν χρειάζονται όλα τα εικονοστοιχεία για τον υπολογισμό της λύσης. Δεδομένων μετρήσεων Ν εικονοστοιχείων και P λήψεων, χρειάζεται να λυθεί το σύστημα για Ν τιμές lne i και (Z max Z min ) δείγματα της g (Εικ 3.5). Τα εικονοστοιχεία επιλέγονται κατανεμημένα ομαλα σε όλο το εύρος τιμων του Z Κατασκευή του χάρτη ακτινοβολίας Μετά την ανάκτηση της καμπύλης g, γίνεται χρήση αυτής για την μετατροπή των τιμών των εικονοστοιχείων σε σχετικέ τιμές ακτινοβολίας, έχοντας γνώση του χρόνου έκθεσης. 44

54 Δημιουργία HDR Εικόνας Εικόνα 3.5 Χαρακτηριστική καμπύλη φιλμ lne i = g(z ij ) ln t j (7) Για ευρωστία χρησιμοποιούνται όλες οι διαθέσιμες λήψεις στον υπολογισμό της ακτινοβολίας του εικονοστοιχείου. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται η συνθήκη βάρους προσδίδοντας μεγαλύτερο βάρος σε λήψεις των οποίων τα εικονοστοιχεία βρίσκονται στη μεσαία περιοχή της χαρακτηριστικής καμπύλης. lne i = P j=1 w(z ij)g(z ij ) ln t j P j=1 w(z ij) (8) 3.4 Ραδιομετρική αυτοβαθμονόμηση Η ραδιομετρική αυτοβαθμονόμηση είναι ένας απλός αλγόριθμος που παρουσιάστηκε από τους Mitsunaga, Nayar [14]. Θεωρείται και από αυτούς πως υπάρχει μια μη γραμμική σχέση που συνδέει την φωτεινότητα που αποτυπώνει μια εικόνα και την ακτινοβολία του σκηνικού. Τη σχέση αυτή την ονομάζουν ραδιομετρική συνάρτηση του συστήματος εικόνας. Η ακτινοβολία Ε συνδέεται με τη λάμψη (radiance) L του σκηνικού μέσω της σχέσης, 45

55 Δημιουργία HDR Εικόνας E = L π 4 (d h )2 cos 4 φ (9), όπου h το εστιακό μήκος του φακού, d η διάμετρος του διαφράγματος και φ η γωνία θέασης του φακού. Η φωτεινότητα που καταγράφει το αισθητήρας είναι ιδανικά ανάλογος της ακτινοβολίας, I = E t, όπου Δt είναι ο χρόνος έκθεσης. Η γραμμική ραδιομετρική απόκριση του ιδανικού συστήματος είναι: I = Lke (10) όπου k = cos 4 φ/h 2 και e = (πd 2 /4) t. Η διαδικασία ψηφιοποίησης της εικόνας, εισάγει μη γραμμικότητες, οι οποίες δεν επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό το παραπάνω ραδιομετρικό μοντέλο και δεν τις λαμβάνουν υπόψιν τους στη συνέχεια της εργασίας τους, σε αντίθεση με την αντίσtοιχη εργασία των Debevec Malik [13]. Το ραδιομετρικό μοντέλο Η καμπύλη λειτουργίας του συστήματος απεικόνισης διαφέρει από σύστημα σε σύστημα. Παρά ταύτα, η μορφή της είναι μονοτονική ή ημιμονοτονική. Για αυτό το λόγο κάθε καμπύλη απόκρισης μπορεί να μοντελοποιηθεί από ένα υψηλής τάξης πολυώνυμο: N f = f(m) = c n M n (11) n=0 Η τάξη του πολυωνύμου εξαρτάται από την ίδια τη καμπύλη απόκρισης.ως εκ τούτου η βαθμονόμηση έγκειται στον καθορισμό της τάξης Ν σε συνδυασμό με τους συντελεστές c n. Ο αλγόριθμος της Αυτοβαθμονόμησης Θεωρούμε δύο εικόνες του ίδιου κάδρου που ελήφθησαν με διαφορετικές εκθέσεις, e q και e q+1, όπου R q,q+1 = e q /e q+1. Ο λόγος οποιασδήποτε 46

