멀티노출 HDR 캡처

Multi-exposure HDR capture
St.의 톤 맵 High-Dynamic-Range(HDR; 하이 다이내믹 레인지) 이미지영국 랭커셔주 블랙풀에 있는 켄티건 교회

사진비디오그래피에서 멀티노출 HDR 캡처는 동일한 피사체의 여러 다른 노출을 촬영하고 결합함으로써 하이 다이내믹 레인지(HDR) 이미지를 캡처할 수 있는 기술입니다.

카메라에 의해 캡처된 이미지는 특정 광도 범위 내에서만 구별이 가능합니다.이 범위를 벗어나면 밝은 영역에서는 모든 것이 순수하게 흰색으로 표시되고 어두운 영역에서는 순수하게 검은색으로 나타나기 때문에 특징이 보이지 않습니다.영상에서 톤 값의 최대값과 최소값 사이의 비율을 동적 범위라고 합니다.여러 개의 서로 다른 좁은 범위를 결합하면 단일 노출을 통해 가능한 것보다 더 큰 동적 범위를 가진 이미지가 생성됩니다.HDR은 매우 밝은 직사광선을 포함한 많은 실제 장면을 극단적 음영 또는 매우 희미한 [1][2][3][4]성운에 기록하는 데 유용합니다.

"HDR"이라는 용어는 여러 노출에서 HDR 이미지를 캡처하는 전체 프로세스를 나타낼 수도 있습니다.많은 스마트폰에는 HDR 기능이 내장되어 있어 사진 캡처를 위한 프로세스를 자동으로 수행합니다.이 기술은 또한 비디오의 각 프레임에 대해 여러 노출을 촬영하고 결합함으로써 비디오를 캡처하는 데 사용할 수 있습니다.

인쇄 및 디스플레이 대비의 한계로 인해 입력 HDR 영상의 확장된 밝기 범위가 표시되도록 압축되어야 합니다.표준 모니터 또는 인쇄 장치에 높은 다이내믹 레인지 이미지를 렌더링하는 방법을 톤 매핑이라고 합니다.이 방법은 HDR 이미지의 전체적인 콘트라스트를 줄여 동적 범위가 낮은 디바이스 또는 인쇄물에 쉽게 표시할 수 있도록 합니다.예술적 효과를 위해 국소 대비가 유지되거나 국소 대비가 과장된 이미지를 생성할 수 있습니다.

사진술에서 동적 범위는 정지라고 알려진 노출 값(EV) 차이로 측정됩니다.

혜택들

HDR의 한 가지 목적은 인간의 시각 시스템을 통해 경험하는 것과 유사한 휘도 범위를 제시하는 것이다.인간의 눈은 비선형 반응, 홍채의 적응 및 기타 방법을 통해 환경에 존재하는 광범위한 휘도에 지속적으로 적응합니다.뇌는 이 정보를 지속적으로 해석하여 보는 사람이 넓은 범위의 빛 상태를 볼 수 있도록 한다.

공통 디바이스의 동적 범위
장치 정지 콘트라스트비
단일 노출
사람의 눈: 가까운 물체 07.5 00150...200
사람의 눈: 4° 각도 분리 13 08000...10000
사람의 눈(정적) 10...14 [5] 01000...15000
네거티브 필름(Kodak VISION3) 13개 08000
1/1.7인치 카메라(Nikon Coolpix P340) 11.9 [7] 03800
1인치 카메라(Canon PowerShot G7 X) 12.7 [7] 06600
DSLR 카메라 3분의 4(Panasonic Lumix DC-GH5) 13.0 [7] 08200
APS DSLR 카메라(Nikon D7200) 14.6 [7] 24800
풀프레임 DSLR 카메라(Nikon D810) 14.8 [7] 28500

대부분의 카메라는 동적 범위가 낮기 때문에 단일 노출 내에서 이 범위의 노출 값을 제공할 수 없습니다.표준 사진 및 이미지 기법에서는 특정 밝기 범위 내에서만 구별이 가능합니다.이 범위를 벗어나면 밝은 영역에서는 모든 것이 순수하게 흰색으로 나타나기 때문에 차별성이 없고 어두운 영역에서는 모든 것이 순수하게 검은색으로 나타나므로 차별성이 없기 때문에 특징이 보이지 않습니다.비 HDR 카메라는 제한된 노출 범위(Low Dynamic Range(LDR; 저동적 범위)로 사진을 찍기 때문에 하이라이트 또는 음영 부분의 세부 정보가 손실됩니다.

