Tone-mapping og HDR-bearbeiding

Basis

Grunnleggende om tone-mapping

Tone-mapping er prosessen med å konvertere et HDR-bilde (High Dynamic Range) til et format som kan vises på vanlige skjermer og utskrifter, som har et begrenset dynamisk område. Målet er å bevare detaljene og kontrastfølelsen fra det høy-dynamiske originalmaterialet.

Hva er tone-mapping?

• Definisjon: Konvertering av HDR-data til LDR (Low Dynamic Range) format

• Hensikt: Å vise hele det dynamiske området samtidig på enheter med begrenset visningsområde

• Utfordring: Å redusere kontrastforhold samtidig som man beholder opplevelsen av kontrast

Grunnleggende tone-mapping-metoder

1. Global tone-mapping:

   • Bruker samme kurve for hele bildet

   • Raskere og mindre datakrevende

   • Gir ofte mer naturlige resultater

   • Begrensning: Kan ikke optimalisere for både høylys og skygger samtidig

2. Lokal tone-mapping:

   • Behandler forskjellige områder av bildet separat

   • Kan trekke ut mer detaljer i både høylys og skygger

   • Gir mer dramatiske resultater

   • Begrensning: Kan gi "HDR-look" med unaturlige halos og overmetning

Hovedinnstillinger i tone-mapping-programvare

• Styrke/intensitet: Kontrollerer hvor kraftig effekten er

• Detaljforsterkning: Fremhever små kontrastforskjeller

• Høylys/skygge-justering: Balanserer lyse og mørke områder

• Tonekomprimeringskurve: Styrer hvordan det dynamiske området reduseres

• Fargeintensitet/metning: Justerer fargemetning etter komprimering

Vanlige tone-mapping-programvare

• Adobe Lightroom/Photoshop (HDR-merger)

• Aurora HDR

• Photomatix Pro

• Luminance HDR (gratis, open-source)

• Bildekraft HDR

• SNS-HDR

Grunnleggende arbeidsflyt

1. Kombiner bracketed-bilder til et HDR-bilde

2. Anvend tone-mapping med konservative innstillinger

3. Finjuster kontrast, farger og detaljer

4. Vær forsiktig med overbehandling – naturlig HDR ser ofte bedre ut

5. Eksporter til standard bildeformat (JPEG, TIFF)

Målet er å oppnå et balansert bilde med full tonalitet fra skygger til høylys, uten å miste den naturlige kontrasten og stemningen i scenen.

Utdypende

Avansert tone-mapping

Hvordan tone-mapping fungerer teknisk

HDR-bilder inneholder lysdata som overstiger kapasiteten til standard skjermer:

• HDR kan inneholde 32-bit per kanal (teoretisk ubegrenset lysområde)

• Standard skjermer viser 8-bit per kanal (256 nivåer fra svart til hvitt)

• Tone-mapping komprimerer dette spekteret til visbare verdier

Mappingprosessen:

1. Luminansdata analyseres (lysstyrkefordelingen)

2. En mappingoperator anvendes for å komprimere verdiene

3. Lokale kontrastjusteringer gjøres for å bevare detaljer

4. Fargeinformasjon tilpasses til komprimert luminanskanal

5. Etterbehandling anvendes for å forbedre perseptuell kontrast

Detaljert gjennomgang av tone-mapping-parametere

Dynamisk komprimeringskontroll:

• Tonekomprimeringsstyrke: Bestemmer hvor aggressivt dynamikken komprimeres

• Kompresjonskurve: Lineær, logaritmisk, S-kurve eller tilpasset

• Gammakontroll: Justerer mellomtonene for å unngå et flatt utseende

Lokale kontrastjusteringer:

• Detaljforsterkningsradius: Styrer hvilken skala av detaljer som forsterkes

• Lokal kontrastgrense: Forhindrer overdreven lokalkontrastforsterkning

• Haloreduksjon: Reduserer lyse/mørke kanter rundt objekter

Fargebehandling etter tone-mapping:

• Fargekorrigering: Kompenserer for metningsendringer etter luminansendringer

• Fargetoning: Skygger og høylys kan få forskjellig fargetone

• Fargebevarende algoritmer: Sikrer at fargeforholdet mellom piksler bevares

Utvalgte tone-mapping-operatører og deres bruk

Reinhard-operatør:

• Fotografisk tonetilpasning inspirert av tradisjonell film

• Strengere lokale tilpasninger som bevarer naturlig utseende

• Velegnet for landskaper og scener hvor naturlig utseende er essensielt

Drago-operatør:

• Adaptiv logaritmisk mapping som håndterer svært store dynamiske områder

• Robust for ekstreme kontraster

• Ofte brukt for arkitektoniske interiører med vinduer

Mantiuk-operatør:

• Fokuserer på å bevare kontrastdetaljer på alle skalaer

• Gir ofte kraftige og detaljrike resultater

• Passer for komplekse teksturdetaljer og urbane scener

Fattal-operatør:

• Gradientdomene-komprimering

• Spesielt god til å bevare detaljer i ekstremt høykontrast situasjoner

• Kan gi overbehandlede resultater hvis ikke nøye justert

Arbeidsflytsstrategier for forskjellige fototyper

Naturalistisk HDR for landskaper:

1. Bruk global tone-mapping med konservative innstillinger

2. Hold høylyskompresjonen moderat

3. Unngå overdreven detaljforsterkning

4. Hold fargemetting kontrollert

5. Fjern halos og unaturlige kanter omhyggelig

Dramatisk HDR for arkitektur:

1. Bruk lokal tone-mapping for optimal detaljgjengivelse

2. Utnytt teksturmultiforsterkninger

3. Vær forsiktig med reflekterende overflater

4. Bruk selektiv skyggeløfting for interiørdetaljer

5. Kontrollerbar halo-dannelse kan bidra til dramatisk effekt

Balansert HDR for portretter:

1. Bruk forsiktig global tone-mapping

2. Unngå overdreven detaljprosessering på hud

3. Selektiv masking for skille mellom hud og omgivelser

4. Bevar naturlige hudtoner og gradasjoner

5. Bruk HDR primært for å balansere subjekt mot bakgrunn

Vanlige utfordringer og løsninger

Ghosting-problemer:

• Forårsakes av bevegelse mellom bracketing-eksponeringene

• Løsning: Bruk ghost-removal i programvaren eller manuell masking

• For ekstreme tilfeller: Kombiner manuelt med lag-masker i Photoshop

Støy i skygger:

• Forsterkes ofte under tone-mapping

• Løsning: Bruk dedikert støyreduksjon på de mørkeste eksponeringene før sammenslåing

• Alternative løsning: Selektiv støyreduksjon etter tone-mapping

Unaturlige farger:

• Forårsakes av oversaturasjon og krysskanal-lekkasjer

• Løsning: Juster fargemetningen selektivt for forskjellige fargeområder

• Alternativ: Bruk "naturlig" eller "fargebevarende" HDR-algoritmer

Dypdykk

Avansert tone-mapping-teori og teknikker

Matematiske grunnlag for tone-mapping-operatører

Dynamisk område kompresjon-matematikk:

• Global operatører: Anvender funksjon f(Lw) → Ld, hvor Lw er verdens-luminans og Ld er visnings-luminans

• Lokale operatører: Anvender funksjon f(Lw, x, y, Ω) → Ld, hvor Ω er lokalt nabolag rundt piksel (x,y)

Reinhard global operatør:

Ld(x,y) = L(x,y) * (1 + L(x,y)/L²w,max) / (1 + L(x,y))

hvor L er skalert luminans og Lw,max er maksimal luminans

Lokale operatører og konvolusjon:

• Bruker Gaussiske filtre av forskjellige størrelser for å fastslå lokal luminans

• Adaptiv justering basert på romlige frekvenser

• Fotoreseptor-tilpasningsmodeller fra menneskelig syn-vitenskap

Psykofysiske modeller i tone-mapping

Human Visual System (HVS) modellering:

• Kontrastsensitivitetsfunksjon (CSF): Modellerer hvordan mennesker oppfatter kontrast ved forskjellige romlige frekvenser