56 Δημιουργία HDR Εικόνας κλιμακωμένης λαμψης (radiance) σε κάθε εικονοστοιχείο p μπορεί να γραφτεί χρησιμοποιώντας την (10):. I p,q I p,q+1 = L pk q e q L p K q e q+1 = R q,q+1 (12) Έτσι η καμπύλη απόκρισης του συστήματος εικόνας ελφράζεται συναρτήσει του λόγου έκθεσης ως: f(m p,q ) M p,q+1 = R q,q+1 (13) Οι εικόνες είναι διατεταγμένες κατά e q < e q+1 και ακολούθως 0 < R q,q+1 < 1. Αντικαθιστώντας το πολυωνυμικό μοντέλο που προτάθηκε παραπάνω (11) έχουμε, N n=0 c nm p,q n N n=0 c nm p,q+1 n = R q,q+1 (14) Η προηγούμενη σχέση αποτελεί τη βάση για την εύρεση της συνάρτησης απόκρισης και του λόγου έκθεσης. Θεωρόντας γνωστούς τους λόγους έκθεσης R q,q+1 (οι οποίοι δεν είναι ακριβείς πάντοτε), η συνάρτηση απόκρισης μπορεί να υπολογιστεί διατυπώνοντας μία συνάρτηση σφάλματος που είναι το άθροισμα των τετραγώνων όλων των λαθών της έκφρασης (14: ɛ = Q 1 q=1 P [ p=1 N c n M n p,q R q,q+1 n=0 N n=0 c n M p,q 1 n ] 2 (15) όπου Q είναι ο συνολικός αριθμός εικόνων. Εάν κανονικοποιηθούν όλες οι μετρήσεις έτσι ώστε 0 M 1 και διορθωθεί η απροσδιόριστη κλίμακα 47

57 Δημιουργία HDR Εικόνας χρησιμοποιώντας f(1) = I max προκύπτει ο επιπλέον περιορισμός. c N = I max N 1 n=0 c n (16) Οι παράγοντες της συνάρτησης απόκρισης υπολογίζονται λύνοντας το σύστημα των γραμμικών εξισώσεων που προκύπτει θέτοντας,. E c n = 0 (17) Όταν περισσότερες από δύο εικόνες χρησιμοποιούνται, η διαστατικότητα της εύρεσης R q,q+1 είναι Q 1. Όταν το Q είναι μεγάλο απαιτεί πολύ χρόνο. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται ένας αναδρομικός τρόπος υπολογισμού των παραγόντων c n (k) κάνοντας χρήση των τρέχουσων εκτιμήσεων R q,q+1 (k 1) χρησιμοποιώντας την (14): R q,q+1 (k) = P p=1 N n=0 c n (k) n M p,q c (k) n n M p,q+1 N n=0 (18) όπυ τα οι αρχικές εκτιμήσεις R q,q+1 (0) παρέχονται από το χρήστη. Ο αλγόριθμος της ραδιομετρικής αυτοβαθμονόμησης συγκλίνει όταν: όπου ε πολύ μικρό. f (k) (M) f (k 1) (M) < ε, M (19) 48

58 Κεφάλαιο 4 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας 4.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο κάνουμε μια λεπτομερή περιγραφή της μεθόδου που επιλέχτηκε για εκπόνηση στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας. Περιγράφουμε τους λόγους που μας οδήγησαν σε αυτή τη επιλογή και παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα της μεθόδου αυτής. 4.2 Η μέθοδος Λόγοι επιλογής Όπως αναλύθηκε στο παραπάνω κεφάλαιο, σημαντικές μέθοδοι στην HDR εικονοποίηση, χρησιμοποιούν την εξαγωγή της χαρακτηριστικής καμπύλης της φωτογραφικής μηχανής. Κατά τη διάρκεια εκπόνησης, ανατρέξαμε τη βιβλιογραφία προς αναζήτηση επιπλέον τρόπων παραγωγής εικόνας υψηλής δυναμικής περιοχής, οι οποίοι να μην χρησιμοποιούν τον υπολογισμό της χαρακτηριστικής καμπύλης, μιας και είναι μια μέθοδος που έχει ανακαλυφθει χρόνια τώρα και αποδίδει ικανοποιητικά αποτελέσματα. Μια ιδιαίτερα απλή στη σκέψη, αλλά και στην υλοποίηση μέθοδος, παρουσιά-

