HDR, HDRI y Tone Mapping (Historia, teoría y práctica)

En este -espero que interesante y ameno- artículo, nos gustaría explicar el origen y la historia de una palabra (HDR) que se está poniendo muy de moda, pero que mucha gente desconoce su origen, su historia, y algunos conceptos erroneos que no se sabe bien cómo, la gente acepta como válidos. Trataremos de desenmarañar un tipo de imagen que va más allá de la propia visión humana. Para finalizar, pondremos en práctica lo aprendido. ¡Empezamos!

¿QUE SIGNIFICA HDR?

Empezaremos por algo sencillo, pero que seguro mucha gente no sabrá. HDRI son las siglas de “High Dinamic Range Image“, que traducido a nuestro idioma significa “Imagen de Rango Dinámico Alto“. ¿Pero qué significa exactamente esto?. Bueno, una imagen HDR o HDRI (ambas acepciones son correctas) es el resultado de realizar una serie de fotografías, cuyo resultado final, tras un proceso informático, es la forma más cercana de capturar nuestra percepción de la visión. Incluso puede llegar a más que eso, pudiendo capturar matices que nuestro ojo no puede ver.

Sin embargo, sucede que esta clase de imágenes, por su extrema cantidad de información, es imposible de ver en nuestros monitores. De hecho, SOLO es posible verlas a través de un monitor/televisor HDR, que son los ÚNICOS que permiten ver tal grado de intensidad de imagen. El efecto de ver una imagen en un dispositivo de estas características sería comparable al de mirar a través de una ventana. Es la REALIDAD tal y como la ven nuestros ojos.

Vamos a ver unas fotografías comparativas entre un monitor normal, y un monitor HDR:

En esta primera imagen se puede apreciar la diferencia de negros entre un televisor/monitor normal, y uno HDR. Los negros realmente no son negros en los actuales LCDs, salvo raras excepciones. Sin embargo, en un dispositivo HDR, el negro es tan puro que es como si literalmente estuviese apagado.

En esta segunda fotografía, se puede observar el poder de un dispositivo HDR. En el monitor, el blanco más intenso queda como un rectángulo bastante anodino frente al brillo extremo que produce el máximo blanco de un dispositivo HDR. En la foto se puede apreciar el “glow” producido en la cámara debido a la intensidad de la imagen, similar al producido cuando realizamos una foto a una bombilla, por ejemplo.

Por último, en esta tercera imagen se puede apreciar la notable diferencia de ver una imagen HDRI en un monitor normal, y en uno que puede visualizar la gama completa de intensidad. En el monitor normal veríamos una parte de esa intensidad, y en el monitor HDRI apreciaríamos la foto como si estuviese delante nuestra la escena. Nuestra visión se acomodaría a las partes brillantes o más oscuras de forma dinámica, como hace nuestra propia visión. Evidentemente, la cámara de fotos capta una imagen mucho más intensa, pues es lo que le proviene. Si la foto se realizase exponiendo para la imagen del monitor HDRI, la del monitor normal quedaría oscura.

Bien, dado que muy poca gente se puede permitir aún el lujo o el capricho de tener un dispositivo de estas caracteristicas, la mayor parte de la gente podrá ver una parte de la imagen, la que él decida mediante pasos de intensidad, que podemos realizar con el pequeño pero muy útil Software gratuito llamado HDR View:

http://ict.debevec.org/~debevec/FiatLux/hdrview/

Aunque con Photoshop y otros programas es posible verlos y manipularlos (más adelante veremos más sobre esto), este pequeño programa nos permitirá ver cualquier HDRI como si fuese un visor de imágenes cualquiera. La particularidad radica aquí en que con las teclas (+) y (-) cambiaremos a las diferentes exposiciones de ese HDRI. Y es aquí donde radica la diferencia entre un LDR (Low Dinamic Range Image), o imagen de 8 bits, que son las que habitualmente vemos en nuestros monitores. Un ejemplo de manipulación sobre una imagen LDR (8 bits) y una HDR, es la siguiente imagen:

Como se puede observar, el resultado de la imagen en HDR es similar al que obtenemos cuando variamos la exposición sobre una imagen RAW. Pero existe una gran diferencia, y es que en una imagen HDRI típica, se logra una latitud mucho más extrema (según la cantidad de fotos que saquemos), mientras que un RAW está limitado a varios “stops” (tanto a subexponer como sobreexponer).

