Főoldal
Háztáji
Hírek
Cikkek
Fényképezőgép múzeum
Keresés
Fórum
KépFórum
Adna - Venne
Linkek
Cikkek rovat
Hircsatorna
Kapcsolódó anyagok
Főoldal
(Szinte) korlátlanul nagy dinamika-átfogás (UHDR) Moduló Kamerával
Írta: Nagy Sándor (nasa@http.hu)   
2015. augusztus 22.
Forrás: http://web.media.mit.edu/~hangzhao/papers/moduloUHDR.pdf
 
 
 
 
 
Az MIT (Massachusetts Institute of Technology), együttműködésben a Singapore University of Technology and Design egyetemmel, innovatív módszert javasol a képérzékelő dinamika-tartományának növelésére, a HDR fényképezésre. A javasolt módszerrel rendkívül széles dinamika-tartományú témáról készíthető egyetlen felvétellel HDR fotó, amelyen mind a legsötétebb, mind a legvilágosabb tartományok részletgazdagok. Az ilyen érzékelővel készülő fényképezőgép felvételein gykorlatilag sohasem fordulnak elő „túlcsordult” pixelek, „kiégett” részek.
 
 
 
 
 
 
A  Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) Média Laboratóriumában számos, a digitális fényképezés határait feszegető innovatív fejlesztés került már ki (lásd például az elképzelhetetlenül gyors sorozatfelvételre képes kamerát). A „Moduló Kamera” elnevezésű fényképezőgép a hagyományos képérzékelők dinamika tartományánál szélesebb dinamikájú téma részletgazdag rögzítésére kínál egyszerű megoldást, egyetlen felvétel készítésével. Gyakorlatilag a képérzékelő kisebb módosításáról van szó. Azért beszélnek fényképezőgépről, mert az érzékelőből kiolvasott kép ugyan minden tónustartományban talmazza a részletgazdag információt, de a tónusokat és színeket még „helyre kell tenni” – ez szoftveres képátalakítást igényel, amit akár a fényképezőgépen belül, szinte a képnek az érzékelőből történő kiolvasásával egyidejűleg el lehet végezni.

Közismert, hogy a képérzékelők dinamika-átfogása véges. Sőt: a fotós elég gyakran találkozik olyan témával, amelynek a dinamika tartománya (a legvilágosabb és legsötétebb részek fényerősségének aránya) szélesebb a képérzékelő dinamoka tartományánál. Ezesetben a gép automatikus fénymérője többnyire a közepes tónusokhoz állítja be az expozíciót, így egyes képrészek (a csücsfények) kiégnek (elvesznek a részleteik). A fotós ilyen esetben mérlegeli, hogy a sötét, vagy a világos részletek megórzését tartja-e fontosabbnak, annak megfelelően igazítja az érzékelőre jutó fény mennyiségét (az expozíciót, azaz a fényrekesz és a megvilágítási idő beállítását).

A széles dinamika-tartományú téma minél több részletének megjelenítése érdekében több megoldás született. A legáltalánosabban alkalmazható a több, eltéróen exponált (alul- és túlexponált) felvételből, erre alkalmas speciális szoftver alkalmazásával történő képegyesítés aklalmazásával előállított HDR (High Dinamic Range – nagy dinamika-tartományú) kép. Ez speciális utófeldolgozást jelent, de újabban egyre több gép kínál ilyen elven működő, gépen belüli szolgáltatást. Hátránya, hogy mozgó téma, vagy hosszú expozíció esetén a gépberázás sszellemképeket eredményezhet, vagy akár lehetetlenné is teheti a képegyesítést (de egyébként is megjelenhetnek kisebb képhibák a képegyesítés során). A gyártók más módszereket is kidolgoztak a HDR fényképezésre (pl. a Nikon ADR – Automatic D-Lighting, ami úgy állítja be az expozíciót, hogy a csúcsfények ne égjenek ki, majd a tónusgórbe nemlineáris módosításával (a kontraszt csökkentésével) igyekszik a sötét zartományokban minél több részletet kihozni). A FujiFilm olyan érzékelők több generációját fejlesztette ki (SuperCCD). Ezekben minden egyes pixel két – egy kisebb és egy nagyobb felületű – fotodiódát tartalmaz, így egyidejűleg két, egy kisebb és egy nagyobb mennyiségű fénnyel készít felvételt, amit azonnal egyesít.