• Lokal adaptering: Modeller for hvordan øyet tilpasser seg lokale lysforhold

• Weber-Fechner lov: Persepsjon er proporsjonal med logaritmen av stimulusintensitet

• Stevens' Power Law: Persepsjon er proporsjonal med stimulus opphøyd i en potens (typisk 0.3-0.5 for lysstyrke)

Perseptuelt baserte operatører:

• Durand og Dorsey's bilateral filtrering dekonstruerer bildet i base + detalj-lag

• Mantiuk's HVS-modellering med kontrastdomenebearbeiding

• iCAM06: Image Color Appearance Model med komplett persepsjonssimulering

HDR-pipelines og format-konverteringer

Scene-Referred til Display-Referred konvertering:

• Scene-referred data: Absolutte eller relative scenelysverdier (som i HDR-bilder)

• Display-referred data: Verdier tilpasset en spesifikk visningsenhet

Color Management i HDR Workflows:

• Konvertering fra bred-gamut RGB (f.eks. ProPhoto) til standard gamut (sRGB)

• Tone Response Curve (TRC) konverteringer

• HDR-RGB fargerom: Rec.2020 (for HDR-video) eller ACEScg

HDR-formater og deres tekniske spesifikasjoner:

• OpenEXR: 16-bit eller 32-bit flyttall per kanal

• RGBE (.hdr): 8-bit mantisse, 8-bit eksponent

• LogLuv TIFF: Logaritmisk kodert luminans + uv-fargekoordinater

• HEIF med HDR10 metadata: 10-bit begrenset flyttall

Fremskritt innen AI-basert tone-mapping

Deep learning-baserte tilnærminger:

• Convolutional Neural Networks (CNN) for å lære optimal mapping

• Generative Adversarial Networks (GAN) for realistisk HDR til LDR konvertering

• Perceptual loss-funksjoner som etterligner menneskelig preferanse

AI-HDR rekonstruksjon:

• Rekonstruerer HDR fra enkelte LDR-eksponeringer

• Hallusinerer manglende informasjon basert på treningsdata

• Google's HDR+ algoritme: Stacking og maskinlæring-basert rekonstruksjon

Eksperimentelle metoder:

• Deep Reverse Tone Mapping (for å få HDR fra SDR-innhold)

• Style transfer-basert tone-mapping

• Semantisk bevisst HDR-kompresjon (forskjellig behandling for himmel, vegetasjon, hud, etc.)

Tone-mapping for forskjellige visningsteknologier

HDR-spesifikk tone-mapping:

• Tilpasset for HDR10, Dolby Vision eller HLG visningsteknologier

• Hybrid tone-mapping for blandet SDR/HDR distribusjonskanaler

• PQ (Perceptual Quantizer) kurve og dens bruk i tone-mapping

Projektoroptimalisert tone-mapping:

• Kompenserer for redusert kontrast i projektor-visning

• Håndterer ambient lys-problematikken

• Optimalisert for storformatvisning og persepsjon

Print-spesifikk tone-mapping:

• Kompenserer for redusert dynamisk område i trykt media (5-6 stopp max)

• Håndterer papirrefleksjon og substrategenskaper

• Soft-proofing teknikker for forhåndsvisning av print-resultater

Avanserte tekniske problemer og løsninger

Temporal tone-mapping for HDR-video:

• Adaptiv tone-mapping med smooth overganger mellom scener

• Flimmer-reduksjonsteknikker

• Eksponeringsutjevning på tvers av klipp

Gamut mapping-problemet:

• Tone-mapping påvirker farger og kan skape gamut-problemer

• Hue-preserving gamut mapping metoder

• Multidimensjonal gamut kompresjon

Kvalitetsvurderingsmetrikker:

• HDR-VDP (Visual Difference Predictor)

• TMQI (Tone-Mapped Image Quality Index)

• DRIM (Dynamic Range Independent Image Quality Assessment)

