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HDR Personalizado en Adobe Photoshop

La compresión del rango dinámico de la escena para adecuarlo al de la cámara se puede conseguir mediante diferentes sistemas. El mercado ofrece un buen número de programas que permiten la fusión de varios fotogramas con diferentes niveles de exposición en una única imagen. También Adobe Photoshop (PS) incorpora una herramienta, Merge to HDR Pro, con la misma finalidad y la particularidad que puede hacerlo a partir de los archivos originales en formato raw.

A pesar de ello, unos y otros incorporan herramientas y ajustes diversos cuyo nombre y finalidad no siempre facilita la comprensión del efecto que producen en la imagen resultante. Por otra parte, los distintos niveles de Tone Mapping de algunos de estos programas derivan en imágenes con un aspecto que las califica como de estilo HDR. Estos mappings del tono suelen incorporar además filtros de mejora de la nitidez de borde, aumento del contraste local y cambios en la saturación del color, lo que a menudo resulta en una imagen difícil de procesar posteriormente sin la aparición de artefactos no deseados.

Si lo que se desea es simplemente la fusión de varios fotogramas con diferentes niveles de exposición en una sola imagen susceptible de ser procesada en la dirección que se crea más conveniente y sin otro contenido que los tonos procedentes de los distintos niveles de exposición, la solución es relativamente simple utilizando la capacidad de fusionar capas que permite un programa como Adobe Photoshop.

En el caso del ejemplo, se utilizará una imagen tomada con una Nikon D610 equipada con un objetivo de 55mm de longitud focal. La escena incorpora unos abedules de tronco muy claro sobre un fondo de bosque relativamente oscuro y nieve de primavera en la parte baja del encuadre. La luz lateral provoca un contraste de imagen algo excesivo para el rango dinámico de la cámara. La exposición con medición matricial da como resultado una nieve en el límite de la textura y unas sombras en el bosque sin textura. Aunque en sentido estricto, no hay pixeles saturados a valor de gris 255 ni pixeles de valor de gris 0, la edición posterior de la imagen resulta comprometida.

Para contrarrestar el problema, se toman tres fotogramas consecutivos mediante la herramienta de bracketing disponible en la cámara con la intención de fusionar una imagen en la que se mezclen los valores tonales de sombras, tonos medios y altas luces con textura plena. Con el Modo de Exposición en Prioridad a la Abertura y Medición Matricial, se ajusta el diafragma en función de la profundidad de campo necesaria y se sobre y subexpone un valor EV por encima y por debajo de la combinación de exposición sugerida por la medición matricial.

El escalado de bracketing se decide en función del rango dinámico de la escena medido con la función puntual del exposímetro de la cámara y del rango dinámico de la misma determinado previamente mediante la función de conversión opto-electrónica (OECF por sus iniciales en inglés). En el caso del ejemplo ya se ha comentado que el rango dinámico de la escena excede el de la cámara sólo por lo que respecta a la posibilidad de disponer de textura plena en sombras y altas luces. El histograma de la toma con la exposición de base no llega a los extremos de la gama tonal disponible (Fig., 1). Como ya se ha comentado, en el caso del ejemplo un bracketing de ±1EV asegura buena información de textura tanto en las sombras como en las luces.

ACR_3Files
Figura 1. Interfaz de usuario de Adobe Camera Raw con los tres archivos de imagen procedentes del bracketing de cámara. El archivo seleccionado es el correspondiente a la exposición sugerida por la Medición Matricial (hacer click en la imagen para observar una versión ampliada).

En la Fig., 1 se muestran los tres archivos abiertos en el plug in Adobe Camera Raw (ACR) de PS. El procesado de los tres archivos se realiza tomando como referencia el fotograma correspondiente a la toma básica derivada de la medición matricial. El archivo se procesa mediante un perfil previamente preparado y guardado con los siguientes ajustes:

  • Ajustes de exposición, tono y contraste a cero (0).
  • Mapa de transición de luminancia lineal.
  • Ninguna aplicación de mejora de nitidez de bordes.
  • Ninguna aplicación de filtro de reducción de ruido.
  • Corrección de aberración cromática lateral o transversal (TCA) desactivada.
  • Corrección de aberración de distorsión desactivada.

El objetivo utilizado se ha caracterizado previamente respecto de la presencia de TCA y distorsión y se ha comprobado que está libre de ambas. En el caso de que la caracterización muestre presencia de estas aberraciones, se ajustarían las herramientas disponibles en ACR para corregirlas en la medida de lo posible.

En este caso concreto, se han desplazado los cursores de Shadows y Black hasta el 50% de la escala disponible para evitar que algunos pixeles de la imagen tomen el valor de gris 0. Para ello se activa el triángulo superior izquierdo de la ventana del histograma y se desplazan los mencionados cursores hasta que ningún pixel de la imagen aparece marcado en azul. Una vez procesado este archivo de la exposición básica, se seleccionan los tres archivos mediante el botón disponible en el extremo superior izquierdo de la interfaz de usuario de ACR y se sincronizan los ajustes mediante el botón inmediatamente inferior.