Az érzékelő véges, elég szűk dinamika-átfogása az ADC bitmélységével kapcsoéatos. Egy átlagos kompakt gép 8 bites érzékelőjének dinamika-átfogása meglehetősen szűk (színcsatornánként 256 tónuszintet képes megkülönböztetni), de a magasabb minőségű gépek 12-14 bites érzékelőjének dinamika-átfogása (4096, illatve 16384 tónusszint) sem elegendő széles dinamika-tartományú témák minden részletének rögzítéséhez. Ha a szokásos konstrukciójú érzékelők valamelyik pixelében a jel nagysága eléri a maximumot (pl. 8 bit esetén a 255-öt), akkor „túlcsordul”, azaz a további beérkező fotonok az adott színcsatornában már nem növelik a jel nagyságát, minden túlcsordult pixelben azonos, maximális érték lesz a jel nagysága, függetlenül attól, hogy mennyivel haladta meg a fény mennyisége a maximális értékhez tartozó nagyságot. Ha mindhárom színcsatornában elérte a jelnagyság a maximumot, az adott pixel (a Bayer-interpolációt követően) teljesen fehér lesz, a téma ilyen foltjaiban semmi részlet nem jelenik meg, ez az információ örökre elveszett, utólag semmilyen trükkel nem hozhatók vissza az elveszett részletek. Ez, a csúcsfények „kiégése” annak köszönhető, ahogyan az érzékelők a telítésbe ment pixeleket kezelik: a további fotonok nem változtatják meg az adott pixelhez tartozó jelnagyságot. De lehet a pixelek túlcsordulását másképp is kezelni, hogy elkerüljük az információ vesztést, megőrízzük a sok fényt kapó pixelekben a kép részletgazdagságát – erre tesznek javaslatot a kutatók a Moduló Kamerával (az optika más területein már alkalmazott módszer adaptálásával).

Ha a maximális értéket elért pixel tartalmát nem konstanson tartjuk, hanem töröljük (nullázzuk), lehetővé válik, hogy a további fotonok újra töltéseket hozzanak létre az adott fotodiódában, így a további fény mennyiségével növekedjen a jelnagyság, természetesen újra nulláról. A túlcsordulás akár többször is bekövetkezhet ugyanabban a pixelben, mindannyiszor újra nulláról kezd növekedni a jelnagyság. Az így működő érzékelővel szerelt fényképezőgépet nevezik az MIT kutatói Moduló Kamerának. Az elnevezés a moduló matematikai műveletre utal. Ennek a műveletnek az eredménye valamely szám meghatározott egész számmal történő osztása utáni maradék – a moduló érzékelőben a túlcsorduláskor nullázódó számláló a moduló műveletet hajtja végre. Ha például a 8 bites érzékelő valamelyik pixelére annyi fény esik, amelyhez tarttozó jelnagyság 600 lenne, 256 maximális értéknél kétszer túlcsordulva az adott pixel tartalma 88 lesz. Matematikai jelöléssel:
600 mod 256 = 88

Az MIT kutatói a javasolt módszer működőképességét és hatékonyságát számítógépes szimulációval, valamint egy 256 x 256 pixeles, 8 bites érzékelőt tartalmazó valódi moduló kamera használatával vizsgálták. Az alábbi két illusztráció az eljárást ismertető publikációjuk 1. és 7. ábrájának magyarított változata, a szerzők szíves engedélyével közöljük. Az alábbi (a) ábra egy 8 bites, hagyományos érzékelővel szerelt fényképezőgéppel készített felvétel – ezen jelentős területek kiégtek a világos ég miatt. A (b) ábra 8 bites moduló kamerával, ugyanolyan expozícióval készített felvétel – jól érzékelhető, hogy a hagyományos felvételen kiégett területeken is részletgazdag a kép, de a többszöri túlcsordulás (nullázás) miatt ott hamisak a színek, tónusok. A (c) ábra a (b) felvételből, megfelelő eljárással rekonstruált képet mutatja – a sikeres helyreállítás, a hagyományos felvételen kiégett helyeken is szín- és tónushelyes kép jól szemlélteti, hogy a moduló érzékelővel egyetlen felvételen sokkal szélesebb dinamika-tartomány, sokkal több képrészlet  rögzíthető, mint egy azonos bitmélységű hagyományos érzékelővel. Még azt a kérdést kell feltennünk, hogyan rekonstruálhatók a moduló kamerával készített felvételből a túlcsordult pixelek valódi színei, tónusai?
 
Forrás: http://web.media.mit.edu/~hangzhao/papers/moduloUHDR.pdf
Moduló kamera használatával jól visszaállíthatók a túlexponált részletek
 