멀티노출 HDR은 사진 촬영 및 용접 또는 자동차 작업 같은 극한 다이내믹 레인지 애플리케이션에 사용됩니다.보안 카메라에서 HDR 대신 사용되는 용어는 "wide dynamic range"입니다.

최신 CMOS 이미지 센서는, 1회의[8] 노광으로부터 다이나믹 레인지의 높은 촬영이 가능하기 때문에, 멀티 노광 HDR 를 실행할 필요가 없습니다.컬러 필름 네거티브와 슬라이드는, 빛에 다른 반응을 하는 복수의 필름 레이어로 구성되어 있습니다.오리지널 필름(특히 네거티브 필름 대 투명 필름 또는 슬라이드)은 매우 높은 다이내믹 레인지(네거티브 필름의 경우 8개, 슬라이드의 경우 4~4.5개)를 특징으로 합니다.

과정

일반적으로 하이 다이내믹 레인지 사진은 표준 노출 이미지를 여러 개 캡처하고, 종종 노출 브래킷을 사용하여 나중에 단일 HDR 이미지(보통 사진 조작 프로그램 내)에 병합함으로써 구현됩니다.

여러 이미지 캡처(노출 브래킷)

수동 노출 제어가 가능한 카메라는 모두 멀티 노출 HDR 이미지 캡처를 수행할 수 있지만, 자동 노출 브래킷(AEB)이 장착된 카메라가 훨씬 적합합니다.필름 카메라의 이미지는 소프트웨어 HDR 방법을 사용하여 나중에 처리할 수 있도록 먼저 디지털화해야 하는 경우가 많기 때문에 적합하지 않습니다.

EV가 1개 증가하거나 정지하면 빛의 양이 2배로 증가합니다.반대로 EV가 1개 감소하면 빛의 양이 절반으로 줄어든다.따라서 어두운 그림자에서 디테일을 노출하려면 높은 노출이 필요하며, 매우 밝은 상황에서는 디테일을 보존하려면 매우 낮은 노출이 필요합니다.

대부분의 촬상장치에서 활성소자(필름 또는 CCD)에 가해지는 빛에 대한 노출도는 조리개 크기를 증가/감소하거나 각 노출시간을 증가/감소하는 두 가지 방법 중 하나로 변경할 수 있다.HDR 세트의 노출 변동은 조리개 크기가 아닌 노출 시간을 변경함으로써만 이루어집니다. 이는 조리개 크기를 변경하면 필드의 깊이에도 영향을 미치므로 결과적으로 발생하는 여러 이미지가 상당히 달라져 단일 HDR 이미지로 최종 결합되는 것을 방지하기 때문입니다.

다중 노출 HDR 촬영의 중요한 제한 사항은 연속된 이미지 간의 이동이 나중에 이러한 이미지를 결합하는 데 방해가 되거나 실패할 수 있다는 것입니다.또한 원하는 휘도 범위를 얻기 위해 여러 개의 이미지(종종 3개 또는 5개 이상)를 생성해야 하므로 이러한 전체 이미지 집합에는 추가 시간이 걸립니다.사진작가는 이러한 문제를 부분적으로 극복하기 위한 계산 방법과 기술을 개발했지만, 적어도 튼튼한 삼각대를 사용하는 것이 좋다.

일부 카메라에는 다른 카메라보다 훨씬 더 큰 다이내믹 레인지의 자동 노출 브래킷(AEB) 기능이 있으며,[9] 2020년 현재 로우엔드의 0.6에서 최상위 프로페셔널 카메라의 18EV까지 다양합니다.

