دامنه دینامیکی تصویر (HDR) در عکاسی چیست؟

اگر علاقه‌مند به ثبت تصاویر منظره یا معماری هستید آشنایی با HDR و تنظیمات HDR می‌تواند به شما کمک کند عکس با جزئیات و کنتراست بالا ثبت کنید. هر چقدر دامنه دینامیکی دوربین بالاتر باشد عکس با واقعیت تطابق بیشتری دارد. دستگاه­‌هایی که  صحنه‌ها را با فرمت HDR نمایش می‌دهند بسیار کمیاب هستند، تصاویر HDR معمولاً با استفاده از چندین تصویر با دامنه دینامیکی پایین (LDR) با تنظیمات نوردهی مختلف تولید و پس از نقشه‌برداری رنگ روی نمایشگر معمولی نمایش داده می‌شوند.

نتیجه عکسبرداری با تنظیمات نوردهی فضاهای مختلف با وجود نور

روشنی مختلف موجود در فضای فیزیکی سوژه در صورتی قابل تشخیص است که دوربین بتواند تمام روشنایی یک صحنه را به‌صورت همزمان ثبت کند. معمولاً این مهم در بسیاری از مواقع روی نمی­‌دهد، اگر در یک روز آفتابی از داخل یک اتاق از بیرون عکس بگیرید و نوردهی را روی قسمت بیرونی تنظیم کنید، آنگاه فضای داخلی کاملاً تاریک خواهد شد و همه اشیا و تغییرات روشنایی در فضای داخلی غیرقابل تشخیص است. برای نمایش واضح‌تر در فضای باز، از زمان نوردهی کوتاه‌تری برای ثبت صحنه استفاده می‌شود. اگر نوردهی برای نشان دادن فضای داخلی افزایش یابد، آنگاه ناحیه بیرونی کاملاً بیش‌ از حد نوردهی می‌شود، یعنی به طور همگن سفید است و بنابراین دیگر در محدوده دینامیکی نشان داده‌شده قرار نمی‌_­­گیرد.

در عکس فوق سوژه یکی است اما مناطق داخلی و خارجی همزمان در محدوده دینامیکی منحصربه‌فردی قرار نمی‌­گیرند. دلیل این کمبود، محدوده دینامیکی محدود سنسورهای تصویر در رابطه با محدوده تابش در یک صحنه است.

محدوده دینامیکی صحنه در حضور و غیبت منبع نور

تا زمانی که هیچ منبع نور بسیار روشنی مانند خورشید یا نورافکن در میدان دید یا مجاورت آن وجود نداشته‌ باشد، محدوده دینامیکی صحنه‌های معمولی در فضای باز در محدوده ۹ تا ۱۲ EV است و به ندرت بالاتر از ۱۴ EV می‌رود. با این حال، با منابع نور قوی، محدوده دینامیکی ممکن است به طور قابل توجهی بالاتر از ۲۰ EV باشد. در سال‌های اخیر محدوده دینامیکی در دوربین‌­ها پیشرفت داشته و این محدوده در حال افزایش است. برای دوربین‌های دیجیتالی مصرفی فول فریم رده‌بالای امروزی، محدوده دینامیک، یعنی محدوده روشنایی قابل تشخیص، حدود ۱۴-۱۵ EV است، در حالی که SPC‌ها از حدود ۱۰-۱۲ EV متغیر است. با استفاده از نرم­‌افزارهای پردازش تصویر می­‌توان HDR را باکیفیت­‌تر کرد. بسیاری از دوربین‌های دیجیتالی، از جمله دوربین‌های تلفن‌ همراه، تصاویر HDR را از یک توالی خودکار از زمان‌های مختلف نوردهی محاسبه می‌کنند.

در فرایند HDR چه اتفاقی می‌افتد؟

الگوریتم‌هایی در مورد چگونگی به‌ دست آوردن یک تصویر دامنه دینامیکی گسترده از دنباله‌ای از تصاویر گرفته‌شده با نوردهی‌های مختلف، در دهه ۱۹۹۰ توسعه یافتند. راه‌حل‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری برای ضبط HDR وجود دارد. اگرچه می‌توان تصاویر/فیلم HDR را مستقیماً ضبط کرد، اما دستگاه‌هایی که برای این امور استفاده می‌شوند بسیار گران هستند و به طور گسترده در دسترس نیستند. در نتیجه این شرایط، تصاویر HDR معمولاً با استفاده از چندین تصویر LDR گرفته‌شده به وسیله یک دوربین معمولی، با استفاده از نوردهی‌های مختلف ساخته می‌شوند. تغییر نوردهی زمانی، ساده‌ترین و محبوب‌ترین روش برای گرفتن HDR با یک سنسور محدوده دینامیکی پایین است. این سنسور تنها دامنه‌­ محدودی از درخشندگی را در صحنه ثبت می‌کند، اما بازه‌ عملیاتی آن می‌تواند از طریق تغییر پارامترهای نوردهی، طیف کامل روشنایی را در بر گیرد.