• Subjektive evalueringsmetodologier og parpresentasjoner

Oppgaver

Praktiske tone-mapping-øvelser

Øvelse 1: Utforsk tone-mapping-stiler

1. Bruk et HDR-bilde (enten fra en bracketing-serie du har tatt eller et ferdig HDR-bilde)

2. Prøv ulike tone-mapping-operatører i samme programvare:

   • Reinhard-operatør

   • Drago-operatør

   • Mantiuk-operatør

   • Filmic tone-mapping (hvis tilgjengelig)

3. Hold alle andre innstillinger uendret for å isolere effekten av operatørene

4. Sammenlign resultatet fra hver operatør:

   • Detaljgjengivelse i høylys

   • Skyggedetaljer

   • Mellomtonekontrast

   • Naturtro utseende

5. Velg hvilken operatør som passer best for ditt spesifikke bilde

Øvelse 2: Global vs. lokal tone-mapping

1. Bruk et høykontrastbilde med både lyse og mørke områder

2. Behandle det med ren global tone-mapping (skru av lokale justeringer)

3. Behandle det samme bildet med lokal tone-mapping

4. Juster styrken på den lokale effekten fra subtle til ekstrem

5. Sammenlign resultatene for å forstå fordelene og ulempene med hver tilnærming

6. Se etter:

   • Halos rundt kontrastkanter (typisk lokal-problem)

   • Tap av global kontrast (typisk lokal-problem)

   • Tap av detaljer i enten høylys eller skygger (typisk global-problem)

7. Finn en optimal balanse mellom global og lokal tone-mapping

Øvelse 3: Målorientert tone-mapping

1. Velg ett HDR-bilde og lag tre forskjellige tone-mappede versjoner:

   • Versjon A: Mest mulig naturlig og realistisk

   • Versjon B: Dramatisk og stemningsfull

   • Versjon C: Maksimal detaljgjengivelse i alle toneområder

2. Sammenlign hvilke innstillinger som var mest effektive for hvert mål

3. Identifiser key-parametere som hadde størst innvirkning på hvert resultat

4. Lag en veiledning for deg selv om hvilke innstillinger som gir hvilke stilistiske resultater

Øvelse 4: Hybrid tone-mapping med lag

1. Åpne ditt HDR-bilde i et program som støtter lag (Photoshop, GIMP)

2. Opprett forskjellige tone-mapping-versjoner som separate lag:

   • Lag 1: Optimalisert for høylys

   • Lag 2: Optimalisert for mellomtoner

   • Lag 3: Optimalisert for skygger

3. Bruk lag-masker til å kombinere de beste delene fra hver versjon

4. Eksperimenter med ulike blandingsmoduser mellom lagene

5. Sammenlign dette manuelle resultatet med et enkelt tone-mappet bilde

6. Reflekter over når denne mer tidkrevende metoden kan være verdt innsatsen

Øvelse 5: Korrigere vanlige tone-mapping-problemer

1. Finn eller lag intensjonelt problematiske tone-mappede bilder med:

   • Overdriven halo-effekt

   • Flatt, lite kontrastfylt resultat

   • Oversaturerte, unaturlige farger

   • Støy i skygger

2. Lær hvordan du kan korrigere hver av disse problemene:

   • Redusere halos: Juster styrken på lokale kontrastinnstillinger

   • Fikse flat kontrast: Legg til en S-kurve i etterkant

   • Korrigere fargeproblemer: Juster metning selektivt per kanal eller fargeområde

   • Takle støy: Bruk støyreduksjon spesifikt for skyggeområder

3. Dokumenter metodene du fant mest effektive for hver type problem

Øvelse 6: Tone-mapping for ulike utskriftsmedier

1. Velg et HDR-bilde og lag tre versjoner optimalisert for:

   • Skjermvisning (sRGB)

   • Høykvalitets fotoutskrift (høy metning, Adobe RGB)

   • Avis/magasin (CMYK, redusert dynamisk område)

2. Hvis mulig, test utskrift av bildene på de ulike mediene

3. Observer hvordan dynamisk område reduseres ytterligere ved utskrift

4. Juster din tone-mapping-strategi for å kompensere for begrensningene til hver utskriftsmedium

5. Lag en sjekkliste for hvordan man forbereder HDR-bilder for ulike utskriftsdestinasjoner