HDR 영상에 영상 병합

저장하는

하이 다이내믹 레인지 영상에 저장된 정보는 일반적으로 실제 환경에서 관찰할 수 있는 휘도 또는 광도물리적 값에 해당합니다.이것은, 모니터나 종이 인쇄에 표시되는 색을 나타내는 기존의 디지털 이미지와는 다릅니다.따라서 HDR 이미지 포맷은 디바이스 레퍼런스 또는 출력 레퍼런스되는 기존 디지털이미지와는 대조적으로 씬 레퍼런스라고 불립니다.또한, 기존 이미지는 일반적으로 인간의 시각 시스템에 대해 인코딩되며(고정 비트 수에 저장된 시각적 정보를 최대화함), 일반적으로 감마 부호화 또는 감마 보정이라고 한다.고정 소수점 선형 인코딩은 동적 [10][11][12]범위가 높을수록 비효율적이기 때문에 HDR 이미지에 저장된 값은 감마 압축(멱함수 법칙) 또는 로그 부호화 또는 부동 소수점 선형 값인 경우가 많습니다.

HDR 이미지는, 종래의 이미지 이외의 색 채널 마다 고정 범위를 사용하지 않는 경우가 많아, 보다 넓은 다이나믹 레인지(복수 채널)에 걸쳐 많은 색을 나타냅니다.이를 위해 단일 색상 채널을 나타내기 위해 정수 값을 사용하지 않고(예: 빨간색, 녹색 및 파란색의 경우 픽셀 간격당 0 ~ 255비트) 부동소수점 표현을 사용합니다.공통은 HDR 픽셀을 나타내는 16비트(반정밀) 또는 32비트 부동소수점 숫자입니다.그러나 적절한 전송 함수를 사용하면 일부 애플리케이션의 HDR 픽셀은 가시적인 양자화 [10][13]아티팩트를 도입하지 않고 휘도의 경우 10-12비트, 색도의 경우 8비트의 색심도로 나타낼 수 있습니다.

톤 맵핑

톤 매핑은 국소적인 콘트라스트를 유지하면서 이미지 전체의 다이내믹 레인지(콘트라스트비)를 줄입니다.톤 매핑은 다른 조작이지만, 같은 소프트웨어 패키지에 의해 HDR 파일에 적용되는 경우가 많습니다.

톤 매핑은 디스플레이가 수신할 수 있는 전자 표현의 동적 범위가 캡처된 [8]이미지의 동적 범위보다 낮은 경우가 많기 때문에 자주 필요합니다.HDR 디스플레이SDR 디스플레이보다 높은 다이내믹레인지 신호를 수신할 수 있기 때문에 톤 매핑의 필요성이 줄어듭니다.

PC, Mac 및 Linux 플랫폼에서는 HDR 파일 및 톤 맵 이미지를 생성하기 위한 몇 가지 소프트웨어 애플리케이션을 사용할 수 있습니다.주목되는 타이틀은 다음과 같습니다.

빌트인 프로세스

이 이미징 방식의 인기가 높아짐에 따라 현재 여러 카메라 제조업체에서 내장 멀티 노출 HDR 기능을 제공하고 있습니다.예를 들어 Pentax K-7 DSLR에는 3개 또는 5개의 샷을 촬영하여 JPEG [14]파일에 톤 맵된HDR 이미지만 출력하는HDR 모드가 있습니다.Canon PowerShot G12, Canon PowerShot S95 Canon PowerShot S100동일한 기능을 더 작은 [15]형식으로 제공합니다.니콘의 접근 방식은 센서에서 나오는 이미지에 노출 보상과 톤 매핑을 적용하는 '액티브 D-라이트닝'으로 사실적인 효과를 [16]내는 데 중점을 두고 있다.

일부 스마트폰은 HDR 모드를 제공하며, 대부분의 모바일 플랫폼에는 다중 노출 HDR 사진 [17]촬영을 제공하는 앱이 있습니다.

최신 전화기와 카메라의 일부 센서는 두 이미지를 온칩으로 결합하여 사용자가 표시 또는 처리를 [citation needed]위해 픽셀 단위 압축 없이 보다 넓은 동적 범위를 직접 사용할 수 있도록 할 수도 있습니다.

HDR의 종류

HDR은, 다음의 몇개의 방법으로 실시할 수 있습니다.

다음으로 4개의 표준 다이내믹레인지 이미지를 조합하여3개의 톤 맵이미지를 생성하는 예를 나타냅니다.

노출된 이미지:
처리 후 결과:

다음 예에서는 다이내믹 범위가 매우 넓은 장면을 보여 줍니다.