در فرایند HDR، چندین تصویر با مقادیر نوردهی مختلف ثبت می‌شود تا وضعیتی را با درجه بالا نشان دهد. برای تغییر مقدار نوردهی از سرعت شاترهای متفاوتی استفاده می‌شود. برای تخمین کنتراست بین نواحی روشن و تاریک که هر کدام حاوی اطلاعاتی از مناطق با نوردهی بیش از حد یا کم‌نور هستند.

حداقل سه عکس برای نوردهی سایه‌ها، یکی برای رنگ‌های میانی و یکی هم برای هایلایت نیاز است تا این اطلاعات به طور مصنوعی و با استفاده از نرم‌افزارهای کامپیوتری ترکیب شوند و تصویر جدیدی تشکیل دهند که در آن محدوده تونال بسیار بالا به پایین‌تر فشرده می‌شود. شایان ذکر است HDR با ۹ نوردهی هم وجود دارد.

در عکس فوق از سوژه، چهار عکس در نوردهی‌های مختلف (سمت چپ) گرفته و در نهایت یک تصویر HDR محاسبه شده (راست) است. محدوده دینامیکی را می‌توان با استفاده از عملکرد HDR افزایش داد که معمولاً می‌تواند جداگانه انتخاب شود. سپس صحنه چندین بار با زمان‌های نوردهی مختلف ضبط و با توجه به محدوده روشنایی نشان‌داده‌شده برای محدوده دینامیکی گسترده ترکیب می‌شود.

عکس فوق هم نمونه‌­ دیگری از تکنیک نوردهی زمانی است. سه نوردهی متوالی و بلافاصله از سوژه در مراحل زمانی  t1، t2، t3  گرفته شده و حاوی محدوده‌های مختلف درخشندگی از سوژه هستند و تصویر HDR استخراج‌شده از این نوردهی‌های متوالی است و طیف کاملی از درخشندگی سوژه را دارد. از نظر تئوری، این رویکرد به ما این امکان را می‌دهد تا صحنه‌هایی با محدوده دینامیکی دلخواه، با تعداد نوردهی کافی در هر فریم، ثبت کنیم و از وضوح کامل و کیفیت عکسبرداری یک دوربین استفاده کنیم.

زمان نوردهی بالا (long exposure) و زمان نوردهی پایین (short exposure)

نوردهی بالا (long exposure) یعنی از زمان نوردهی بالاتری استفاده می‌شود. برای نوردهی بالاتر سرعت شاتر آهسته می‌­شود و برای نوردهی کوتاه (short exposure)، زمان قرار گرفتن سنسور دوربین در معرض نور را محدود می‌کنیم و سرعت شاتر سریع­‌تر می‌شود. در نوردهی با زمان بالا جزئیات تصاویر در حال حرکت مانند آب یا ابرها شسته و محو می­‌شوند و در تصاویر ایستا مانند ساختمان­‌ها که محدوده داینامیکی وسیعی دارند جزئیات به خوبی ثبت می­‌شوند. در عکس با نوردهی کم جزئیات ظریف مانند ابر و آب به خوبی ثبت می‌­شود و ساختمان یا درختان در عکس به‌ صورت تاریک هستند، این نوردهی متفاوت است که منجر به HDR و تصاویر باکیفیت و کنتراست خوب می‌شود.

برای داشتن HDR قابل قبول می‌­توانیم دو رویکرد داشته باشیم؛ رویکرد اول گسترش و توسعه­‌ HDRهای جدید است و رویکرد دوم به‌ صورتی است که سنسورهای LDR را در معرض نور زیادی قرار بدهیم و سپس نوردهی‌ها را با استفاده از یک الگوریتم نرم‌افزاری در یک تصویر با دامنه دینامیکی بالا ترکیب کنیم. با توجه به زمان نوردهی طولانی‌تر مورد نیاز، این تکنیک برای سوژه‌هایی که سریع حرکت می‌کنند نامناسب است و بیشتر مستعد از دست دادن وضوح به دلیل لرزش دست است اما مشکل موقعیت‌های دینامیکی با حسگرهای چند سلولی کاهش یافته‌ است، زیرا آنها امکان موازی‌سازی زمان‌های نوردهی با طول‌های مختلف را با خوشه‌های پیکسلی مختلف فراهم می‌کنند.