59 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας ζεται στην εργασία των Varkonyi, Rovid και Takeshi [15]. Βασίζεται στην ιδέα του συνδυασμού των κομματιών των εικόνων που περιέχουν τη μέγιστη δυνατή πληροφορία, χωρίς την ανάγκη εξαγωγής της χαρακτηριστικής καμπύλης της μηχανής που χρησιμοποιούν οι μέθοδοι που αναλύθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Πέρα από τα παραπάνω είχαμε την πρόθεση να παραλληλοποιήσω τον παραπάνω αλγόριθμο βελτιώνοντας την ταχύτητά του και εξετάζοντας την εφαρμογή σε δύσκολες συνθήκες φωτισμού. Όπως στην εργασία [16], όπου μελετάται η περίπτωση της έλλειψης καλή οπτικής στο εσωτερικό ή εξωτερικό ενός τούνελ λόγω της μεγάλης διαφοράς φωτεινότητας εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος (Εικ.??), κάνοντας δύσκολη τη θέαση του οδηγού. Σε μια τέτοια κατάσταση, θα μπορούσε να φανεί χρήσιμο ένα σύστημα HDR εικονοποίησης όπου θα μπορεί να λειτουργεί είτε βοηθητικά προς τον οδηγό, παρέχοντας του καλύτερη οπτική, είτε ως ένα σύστημα αποφυγής σύγκρουσης αναγνωρίζοντας εγκαίρως και με ακρίβεια την παρουσία ενός αυτοκινήτου. Παρόμοια, θα μπορούσε να είναι η χρήση του σε καταστάσεις οδήγησης με κόντρα ήλιο, καταστάσεις όπου η οπτική του οδηγού είναι περιορισμένη Περίληψη της Μεθόδου Σε αντίθεση με τους αλγορίθμους που παράγουν την χαρακτηριστική καμπύλη της κάμερας προς χρήση στον συνδυασμό των υπόλοιπων εικόνων, η συγκεκριμένη μέθοδος που υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής δεν χρησιμοποιεί τη λογική αυτή αλλά αντίθετα κάνει άμεση χρήση των εικόνων με την λογική πως η πληροφορία βρίσκεται στις ήδη υπάρχουσες εικόνες. Συνδυάζοντας, λοιπόν, τα κομμάτια των εικόνων με τη μεγαλύτερη λεπτομέρεια, αφού αυτός είναι ο σκοπός μας, μπορούμε να απεικονίσουμε μεγαλύτερη δυναμική περιοχή της προς φωτογράφιση σκηνής. Τα κομμάτια με τη μεγαλύτερη λεπτομέρεια, τα εξάγουμε σύμφωνα με το κριτήριο του αθροίσματος βαθμώσεων. Τέλος, τα κομμάτια από τις διάφορες λήψεις συνδυάζονται μεταξύ τους με τη βοήθεια της Γκαουσσιανής συνάρτησης ανάμειξης, δίνοντας μια τελική εικόνα όπου οι τιμές φωτεινότητας είναι διπλής ακρίβειας και της οποίας οι τόνοι χαρτογραφούνται δίνοντας μας τη τελική εικόνα. 50

60 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας (αʹ) Μακράς έκθεσης λήψη (βʹ) Μικρής έκθεσης λήψη (γʹ) Τελικό αποτέλεσμα Εικόνα 4.1 Πρόβλημα οπτικής του οδηγού σε ένα τούνελ και η λύση μέσω HDR μεθόδου 51