노출된 이미지:
처리 후 결과:

이상 발생

스마트폰에 찍힌 이 이미지는 그늘진 잔디와 밝은 하늘을 정확하게 드러냄으로써 멀티노출 HDR 캡처의 혜택을 누렸지만 골프 스윙이 빨라 '유령' 클럽으로 이어졌다.

빠르게 움직이는 피사체(또는 불안정한 카메라)는 병합된 이미지가 동일하지 않지만 각각 위치가 변경된 다른 순간에 움직이는 피사체를 캡처하기 때문에 "고스트" 효과 또는 스태그드 블러 스트로보 효과가 발생합니다.또, 조명 조건(스트로프 LED 라이트)의 갑작스런 변경은, 자동 HDR 시스템에 의해서 기대되는 광도를 가지는 1개 이상의 HDR 레이어를 생성해, 원하는 결과를 방해할 가능성이 있습니다.다만, 이미지 레이어를 다음의 순서로 정렬하는 것으로 소프트웨어에서 수동으로 적절한 HDR 이미지를 생성할 수 있는 경우도 있습니다.실제 밝기

일부 센서의 비선형성으로 인해 이미지 아티팩트가 자주 발생할 수 있습니다.

감마 곡선, 센서 분해능, 노이즈, 광도 보정 및 색 보정같은 카메라 특성은 결과적으로 높은 동적 범위 영상에 [20]영향을 미칩니다.

비디오그래피

HDR 타임랩스 비디오 예시

정지화면 캡처만큼 확립되어 있지는 않지만 카메라에 [21]의해 캡처되는 다이내믹 레인지를 늘리기 위해 동영상의 각 프레임에 대해 복수의 화상을 캡처하여 조합할 수도 있다.이것은, 다음의 복수의 방법으로 실시할 수 있습니다.

  • 다중 노출 HDR [22]기술을 통해 생성된 개별 영상의 시간 경과를 생성합니다.
  • 프레임 레이트를 [18]반으로 잘라 서로 다른 두 개의 노출 이미지를 연속적으로 촬영합니다.
  • 해상도를 [18]반으로 잘라 서로 다르게 노출된 두 이미지를 동시에 촬영합니다.
  • 듀얼 게인 아키텍처를 채택한 센서를 통해 최대 해상도와 프레임 레이트로 서로 다르게 노출된 두 개의 이미지를 동시에 촬영합니다.예를 들어 다음과 같습니다.Arri Alexa의 센서,[23] Smart-ISO [24]Pro를 탑재한 삼성 센서.

보안 애플리케이션에서 사용하도록 설계된 일부 카메라는 노출이 [citation needed]변경되어 각 프레임에 대해 두 개 이상의 이미지를 자동으로 제공할 수 있습니다.예를 들어 30fps 비디오용 센서는 짧은 노출 시간에는 홀수 프레임, 긴 노출 시간에는 짝수 프레임과 함께 60fps를 내보냅니다.

2020년에 퀄컴은 4K로 HDR 비디오 캡처를 계산하고 HDR [25]디스플레이와 호환되는 형식으로 녹화할 수 있는 모바일 SoC인 SnapDragon 888을 발표했습니다.

2021년에 샤오미 Mi 11 Ultra 스마트폰은 비디오 [26]캡처를 위한 컴퓨터 멀티노출 HDR을 실행할 수 있게 되었습니다.

역사

19세기 중반

구스타브 르 그레이의 1856년 사진

너무 극단적인 범위의 휘도를 적절히 재현하기 위해 여러 노출을 사용하는 아이디어는 1850년대에 구스타브 르 그레이가 하늘과 바다를 모두 보여주는 바다 풍경을 그리기 위해 개척했다.광도 범위가 너무 극단적이었기 때문에 표준 방법으로는 이러한 렌더링이 불가능했습니다.르 그레이는 하늘을 위해 음성을 사용하고 바다를 위해 더 긴 음성을 사용하여 두 개의 사진을 [27]양성으로 조합했습니다.