A hagyományos és a moduló érzékelő képének összehasonlítását az alábbi, szimulált ábrán mutatjuk be. A probléma leegyszerűsítése érdekében egy-egy egydimenziós (lineáris), 16 darab 2 bites (4 tónusszint rögzítésére képes) pixelből álló hagyományos és moduló érzékelő jeleit vizsgáljuk, folytonosan változó tónusú, fekete-fehér (szürke ék) témáról. Az (a) ábrán jól megfigyelhető, hogy a hagyományos érzékelő hosszú expozícióval rögzített jelei egyáltalán nem mutatnak különbséget a világosabb pontok között, a túlcsordulás miatt.  Rövid expozíció (kevés fény) esetén ugyanakkor, a kis bitmélység (nagy kvantálási lépésköz) „kisimítja” a kép finom részleteit. A moduló érzékelővel rögzített jelek teljesen eltérő képet mutatnak, (b) ábra.  Hosszú expozíció esetén a kis kvantálási lépésköznek köszönhetóen sokkal több finom képrészlet kerül rögzítésre, de a túlcsordulások (nullázások) periódikusan ismétlődő értékeket adnak. Ezekből a torzított értékekből kell helyreállítani a valódi (részletgazdag) tónusokat. Ez könnyen megtehető, ha egy megfelelő, rövid expozíciót is végzünk (piros görbe). Az így rögzített értékekből meghatározható, hogy az egyes pixelekben hány túlcsordulás történt, hányszor kell hozzáadni a rövid expozícióval rögzített értékhez a bitmélységnek megfelelő maximális értéket (elen esetben 4-et). Megjegyezzük, hogy ezen a leegyszerűsített páldán a hosszú expozícióval rögzített értékek monoton  változása önmagában is lehetővé teszi a túlcsordulások számának nyomon követését, de a kép sokkal bonyolultabb egy valódi téma esetén (lásd az első ábrát). A hagyományos, több felvétel egyesítésén alapuló HDR technikához, a jó minőségű rekonstrukcióhoz az egyes felvételek expozíciója nem különbözhet túlzottan egymástól (mindossze pl. 2x-4x), a nagyobb dinamika-tartomány átfogásához egyre több felvételt kell készíteni. Mint az ábrán látható, moduló kamerával a pontos rekonstrukció megfelelően exponált két felvételből a maximális értékkel szorzott mértékben növeli meg a dinamika tartományt (8 bites érzékekő esetén 256x, 12 bites érzékelő esetén 4096x). Ez alapozza meg a címben megfogalmazott, ambíciózus kijelentét, miszerint a moduló kamera (szinte) korlátlanul nagy dinamika-átfogást tesz lehetővé, használata esetén gyakorlatilag elfelejthetjük a széles dinamika-tartományú témák fényképezésével kapcsolatos nehézségeket.

Forrás http://web.media.mit.edu/~hangzhao/papers/moduloUHDR.pdf
Szimulált illusztráció a hagyományos és moduló érzékelő működéséhez, rövid és hosszú expozíció esetén


Ha egyetlen moduló érzékelővel rögzített képet akarunk helyreállítani, két lehetőségünk van. Amennyiben minden egyes pixelt kiegészítünk egy számlálóval, ami az adott pixel túlcsordulásait (mullázásait) számolja, a helyreállítás triviális és roppant egyszerű. Amennyiben pl. egy 8 bites érzékelő pixeleit egy-egy 8 bites számlálóval egészítünk ki, az egyértelmű rekonstrukció eredménye 16 bites érzékelővel rögzíthető képnek felel meg (65536 tónusszint). De egy ilyen érzékelő bonyolultabb, a túlcsordulás eltérő kezelése mellett a számlálók beépítését is igényli. Számlálók nélkül az egyetlen moduló kép elemzéséből kell megállapítanunk az egyes pixelekben bekövetkezett túlcsordulások számát. Erre az ad lehetőséget, hogy a túlcsordulásoknál az értékekben jellegzetes, nagyjából a maximális értéknyi ugrás figyelhető meg. A helyzetet bonyolíja, hogy a kép tónusaiban amúgy is lehetnek meredek változások. Ezektől a túlcsordulások nagy biztonsággal megkülönböztethetők, ha az érzékelő felbontó képessége (pixelszáma) elég nagy, és a tülcsordulások száma nem túl nagy. (Így is, pl. maximum 4 (16) túlcsordulást megengedve a moduló érzékelő dinamika-tartománya négyszer (tizenhatszor) szélesebb, mint az azonos bitmélységű hagyományos érzékelőjé.) A kutatók megfelelő algoritmust dolgoztak ki az egyetlen moduló felvétel rekonstruálásához.  A rekonstruált képben nagyobb valószínűséggel jelennek meg hibák, ha a témában rendkívül nagy kontrasztok, nagyon meredek tónus változások vannak. Az egyetlen felvételből nagy dinamika-átfogás növeléssel leginkább símán, folytonosan változó tónusú témák esetében rekunstruálható sikeresen a kép. Ellenkező esetben a két moduló felvétel alkalmazása jelenthet megoldást.

Jóllehet a szerzők hangsúlyozzák, hogy a vizsgálataik, fejlesztésük még korai stádiumban van, és számos nyitott kérdést említenek meg, munkájuk máris jelentős érdeklődést váltott ki.  Eredményüket a jelen állapotában a 2015 évi „ International Conference on Computational Photography” nemzetközi konferencián a „best paper runner-up” díjat nyerte el.


Hozzászólások
HozzáadásKeresés
Hozzászólást csupán a bejegyzett felhasználó tehet hozzá!
 
< Előző   Következő >
Advertisement
Advertisement
Advertisement