HISTORIA DEL HDRI

Aunque la historia de las imágenes de rango dinámico alto se remontan a 1850 donde Gustave Le Gray empezó a experimentar con la técnica actualmente conocida como “doble revelado” o “doble exposición” (en la que se expone o se toma una foto para revelar el detalle en las sombras, y luego se expone para las zonas más brillantes juntando ambas exposiciones en una sola), es en 1997 cuando se presenta el formato HDR en una sola imagen (.HDR), por parte de Paul Devebec. Es el “padre” del HDR moderno y gracias a sus investigaciones, se realizaron avances espectaculares en la forma de iluminar y representar los reflejos en los objetos tridimensionales en CGI (Infografía 3D).

Una de las animaciones más famosas es la reconstrucción del Partenón, del cual ponemos aquí el enlace del video original:

http://gl.ict.usc.edu/Films/Parthenon/film.php

Pero más interesante resulta ver el proceso de cómo se tomaron las fotos que sirvieron de base para el primer Timelapse digital de la historia:

La forma y resultado de la realización de las fotografías para usarse en Infografía 3D es similar a la que se usa para un HDR normal, solo que en 3D se usan esferas cromadas para captar una imagen de 360º, que es usado posteriormente como emisión de luz virtual (Global Illumination, o GI) y reflejos reales (en cuanto a su intensidad).

TONE MAPPING

La técnica “Tone Mapping” o “Compresión Tonal” es la que se usa habitualmente para poder representar en una imagen de 8bits (las que vemos todos los días en nuestro monitor), todo el espectro lumínico de una imagen HDR. Digamos que mediante una serie de algoritmos y fórmulas matemáticas, se logra “embutir” toda esa información que “sobra por los lados”, en un formato apto para nuestra visión.

El resultado son unas imágenes en las que todo está “normalizado”. Es decir, el resultado ideal sería similar al realizado con una doble exposición, en la que tanto la zona en sombra como la parte más brillante de una foto, quedaría expuesta correctamente. Es como cuando intentamos realizar una foto de un interior con una ventana. Salvo que juguemos con la doble exposición, será imposible que de una sola foto logremos exponer interior como exterior (obviando por supuesto las técnicas de poner láminas ND en los cristales para compensar la luz exterior, o realizando disparo con flash para iluminar el interior con la exposición ajustada para exterior).

Dicha técnica apareció en el omnipresente Photoshop en 2005, pudiendo generar un HDR en base a las múltiples exposiciones, además de poder pasar un HDR a 8 bits realizando una compresión Tonal de la imagen (con mayor o menor fortuna). Esta “compresión tonal” pasó desapercibida, pues se encontraba “escondida” y saltaba cuando pasabamos de una imagen de 32 bits a una de 8 bits (sólo y exclusivamente).

Programas como Photomatix rescataron y potenciaron esta técnica de paso de 32bits a 8 bits, dando lugar a lo que se llama actualmente “Tone Mapping“

Así, surgió una corriente de imágenes tratadas de esa forma en la que surgían mezclas interesantes entre las zonas en sombra y zonas más iluminadas, por ejemplo:

Como se puede observar, el resultado de aplicar de forma extrema la técnica es que no existen zonas en sombra, todo aparece como si fuese un día nublado, pero más exagerado. En los retoques más extremos se forman halos y formas extrañas en las que la imagen queda totalmente irreal.

Pero si en imagen fija obtener este tipo de fotos resulta relativamente sencillo, en video se complica más la cosa (obviando la técnica Timelapse, que bebe de las imágenes fijas), pues la única forma de poder capturar imágenes a diferentes exposiciones es repetir una y otra vez la misma toma. O eso, o directamente manipular las imágenes grabadas (usando algún perfil “flat”), para “normalizar” las sombras.

Los resultados, curiosamente, se asemejan a imágenes CGI en algunos casos, dando una apariencia realmente extraña en otros, pues destacan detalles que normalmente no destacarían (sobre su mayor o menor gusto no vamos a entrar):

Como hemos dicho antes, con la técnica Timelapse se logran verdaderas obras de arte en Tone Mapping

Y es que TODAS, absolutamente todas las imágenes que se ven realizadas con ésta técnica, no son más que aproximaciones tonales sobre una base HDRI (no siempre, ojo). Sin embargo, la confusión se genera cuando alguien presenta como “HDR” algo que no es, pues como hemos visto más arriba, una imagen HDR tiene una intensidad “per bit” que salvo un dispositivo HDR, nadie puede ver en un monitor normal. Es por eso que se generan estas versiones “comprimidas tonalmente”. Al meter la información tonal excedente dentro del formato limitado de 8 bit por pixel, la imagen se “aplana” y se normaliza el contraste general de la imagen.