20세기 중반

외부 이미지
image icon 램프의 슈바이처 W. 유진[28][29] 스미스

수동 톤 매핑은 회피 및 소각으로 이루어졌습니다.사진 영역의 노출을 선택적으로 증가 또는 감소시켜 톤 재생성을 향상시킵니다.이것은 네거티브의 동적 범위가 네거티브를 통해 균일한 방식으로 노출되었을 때 완성된 양지 인쇄에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 높기 때문에 효과적이었다.좋은 는 1954년 사진 에세이 "알버트 슈바이처와 프랑스 적도 아프리카에서의 의 인도주의적 작업"에 나오는 W. 유진 스미스램프에서의 슈바이처 사진이다.이 영상은 밝은 램프(장면에 상대적인)에서 [29]어두운 그림자까지 장면의 톤 범위를 재현하는 데 5일이 걸렸다.

앤젤 아담스는 회피와 불타는 것을 예술의 형태로 발전시켰다.그의 많은 유명한 판화들은 암실에서 이 두 가지 방법으로 조작되었다.애덤스는 그의 Zone System의 맥락에서 눈에 띄게 피하고 불태우는 것을 특징으로 하는 The Print라고 불리는 인쇄물 제작에 관한 포괄적인 책을 썼다.

컬러 사진의 등장으로, 컬러 필름의 현상 과정에서 특정한 타이밍이 필요했기 때문에 암실에서의 톤 매핑은 더 이상 가능하지 않았다.사진작가들은 필름 제조사들에게 반응성이 향상된 새로운 필름 재고를 디자인하거나 톤 매핑 [citation needed]방법을 사용하기 위해 흑백 촬영을 계속했다.

Wyckoff의 확장 노출 응답 필름의 노출/밀도 특성.각 곡선은 S자 모양이며 쌍곡선 탄젠트 또는 유도 주기(개시), 준선형 전파 및 포화 고원(점근)으로 특징지어지는 로지스틱 함수를 따른다는 것을 알 수 있다.

하이 다이내믹 레인지 영상을 직접 기록할 수 있는 컬러 필름은 찰스 와이코프 EG&G가 "공군부와 계약 중에"[30] 개발했다.이 XR 필름에는 ASA 속도 정격 400의 상부 레이어, 중간 정격의 중간 레이어 및 ASA 정격 0.004의 하부 레이어의 3개의 에멀젼 레이어가 있습니다.이 필름은 컬러 필름과 비슷한 방식으로 가공되었고, 각 층마다 다른 [31]색상을 생성했습니다.이 확장 범위 필름의 동적 범위는 1:[32]10으로8 추정됩니다.그것은 [33]핵폭발 사진, 천체 [34]사진, 분광 연구,[35] 의료 영상 [36]촬영에 사용되어 왔다.Wyckoff의 핵폭발에 대한 자세한 사진은 1950년대 중반 Life 잡지의 표지에 실렸다.

20세기 후반

조르주 코르뉴졸스와 특허권자(Brdi, Hymatom)는 1986년 카메라의 이미지 [37]센서 앞에 입식 LCD 화면을 삽입해 센서 다이내믹스를 5단계 높임으로써 HDR 비디오 이미지의 원리를 도입했다.

근린 톤 매핑의 개념은 올리버 힐센라스와 예호슈아 Y. 지비가 이끄는 이스라엘의 테크니온 그룹에 의해 1988년 비디오 카메라에 적용되었다.기술 연구진은 1991년 [38]이 개념에 대한 특허를 출원했으며 1992년과 [39]1993년에는 관련 특허를 출원했다.

1990년 2월과 4월, Georges Cornujols는 카메라의 센서에[40] 의해 연속적으로 또는 두 개의 센서에 의해 동시에[41] 캡처된 두 개의 이미지를 결합한 최초의 실시간 HDR 카메라를 선보였다.이 프로세스는 비디오스트림에 사용되는 브래킷이라고 불립니다.

1991년, Georges Cornuéjols의 라이선스 소유자인 Hymatom에 의해 다양한 노출로 여러 이미지를 실시간으로 캡처하고 HDR 비디오 이미지를 생성하는 최초의 상용 비디오 카메라가 도입되었습니다.

또한 1991년 Georges Cornuéjols는 [40]카메라의 감도를 높이기 위해 비선형 축적을 통한 HDR+ 이미지 원리를 도입했습니다.저조도 환경에서는 여러 개의 연속적인 이미지가 축적되어 신호잡음비가 증가합니다.

1993년, [39]테크니온사가 HDR 비디오 이미지를 제작하는 또 다른 상용 의료 카메라.

