Rendering mit hohem Dynamikbereich: Erschließung des visuellen Spektrums: Fortgeschrittene Techniken in der Computer Vision

Von Fouad Sabry

Was ist Rendering mit hohem Dynamikbereich ?

High Dynamic Range Rendering, auch bekannt als High Dynamic Range Lighting, ist das Rendern von Computergrafikszenen mithilfe von Beleuchtung Berechnungen im hohen Dynamikbereich (HDR). Dadurch können Details erhalten bleiben, die aufgrund begrenzter Kontrastverhältnisse verloren gehen können. Davon profitieren Videospiele sowie computergenerierte Filme und Spezialeffekte, da dadurch realistischere Szenen entstehen als mit einfacheren Beleuchtungsmodellen.

Ihre Vorteile

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Rendering mit hohem Dynamikbereich

Kapitel 2: Rendering (Computergrafik)

Kapitel 3: Globale Beleuchtung

Kapitel 4: HDR-Aufnahme mit mehreren Belichtungen

Kapitel 5: Tone Mapping

Kapitel 6: Beleuchtung pro Pixel

Kapitel 7: Bloom (Shader-Effekt)

Kapitel 8: Bildbasierte Beleuchtung

Kapitel 9: Hoher Dynamikbereich

Kapitel 10: Wolfgang Heidrich

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zum High Dynamic Range Rendering.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung von High Dynamic Range Rendering in vielen Bereichen.

Für wen sich dieses Buch eignet

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über das Grundwissen oder die Informationen hinausgehen möchten, um sich weiterzubilden Dynamic Range Rendering.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 4. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: High-Dynamic-Range-Rendering

Mithilfe von Beleuchtungsberechnungen mit hohem Dynamikumfang erzeugt das Rendering mit hohem Dynamikbereich (HDRR- oder HDR-Rendering) fotorealistische Bilder in Computergrafik (HDR). Auf diese Weise können Details erhalten bleiben, die sonst aufgrund des geringen Kontrasts verloren gehen könnten. Dadurch können realistischere Szenerien in Videospielen, CGI-Filmen und Spezialeffektanimationen erstellt werden.

Der Entwickler von Grafikprozessoren Nvidia liefert eine dreifache Zusammenfassung der Rechtfertigung von HDR: Die Dinge können so dunkel sein, wie sie sein müssen, oder so hell, wie sie sein müssen, um Details zu sehen, und umgekehrt.

Im Jahr 1985 leistete Greg Ward mit der Veröffentlichung seines kostenlosen Open-Source-Programms Radiance Rendering und Beleuchtungssimulation Pionierarbeit bei der Verwendung von High-Dynamic-Range-Imaging (HDRI) in der Computergrafik. Über ein Jahrzehnt lang geriet der HDRI-Fortschritt aufgrund von Einschränkungen bei der Verarbeitungsgeschwindigkeit, der Datenspeicherung und den Erfassungstechniken ins Stocken. Die Technologie, um HDRI praktisch umzusetzen, ist erst vor kurzem entstanden. Diese beiden Studien bildeten die Grundlage für die Herstellung von HDR-Lichtsonden (High Dynamic Range) eines Ortes und deren anschließenden Einsatz dieser Sonden zur Beleuchtung einer generierten Szene.

Seitdem sind High Dynamic Range Images (HDRI) und High Dynamic Range Lighting (HDRL) in 3D-Szenen weit verbreitet, bei denen die Integration eines 3D-Objekts in eine reale Umgebung die Verwendung von Lichtsondendaten erfordert, um plausible Lichteffekte zu erzeugen.

Spencers Forschung war die Grundlage für einen HDRI-Postprocessing-Shader, der 1997 im Videospiel Riven: The Sequel to Myst verwendet wurde. Als Epic Games 2005 auf der E3 die Unreal Engine 3 vorstellte und Valve Half-Life 2: Lost Coast ankündigte, zusammen mit Open-Source-Engines wie OGRE 3D und Open-Source-Spielen wie Nexuiz, wurde der Begriff erneut weit verbreitet.