Todo esto surgió al principio como necesidad de ver en una sola foto la intensidad global de una imagen HDR, lo cual ha derivado en una corriente artística realmente interesante, cuyos resultados a veces son más espectaculares que otros.

Pero vamos a dejarnos de teorías, ¿que tal si nos ponemos manos a la obra?

TOMA DE FOTOGRAFIAS

Para obtener el mejor ratio de conversion de HDR a Tonemapping tendremos que realizar una serie de fotografías, con la técnica llamada “Bracketing” o “Ahorquillado“. Por lo general, nuestra cámara de fotos tendrá este útil modo de disparo que nos permitirá (en función del modelo), realizar automáticamente tres o cinco fotografías, a diferentes exposiciones. Si además son en RAW, tendremos pasos intermedios entre cada una de ellas (hasta cierto límite, claro).

Estableciendo el Ahorquillado automático

Si por el contrario no tuviesemos esta función, sería tan sencillo como tomar (como mínimo), una foto expuesta, una subexpuesta y otra sobreexpuesta. El nivel de sub o sobreexposición lo determinaremos nosotros en función del escenario. Lo óptimo sería tomar 5 fotografías (2 sub expuestas, dos sobreexpuestas y la que consideraríamos ideal), pero si realizamos más, tendremos un rago tonal mucho más ámplio.

¿Hasta qué punto?. Pués como digo, depende de la escena, basta con buscar el punto más subexpuesto de la imagen (donde se vea negro prácticamente) y el más sobreexpuesto (donde todo quede blanco), para encontrar los límites de esa escena. Y de ahí sacar varias fotos tanto en un sentido como en otro. Es fácil generar 10 fotografías para obtener el máximo detalle y que el HDR resultante tenga una riqueza lumínica fuera de toda escala.

Múltiples exposiciones tomadas

Generalmente estos HDR son los óptimos para infografía 3D, que suelen venir en formato esférico o cilindrico, cubriendo horizontalmente 360º y verticalmente 180º (lo que sería un “domo” virtual), y se suelen tomar con dispositivos especiales o más rudimentarios (una simple bola cromada, como las de adorno de Navidad, nos valdrá para “jugar”).

Para la técnica Timelapse, con realizar tres fotografías tendremos suficiente latitud. Pensemos que en este caso estamos obteniendo 250 fotos para 10 segundos de fotos, a lo cual habrá que multiplicar por tres…la cantidad de datos a procesar es tremenda, y en cada tanda de fotos hay que ser rápidos.

Aquí nuestro útil intervalómetro nos servirá para realizar esas tres fotos en modo “bulb” (previamente poniendo el modo Ahorquillado en nuestra cámara). Así lograremos disparar esa tanda de tres/cinco fotos en cada ciclo. Esto nos obligará a disparar cada 3 o 4 segundos, pues la propia cámara llenará el buffer enseguida si ponemos un intervalo mucho más corto. Y si es en RAW, lo aconsejable es dejar un intervalo mínimo de 5 segundos.

Existe una segunda variante, que es disparar directamente en RAW. Esto nos dará la información contenida más o menos en un Bracketing de -2 hasta +2, y determinados Softwares lo admiten como entrada de fotos, pero personalmente es preferible elegir nosotros mismos el nivel de latitud que queremos captar globalmente.

GENERANDO NUESTRO HDR

Bien, ya tenemos nuestra secuencia de fotos sobre la que realizaremos el paso a HDRI, generando un único archivo con extensión .HDR el cual contendrá una imagen con toda la información lumínica de las imágenes que hemos captado.

Para ello usaremos Photoshop, gracias a la útil función “Merge to HDR” o “Merge to HDR Pro” (en la última versión CS5), y el resultado será una imagen de 32 bits de color (que obviamente no podremos ver en nuestros limitados monitores de 8bits de color, salvo la parte que corresponda a la luminancia elegida, en LDR). Una vez generada la imagen, procederemos a grabarla bien como .HDR (Radiance) o como OpenEXR (la versión evolucionada de los HDR, que contiene además información sobre canales específicos en el caso de usarse con imágenes procedentes de Softwares de 3D, como 3DSMAX, Maya, XSI…).