최신 HDR 이미징에서는 글로벌 이미지 조작(이미지 전체)만을 사용하여 고다이나믹 레인지 휘도 또는 라이트 맵을 만들고 그 결과를 톤 매핑하는 완전히 다른 접근방식을 사용합니다.글로벌 HDR은 1993년에[1] 처음 도입되어 1995년에 스티브 만과 로잘린드 피카르에 [2]의해 출판된 동일한 소재의 서로 다르게 노출된 사진에 대한 수학 이론을 만들어냈다.

1998년 10월 28일, 벤 사라오는 NASA의 케네디 우주 센터의 발사대에서 STS-95의 첫 야간 HDR+G(하이 다이내믹 레인지 + 그래픽) 이미지 중 하나를 만들었습니다.그것은 추가적인 디지털 그래픽 요소들과 함께 디지털로 합성된 야간 우주 왕복선의 4개의 필름 이미지로 구성되었다.이 이미지는 1999년 워싱턴 DC의 NASA 본부 그레이트 홀에서 처음 전시되었고 그 후 하셀블라드 [42]포럼에 게재되었다.

소비자용 디지털 카메라의 등장으로 필름보다 훨씬 작은 다이내믹 레인지를 가진 디지털 카메라 센서의 광반응을 개선하기 위해 HDR 이미징에 대한 새로운 수요가 창출되었습니다.Steve Mann은 MIT Media [43]Lab에서 확장된 다이내믹 레인지를 가진 디지털 이미지를 제작하기 위한 글로벌 HDR 방법을 개발 및 특허 취득했습니다.Mann의 방법은 2단계 절차를 수반했다.먼저 글로벌 전용 이미지 작업(로컬 이웃에 관계없이 모든 픽셀에 동일하게 영향을 미치는 작업)에 의해 부동소수점 이미지 배열을 생성합니다.다음으로 로컬 네이버 처리(톤 리매핑 등)를 사용하여 이 이미지 어레이를 HDR 이미지로 변환합니다.Mann 프로세스의 첫 번째 단계에서 생성된 이미지 배열을 Lightspace 이미지, Lightspace 사진 또는 Radiance Map이라고 합니다.글로벌 HDR 이미징의 또 다른 장점은 컴퓨터 비전 및 기타 이미지 처리 [43]작업에 사용된 중간 빛 또는 광도 맵에 액세스할 수 있다는 것입니다.

21세기

2001년 2월에는 노출 수준이 다른 여러 장의 사진을 사용하여 육안과 [44]유사한 높은 동적 범위를 달성하는 다이내믹 레인저 기술이 시연되었습니다.

2000년대 초반에는 여러 학술적 연구 노력이 소비자용 센서와 [45]카메라를 사용했다.RED나 Arri와 같은 몇몇 회사는 보다 높은 다이내믹 [46][47]레인지의 디지털 센서를 개발하고 있습니다.RED EPIC-X는 사용자가 선택할 수 있는 "x" 채널에서 하이라이트 위도를 1~3회 정지하여 시계열 HDRx 이미지를[18] 캡처할 수 있습니다.포스트 프로덕션 소프트웨어에서 "x" 채널을 일반 채널과 병합할 수 있습니다.Ari Alexa 카메라는 듀얼 게인 아키텍처를 사용하여 동시에 [23]캡처된 두 개의 노출에서 HDR 이미지를 생성합니다.

저가 소비자용 디지털 카메라의 등장으로 많은 아마추어들이 톤 맵된 HDR 타임랩스 비디오를 인터넷에 올리기 시작했습니다. 기본적으로 일련의 스틸 사진들이 빠르게 연속됩니다.2010년 독립 스튜디오인 소련의 Montage는 빔 스플리터와 소비자용 HD 비디오 [48]카메라를 사용하여 노출도가 낮은 비디오 스트림에서 HDR 비디오의 예를 제작했습니다.비슷한 방법들이 [49][50]2001년과 2007년 학술 문헌에 기술되어 있다.

2005년에 Adobe Systems는 Photoshop CS2Merge to HDR, 32비트 부동소수점 이미지 지원, HDR 톤 [51]매핑 의 몇 가지 신기능을 도입했습니다.

2016년 6월 30일, Microsoft는 범용 Windows [52]플랫폼을 사용하여 Windows 10에 HDR 이미지의 디지털 합성 지원을 추가했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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