Para proceder a la fusión de la información contenida en los tres archivos raw procesados de la forma descrita anteriormente, éstos deben disponerse como capas en un archivo con formato de Adobe Photoshop (.psd). Si se utiliza el programa Adobe Bridge para navegar hasta el directorio donde se encuentran los tres archivos y se seleccionan simultáneamente los mismos, se puede utilizar el comando Tools>Photoshop>Load Files into Photoshop Layers… (ver Fig. 2).

Bridge_APLayers
Figura 2. Interfaz de usuario de Adobe Bridge mostrando la activación del comando que permite abrir varios archivos en formato raw como capas de Photoshop (hacer click en la imagen para observar una versión ampliada).

Para facilitar el trabajo de fusión, la disposición de las capas en PS debe ser, de abajo a arriba:

  • Capa con la imagen obtenida mediante la exposición sugerida por la medición matricial. De esta capa se mantendrá la información de los pixeles correspondientes a los medios tonos.
  • Capa con la imagen subexpuesta. De esta capa se aprovechará la información de las altas luces.
  • Capa con la imagen sobreexpuesta. De ella se extraerá la información de las sombras.

A continuación se duplicará dos veces la capa correspondiente a la imagen con la exposición de base. A cada una de ellas por separado, se les aplicará el comando Image>Adjustments>Threshold… Al hacerlo, la capa correspondiente aparecerá binarizada por defecto a partir del valor de gris 128. La herramienta muestra una ventana con el histograma de luminosidad de la imagen y el cursor que determina el umbral de segmentación en el referido valor de gris 128. A una de las capas se le ajustará el umbral en el valor de gris 85 y a la otra en el 170. Nótese que los valores de gris 85 y 170 dividen en tres regiones equitativas a la gama de 8bit, de valor de gris 0 a valor de gris 255. Si el bracketing de cámara fuese de cinco exposiciones, dividiríamos la escala tonal en cinco regiones.

Con la herramienta de selección Magic Wand y el ajuste Contiguous desactivado, se seleccionará la zona negra de la capa ajustada con un umbral en el valor de gris 85. Con esta selección activa, se seleccionará la capa correspondiente a la sobreexposición y se creará en ella una Layer Mask mediante el botón de la parte inferior de la Layers Palette. De este modo, PS generará la Layer Mask manteniendo en valor de gris 255 (blanco) la región correspondiente a la selección. A continuación se seleccionará con Magic Wand la zona de pixeles blancos de la capa con el umbral en el valor de gris 170 y con esta selección activa se creará una Layer Mask en la capa correspondiente a la subexposición, creándose así la reserva automática de las altas luces para esta capa. El conjunto de capas y máscaras descrito se muestra en la Fig., 3.

LayersPalette
Figura 3. Paleta Capas en la que pueden apreciarse las capas con las tres exposiciones tomadas por la cámara, sus correspondientes Máscaras de Capa en las correspondientas a la sobre y subexposición, así como las capas duplicadas a partir de la exposición base y que se han utilizado para seleccionar las zonas correspondientes a las sombras y altas luces.

La imagen presenta ahora un aspecto plano, sin contraste y con predominancia de los tonos medios. Ello se verá reflejado en el histograma, que muestra una agrupación de columnas en la parte central de la escala tonal (ver la Fig., 4). En la comparativa de dicha Figura, a la izquierda se muestra el histograma de la exposición de base. Éste se extiende prácticamente hasta los dos extremos de la gama tonal.

Ello implica que en la zona de las sombras y en función del tipo de cámara que se emplee, no sólo no hay información de textura sino que puede aparecer algo de ruido. Este ruido, una vez procesada la imagen con las consiguientes modificaciones de contraste local que se consideren necesarias y la aplicación de filtros de mejora de visibilidad de bordes, puede ser perfectamente visible en una copia impresa en alta calidad. Por el contrario, la zona de las altas luces presenta las áreas correspondientes a la nieve con poca o ninguna información de textura.

Histograma3
Figura 4. Histogramas comparativos de la exposición de base (izquierda), exposición de base más la zona de altas luces subexpuesta (centro) y la mezcla anterior más la sobreexposición de las sombras (hacer click en la imagen para observar una versión ampliada).

Aunque es verdad que las sombras podrían aclararse mediante procesado, ello no haría más que evidenciar el ruido presente, lo que impedirá recuperar información de textura. En el caso de las altas luces, el procesado podrá convertir el valor de gris de los pixeles en el nivel que se desee, pero en ningún caso les conferirá la diversidad de valores propia de la textura. Por el contrario, los histogramas del centro y derecha de la misma Fig., 4 muestran como al mezclar las diferentes regiones de sombras, tonos medios y altas luces procedentes de las imágenes tomadas con el bracketing de exposición, se consigue un histograma centrado en los tonos medios. Esta nueva imagen se puede procesar en la dirección que se desee sin que aparezca ruido en las sombras ni se pierda información de textura en las altas luces.