¿Para qué nos vale este .HDR resultante?. Bueno, si tuviesemos un monitor HDR, la imagen que veríamos tendría una intensidad visual exactamente igual que si estuviesemos viendo la misma realidad. Pero además, este .HDR nos servirá para usarse como reflexión en objetos 3D en nuestro Software de 3D. La riqueza de intensidades obtenida será abrumadora, exactamente igual que sucede en la realidad cuando fotografiamos un objeto cromado o con reflejos.

También lo podemos usar como emisor de luz. Las partes más brillantes (sol) emitirán luz más fuerte, y el resto de la escena tintará nuestra escena virtual como si fuese de verdad.

Pero también podemos generar una versión “Tone Mapping“, que es al fín y al cabo lo que enseñaremos a nuestros amigos. Y aquí entramos en otro mundo totalmente diferente…

GENERANDO NUESTRO TONE MAPPING

Es en este momento cuando se monta el lío. Pues la imagen pura en HDR es la que tenemos guardada con extensión .HDR o .EXR, que tiene 32 bits de profundidad de color por canal, pero no podemos ver en toda su plenitud. Tan solo podemos variar la exposición para comprobar que efectivamente, la “luz” está ahí. Sobre todo cuando sub-exponemos, vemos que las partes con más información de luz quedan muchísimo más reales, como si hubiesemos realizado la foto con ESA exposición. Esa es la ventaja del HDR.

Pero cuando pasamos la imagen a 8 bits, luminosidad extra se puede adaptar localmente a los 8 bits (si lo queremos), de tal forma que se genera una imagen normalizada a nivel de luces y sombras, lo cual es llamado “Tone Mapping“. Es un error llamar “HDR” a estas imágenes, pues no lo son. Lo son originalmente, pero no tienen NADA que ver. Además de que la manipulación “HDR” es radicalmente diferente.

En las primeras versiones de Photoshop, la adaptación que hacía del modo 32bits al 8bits (por canal) era bastante rudimentaria, pero los resultados llegaban a ser interesantes, aunque lejos de las “brujuladas” que se pueden realizar actualmente con el nuevo modo de transferencia.

Aún así, queda incluso lejos de lo que puede lograr Photomatix, que es el Software de referencia a la hora de generar esas imágenes tan sugerentes (con mayor o menor fortuna). Lo bueno de Photomatix es que nos permitirá realizar los ajustes sobre una secuencia de imágenes, asique resulta el vehículo ideal para nuestros Timelapses. Existen innumerables tutoriales sobre el uso de Photomatix en este sentido, así que aquí nos limitaremos a señalar la herramienta.

Otra opción, para cuando estamos en Photoshop y cargamos una secuencia de imágenes directamente en 8 bits, consiste en usar el plugin “HDR EFEX PRO“, que nos permitirá aplicar esa corrección sobre una capa inteligente de Photoshop (Smart Object), la cual contiene nuestra secuencia de imágenes cargada (ver nuestro tutorial en dos partes sobre Photoshop en el BLOG). También de la casa Nik, está “Color Efex Pro”, que dispone de una herramienta parecida llamada “Tonal Contrast”, con la que podremos realizar un ajuste similar al que se haría cuando pasamos de 32 a 8 bits.

En estas dos opciones estamos ciertamente limitados por la profundidad de color de 8 bits, pero a veces nos encontramos con sorpresas interesantes, pudiendo dar un efecto sutil de “Tone Mapping” sin que sea agresivo. Sacar un poquito de microdetalle en las zonas en sombra, etc. Si nos pasamos, destrozaremos la imagen.

CONCLUSION

Aunque previamente en este blog ya pudimos tener una práctica mucho más extensa sobre la captación y la edición de las imágenes (https://www.trastomania.com/2010/11/ajustes-hdr-en-secuencias-de-imagenes/), con este artículo hemos querido ampliar la información acerca de un fenómeno que sigue causando furor, y que a veces no es interpretado como tal. Es importante saber los origenes de la técnica Tone Mapping, y cómo funciona un HDR.