61 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Λήψη και οργάνωση των Εικόνων Για τις ανάγκες της μεθόδου, λαμβάνουμε υπό σταθερή γωνία λήψης, υποφωτισμένες μέχρι και υπερφωτισμένες φωτογραφίες του θέματος. Οι διαδοχικές λήψεις, απέχουν μεταξύ τους κατά ένα stop. Ένα stop είναι μια μονάδα ποσοτικοποίησης αναλογίας φωτός ή εκθέσεως, όπου ένα stop σημαίνει ένα παράγοντα του 2 ή του μισού. Τα διάφορα διαφράγματα ενός φακού, απέχουν μεταξύ τους κατά ένα stop. Κατά αυτή τη λογική η ένταση του φωτός ανάμεσα σε δύο διαδοχικά διαφράγματα υποδιπλασιάζεται ή διπλασιάζεται. Κατά τον ίδιο τρόπο, οι ταχύτητες κλείστρου είναι ορισμένες έτσι ώστε να διαφέρουν στη διάρκεια κατά ένα παράγοντα του 2, περίπου. Επειδή η αλλαγή του διαφράγματος έχει επιπτώσεις άμεσες στο βάθος πεδίου της εικόνας πράγμα που επηρεάζει τη λεπτομέρεια, η λήψη των φωτογραφιών έγινε με μεταβολή της ταχύτητας κλείστρου. Ο αριθμός των φωτογραφιών που χρειαζόμαστε είναι στη δική μας διακριτική ευχέρεια και στις συνθήκες φωτισμού της εκάστοτε σκηνής. Στην ανάλυση των αποτελεσμάτων, θα δούμε πως επηράζει το εύρος της δυναμικής περιοχής ο αριθμός των φωτογραφιών. Μετά τη λήψη των φωτογραφιών, δεν χρειάζεται καμιά ιδιαίτερη οργάνωση τους, κατά αύξουσα τιμή χρόνου έκθεσης, όπως στη μέθοδο Debevec-Malik. Aπλά τις χωρίζουμε σε τετράγωνα διαστάσεων nxn pixels και σε όλα τα κανάλια χρώματος. Σε αυτά τα τετράγωνα, Εικ. 4.2 εφαρμόζουμε το κριτήριο για την εύρεση των περιοχών με τη μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Χωρίζουμε λοιπόν τις εικόνες σε n γραμμές m στήλες, σε όλα τα κανάλια χρώματος. (x, y) είναι η ένταση/τιμή του pixel στη θέση (x,y). R ijk είναι η περιοχή που βρίσκεται στην γραμμή i, τη στήλη j και εικόνα k, ενώ με rx ij, ry ij συμβολίζονται οι συντεταγμένες του κέντρου του μπλοκ Εύρεση των Περιοχών Μεγαλύτερης Λεπτομέρειας Για κάθε εικόνα, πρέπει να προσδιοριστεί το επίπεδο λεπτομέρειας της σε κάθε μπλοκr ijk, αλλά και σε κάθε κανάλι χρώματος. Ως κριτήριο, χρησιμοποιείται το άθροισμα των βαθμώσεων, τόσο κατά την ορι- 52

62 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Εικόνα 4.2 Διαχωρισμός των εικόνων σε περιοχές ζόντια όσο και κατά την κάθετη διεύθυνση, στις περιοχές αυτές. Υπολογίζουμε το άθροισμα των βαθμώσεων στο κάθε μπλοκ και ύστερα αθροίζουμε τα αποτελέσματα των καναλιών χρώματος για κάθε μπλοκ. Το μπλοκ με το μεγαλύτερο άθροισμα χρησιμοποιείται στη σύνθεση της τελικής εικόνας. Μια οπτική απεικόνιση της ισχύος του κριτηρίου αυτού μπορεί να γίνει κατανοητή στην Εικ Έτσι, δημιουργούμε ένα πίνακα D διαστάσεων ixj, ο οποίος περιέχει τον δείκτη της εικόνας από όπου λαμβάνουμε το συγκεκριμένο μπλοκ. 53

63 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Εικόνα 4.3 Τρεις διαφορετικά εκτεθειμένες λήψεις του ίδιου θέματος, και ο αντίστοιχος χάρτης ακμών, υποδηλώνοντας τη λεπτομέρεια. 54