HDR-Rendering hat den Vorteil, dass feinere Details in kontrastreichen Szenen erhalten bleiben. Ohne High Dynamic Range (HDR) werden Bilder mit zu viel Schwarz oder Weiß automatisch angepasst. Die Technologie wandelt diese in einen Gleitkommawert von 0,0 für komplett Schwarz und 1,0 für komplett Weiß um.

Die Verwendung zusätzlicher Wahrnehmungshinweise, um die scheinbare Helligkeit zu erhöhen, ist eine weitere Facette des HDR-Renderings. Optische Phänomene wie Reflexionen und Brechungen sowie transparente Materialien wie Glas werden ebenfalls von der Behandlung der Lichtkonservierung durch HDR-Rendering beeinflusst. Sehr starke Lichter (wie die Sonne) sind beim LDR-Rendering auf einen Luminanzwert von 1,0 beschränkt. In diesem Fall muss das Ergebnis kleiner oder gleich 1,0 sein, wenn dieses Licht reflektiert wird. Beim HDR-Rendering können extrem starke Lichtquellen jedoch eine Helligkeit von mehr als 1,0 aufweisen, um ihre wahren Werte darzustellen. Dadurch können realistisch helle Lichtquellen von Objekten reflektiert werden.

Das durchschnittliche dynamische Kontrastverhältnis, das das menschliche Auge erkennen kann, beträgt etwa 1.000.000:1. Es braucht Zeit, bis sich die Iris angepasst hat und der Körper die bescheidenen chemischen Veränderungen durchläuft, die für die Anpassung notwendig sind (z. B. die Verzögerung des Sehens beim Wechsel von hellem Licht zu stockfinsterer Beleuchtung). Das Auge hat einen engeren statischen Bereich, in der Größenordnung von 10.000:1. Dies liegt jedoch immer noch außerhalb des normalen Betriebsbereichs der meisten Anzeigegeräte.

Obwohl viele Marken mit beeindruckenden Zahlen aufwarten können, können Plasmabildschirme, LCD-Bildschirme und CRT-Bildschirme nur einen kleinen Bruchteil des Kontrastverhältnisses erzeugen, das in der realen Welt zu finden ist, und selbst dann nur unter perfekten Bedingungen. Unter typischen Betrachtungsbedingungen ist der Simultankontrast des eigentlichen Inhalts weitaus geringer.

Das automatische Dimmen der Beleuchtung bei schlechten Lichtverhältnissen ist eine Möglichkeit, den Dynamikumfang von LCD-Monitoren zu verbessern. Digital Fine Contrast ist der Name von LG für diese Technologie; Der Dynamikumfang von OLED-Displays ist höher als der von LCDs; Sie sind in dieser Hinsicht vergleichbar mit Plasma, verbrauchen aber weniger Strom. Der HDTV-Farbraum wird durch Rec. 709 definiert, während der UHDTV-Farbraum durch Rec. 2020 definiert ist, der umfangreicher, aber immer noch nicht vollständig ist.

Blooming wird durch Lichtstreuung in der menschlichen Linse verursacht und wird vom menschlichen Gehirn als ein Bereich erhöhter Helligkeit wahrgenommen. Eine starke Lichtquelle im Hintergrund kann beispielsweise einen Schatten auf Frontelemente werfen. Sie können dies verwenden, um andere dazu zu bringen, zu denken, dass der helle Fleck heller ist, als er tatsächlich ist.

Flare wird durch die Beugung von Licht in der menschlichen Linse verursacht und manifestiert sich als Strahlen von Licht, die von sehr nahen Lichtern kommen. Aufgrund des begrenzten Betrachtungswinkels ist es bei Punktlichtern am deutlichsten.

Um genau darzustellen, was das menschliche Auge in dem erzeugten Szenario sehen würde, müssen HDR-Rendering-Systeme den gesamten Dynamikumfang des menschlichen Sehsystems auf die Fähigkeiten des Geräts abbilden. Um beispielsweise Staub in der Luft darzustellen, der durch direktes Sonnenlicht in einem dunklen Tunnel oder die Streuung im Auge beleuchtet wird, wird dieses