64 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Συνδυασμός των Εικόνων Σε αυτό το βήμα, προχωρούμε στον συνδυασμό των περιοχών R ijl όπου l = d ij, ο δείκτης της εικόνας που ανήκει η περιοχή αυτή και είναι αποθηκευμένος στον πίνακα D. Εάν απλά ενώσουμε τις περιοχές, συνθέτοντας την τελική εικόνα, αυτή θα έχει ασυνέχειες κάνοντας την αποκρουστική προς το μάτι. Για αυτό τον λόγο, χρησιμοποιούμε την παρακάτω συνάρτηση ανάμειξης. B ij (x) = e (x rx ij )2 +(y ryij )2 2σ 2 m n pq) 2 +(y rypq) 2 p=1 q=1 e (x rx 2σ 2 To i και το j αντιπροσωπεύουν τη γραμμή και στήλη αντίστοιχα όπου κεντράρεται η γκαουσιαννή καμπάνα, τα m,n είναι το σύνολο των γραμμών και των στηλών σε μια εικόνα,σ 2 είναι η διακύμανση της γκαουσσιανής καιrx pq, ry pq οι συντεταγμένες του κέντρου της περιοχής που βρίσκεται στην γραμμή p και στήλη q, αντίστοιχα. Θεωρούμε συνάρτηση U: U(x, y) = { 1 x y ɛ 0 Αλλού Η συνάρτηση U χρησιμοποιείται στην απόρριψη των περιοχών που το κέντρο τους πέφτει εκτός της περιοχής επιρροής του υπό επεξεργασία pixel,eικ Τέλος, η ένταση του κάθε pixel υπολογίζεται μέσω της, I out (x, y) = n i=1 j=1 m (B ij (x, y)u(x rx ij, y ry ij )I dij (x, y)) Η φωτεινότητα επηρεάζεται από τη διακύμανση της γκαουσσιανής. Όσο μικρότερη η διακύμανση, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η επιρροή των περιοχών με χαμηλό επίπεδο λεπτομέρειας. Στην Εικόνα 4.4 παρατηρούμε πως στη πρώτη έκθεση η περιοχή με στη γραμμή 2 και στήλη 2 έχει τη μεγαλύτερη λεπτομέρεια και η γκαουσσιανή κεντράρεται 55

65 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Εικόνα 4.4 Η διαδικασία ανάμειξης των εικόνων με χρήση της Γκαουσσιανής. σε αυτή. Αντίστοιχα, βλέπουμε το ίδιο στις εκθέσεις 2 και k. Στην εικόνα k, παρατηρούμε μάλιστα πως η περιοχή με την μεγαλύτερη λεπτομέρεια δεν επηρεάζει το pixel που επεξεργαζόμαστε, αφού πέφτει έξω από την επιρροή της γκαουσσιανής Επισκόπηση του κώδικα Στο σημείο αυτό κάνουμε μια μικρή επισκόπηση του κώδικα της υλοποίησης μας. Κύρια συνάρτηση του κώδικα είναι η συνάρτηση main, η οποία καλείται από το gui που της δίνει ως δεδομένα το μέγεθος του μπλοκ, τη διακύμανση της Γκαουσσιανής και εύρος ισχύος της Γκαουσσιανής. Η main καλεί διαδοχικά τις διαδικασίες ανάγνωσης των ονομάτων των εικόνων, υπολογισμού των βαθμώσεων σε κάθε pixel, του συνόλου της λεπτομέρειας σε κάθε μπλοκ, επιλογή των μπλοκ με τη μεγαλύτερη λεπτομέρεια (πίνακας D), ανάμειξη των εικόνων και τέλος χαρτογράφηση των τόνων, η οποία γίνεται λόγω του ότι χρησιμοποιούμε 56

66 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας double precision για τα δεδομένα των πράξεων. Αξίζει να σημειωθεί ότι για τον υπολογισμό του κριτηρίου των βαθμώσεων χρησιμοποιήσαμε τον παρακάτω κώδικα matlab: s =[1,1]; dx=[1, 1]; dy=[1; 1]; for k=1:channels gx (:,:, k, i)=conv2(conv2(double(pic(:,:,k)),double(dx), same ),double(s), same ); gy (:,:, k, i)=conv2(conv2(double(pic(:,:,k)),double(dy), same ),double(s), same ); end Εικόνα 4.5 Εύρεση της παραγώγου πρώτης τάξης στις δυο διευθύνσεις Βασιζόμενοι στο γεγονός ότι δi δx (i, y) = 1 ((I(i, j+1) I(i, j))+(i(i+, j+1) I(i+1, j))) 2 (1) 57

67 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας όπου προκύπτει δi δx (i, y) = (I δ δx ) S (2) Όμοια για την κατακόρυφη διεύθυνση ισχύει: δi δx (i, y) = 1 ((I(i+, j) I(i, j))+(i(i+, j+1) I(i, j+1))) 2 (3) όπου προκύπτει δi δx (i, y) = (I δ δx ) S (4) Σύμφωνα με την Εικ. 4.5 [17]. To γραφικό περιβάλλον του κώδικα (Εικ 4.6), παρέχει στο χρήστη τρεις επιλογές για πειραματισμό. Αυτές είναι το μέγεθος των block, η διακύμανση και το εύρος της γκαουσσιανής κατανομής, συναρτήσει του μεγέθους των block. 58

68 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Εικόνα 4.6 Γραφικό περιβάλλον του κώδικα Φωτογραφίες δοκιμής Παρακάτω παρατίθενται οι φωτογραφίες δοκιμής του κώδικα. Τραβήχτηκαν με τη διαδικασία που αναφέρθηκε παραπάνω, με χρήση τρίποδα για σταθερή λήψη. 59

69 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας 60 Εικόνα 4.7 Εικόνες δοκιμής

70 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Αποτελέσματα Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων πάνω στην εφαρμογή της μεθόδου, μεταβάλλουμε 4 ουσιαστικά συνιστώσες, πάνω στις οποίες θα δουμε το πως επηρεάζεται η τελική εικόνα. Αυτές είναι: 1. Αριθμός φωτογραφιών 2. Μέγεθος του block 3. Εύρος της Γκαουσσιανής 4. Διακύμανση της Γκαουσσιανής κατανομής Από τα πρώτα που μπορούμε να παρατηρήσουμε είναι το γεγονός πως η διακύμανση της γκαουσσιανής κατανομής επηρεάζει τη φωτεινότητα της HDR εικόνας, επειδή μικρότερη διακύμανση συνεπάγεται μεγαλύτερη επιρροή περιοχών χαμηλής λεπτομέρειας στην τελική εικόνα (Εικ 4.8). Μια σημαντική παρατήρηση που μπορούμε να κάνουμε σε αυτό το σημείο είναι το γεγονός ότι έχουμε μεγάλη παραμόρφωση στα χρώματα της εικόνας, πράγμα που οφείλεται στη γκαουσσιανή κατανομή, η οποία λειτουργεί ως κατωδιαβατό φίλτρο. Επίσης δημιουργεί και μια θολούρα στην ένωση των κομματιών η οποία είναι πιο αισθητή όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των block. Αντίστοιχα, καθώς μεταβάλλουμε το εύρος της κατανομής, παρατηρούμε πως γίνεται και πιο ομαλή η εικόνα. Σε μικρές τιμές εύρους παρατηρούμε ακόμη την ύπαρξη blocks εικόνα, καθώς όμως αυξάνεται το εύρος, οι ασυνέχειες αυτές ομαλοποιούνται (Εικ 4.9). Μεταβάλλοντας το μέγεθος μπλοκ και υπό σταθερές τις άλλες μεταβλητές παίρνουμε τα παρακάτω αποτελέσματα (Εικ 4.10) Με τις συγκεκριμένες επιλογές μεταβλητών δεν παρατηρούμε τεράστιες διαφορές στις τελικές εικόνες. Μόνο στην τελική ποιότητα της εικόνας όπου όσο μικρότερο το μέγεθος block παρατηρούμε θόρυβο σε σημεία όπου έχουμε συνδυασμό block. Τέλος, παραθέτουμε τα αποτελέσματα του αλγορίθμου συναρτήσει του αριθμού φωτογραφιών (Εικ 4.11). 61

71 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας (αʹ) σ=0.6 (βʹ) σ=0.8 (γʹ) σ=1 (δʹ) σ=1.8 Εικόνα 4.8 Μεταβολή του αποτελέσματος συναρτήσει της διακύμανσης (μέγεθος block 20 και εύρος 2.5) 62

72 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας (αʹ) ε=1.2 (βʹ) ε=1.5 (γʹ) ε=1.8 (δʹ) ε=2 (εʹ) ε=2.5 (Ϛʹ) ε=3 Εικόνα 4.9 Μεταβολή του αποτελέσματος συναρτήσει του εύρους της γκαουσσιανής (μέγεθος block 20 και διακύμανση 1.8) 63

73 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας (αʹ) 10x10 pixels (βʹ) 20x20 pixels (γʹ) 40x40 pixels Εικόνα 4.10 Μεταβολή του αποτελέσματος συναρτήσει τoυ μεγέθους block (εύρος 2.5 διακύμανση 1.8) 64

74 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας (αʹ) 3 (βʹ) 5 (γʹ) 7 Εικόνα 4.11 Μεταβολή του αποτελέσματος συναρτήσει τoυ αριθμού εικόνων (μέγεθος block 20x20 εύρος 2.5 διακύμανση 1.8) 65

75 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας Οπτικά δν παρατηρούμε τεράστια διαφορά ανάμεσα στις εικόνες. Όσο μεγαλώνει ο αριθμός των εικόνων που έχουμε στη διάθεσή μας, έχουμε και μεγαλύτερο εύρος διαθέσιμο προς αξιοποίηση. Έτσι,παρατηρούμε ότι καθώς μεγαλώνει ο αριθμός των διαθέσιμων εικόνων, η τελική εικόνα γίνεται πιο φωτεινή στο σύνολό της, στη συγκεκριμένη περίπτωση. Προφανώς, λόγω της επιλογής περισσότερων περιοχών από τον αλγόριθμο που βρίσκονται σε φωτεινότερες εικόνες Σχόλια, περαιτέρω βελτιώσεις και εφαρμογές Μετά την παραγωγή των πειραμάτων πάνω στις μεταβλητές του αλγορίθμου που υλοποιήσαμε, μπορούμε να φτάσουμε στα ασφαλή συμπεράσματα, κρίνοντας από το οπτικό αποτέλεσμα, πως ο αλγόριθμος όντως αυξάνει τη δυναμική περιοχή της εικόνας και αυξάνει και τη λεπτομέρεια του σκηνικού σε αυτό. Δυστυχώς όμως η συνάρτηση συνδυασμού των επιμέρους κομματιών, επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το χρώμα, πράγμα που έχει αντίκτυπο στην αισθητική του τελικού αποτελέσματος. Σε ασπρόμαυρη απεικόνιση, το αποτέλεσμα είναι πιο καλό αισθητικά σε σύγκριση με την έγχρωμη (Εικ 4.12). Επίσης παρατηρούμε πως η HDR εικόνα έχει περισσότερη λεπτομέρεια από την αντίστοιχη χαμηλού δυναμικού εύρους εικόνα (Εικ 4.12) αλλά και πως ο αλγόριθμος κάνει τέτοιες επιλογές που αυξάνουν τη φωτεινότητα. Το σκεπτικό πίσω από τον αλγόριθμο που υλοποιήσαμε είναι σωστό, καθώς αυξάνεται η δυναμική περιοχή της εικόνας. Δυστυχώς όμως η συνάρτηση συνδυασμού (blending function) δεν λειτουργεί όπως θα θέλαμε, σε επίπεδο έγχρωμης εικόνας, καθώς ξεθωριάζει τα χρώματα. Ίσως η χρήση κάποιας άλλης τεχνικής να είχε καλύτερα αποτελέσματα (πχ pyramid blending[18] ή gradient domain blending[19]). Κατά τα άλλα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί βοηθητικά σε οπτικά συστήματα όπου χρειάζεται λεπτομερής απεικόνιση για την καλύτερη αξιοποίηση των οπτικών δεδομένων. Επιπλέον, επιδέχεται τροποποιήσεις, όπως παραλληλοποίηση που θα αύξαναν την ταχύτητα του καθιστώντας τον χρήσιμο σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου. 66

76 Βασισμένη στην Βάθμωση Εξαγωγή HDR Εικόνας (αʹ) HDR εικόνα (βʹ) LDR εικόνα Εικόνα 4.12 Τελική εικόνα σε ασπρόμαυρο 67 (Μεγεθος block 20x20, εύρος 2.4, διακύμανση 1.2) σε αντιπαραβολή με την εικόνα από τη φωτογραφική μηχανή