De todos modos, una observación al 100% de ampliación en PS muestra artefactos en las fronteras de selección de las tres regiones en que se ha dividido la gama tonal. Para evitar este inconveniente, sólo debe aplicarse un ligero desenfoque a las dos máscaras de capa responsables de la fusión de las tres imágenes. En la Fig., 5 se muestra la comparación entre la imagen fusionada y el resultado de aplicar un desenfoque de diez unidades en la herramienta Feathers de la Properties Palette (Fig., 6) una vez se tiene activa la máscara de capa. La cantidad de desenfoque a aplicar dependerá del tipo de imagen y del número de pixeles de la misma. Aunque PS no informa sobre el filtrado aplicado ni del significado de las unidades del cursor de ajuste, la herramienta parece tratarse de un filtro pasa baja del tipo Gaussian Blur y las unidades del ajuste relacionadas con la Desviación Estándar de la distribución de Gauss.

FusioCapes2
Figura 5. A la izquierda se pueden observar los artefactos que se crean en los bordes selección de las diferentes capas implicadas. A la derecha, el resultado de desenfocar ligeramente las dos máscaras de capa con el sistema previsto en Photoshop y descrito en el texto (hacer click en la imagen para observar una versión ampliada).
Properties
Figura 6. Paleta Properties en la que se aprecia el ajuste del desenfoque de una de las máscaras de capa empleadas para fusionar las diferentes regiones tonales de la imagen.

Finalmente y a partir de la imagen fusionada, sólo queda procesarla ajustando el contraste y el color con los métodos habituales y en la dirección que se considere conveniente. En la Fig., 7 se muestra una versión editada en este sentido. En ella, una vez ampliada al 100%, se puede observar la riqueza tonal de la imagen, desde los brillos especulares de los cristales de la nieve  hasta las sombras con textura plena en el tronco.

El método permite también grabar toda la secuencia de operaciones en PS en una Acción que una vez guardada, estará disponible para ser utilizada cada vez que se deba proceder a una fusión de imágenes de este tipo. Si la grabación de la Acción prevé la conservación de todas las capas generadas, no será ningún inconveniente ajustar de forma personalizada el desenfoque que se aplique a cada máscara de capa.

El sistema no pretende entrar en competencia con las herramientas específicas disponibles tanto en PS como en otros programas, pero sí confiere un alto grado de control sobre el tipo de información que se aproveche de cada fotograma y permite disponer de una imagen fusionada menos proclive a la aparición de artefactos durante el procesado posterior. En cualquier caso, es un buen recurso para aquellos casos en los que las herramientas específicas no proporcionen el resultado esperado.

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Figura 7. Sector de la parte inferior de la imagen en la que puede observarse la riqueza tonal de la misma, con los brillos especulares de los cristales de la nieve junto a sombras en el tronco con textura plena (hacer click en la imagen para observar una ampliación del sector mostrado al 100%).
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HDR (high dynamic range)

Les càmeres fotogràfiques, de pel·lícula o de sensor electrònic, tenen una capacitat limitada per captar, en una sola exposició, el rang de luminàncies (rang dinàmic o DR) que es pot trobar en una escena qualsevol, d’interior o d’exteriors. És a dir, per a unes condicions donades, un instrument fotogràfic necessita un mínim de llum per detectar senyal i quan hi ha aquest mínim i l’ajustatge de l’exposició és el correcte, s’estableix un màxim de llum que podrà enregistrar conservant les propietats que defineixen i diferencien a l’objecte fotografiat.

Per exemple, uns núvols blancs reflectits en el capó d’un cotxe poden conservar textura o no; si no en conserven, podem deduir que son núvols però no podem esbrinar de quina mena de núvols es tracta. Al cantó contrari, a les ombres, si la llum que reflecteix l’escorça d’una soca d’arbre cap a la càmera és insuficient per la sensibilitat del sistema i la combinació d’exposició triada, potser podrem identificar la soca pel seu perfil però difícilment podrem dir de quina mena d’arbre es tracta. Haurem perdut la informació de les textures que diferencien l’escorça dels troncs dels arbres.

De fet, a l’anomenat Sistema de Zones promulgat per Ansel Adams amb la finalitat, entre d’altres, d’encertar l’exposició correcte per la pre-visualització experimentada, els límits de la possible informació en una còpia final es definien en funció de l’existència o no d’informació textural. Així, la descripció de les deu zones del sistema fa referència, sovint,  a l’existència o no de textura; sobre tot, a les zones baixes i altes que determinen els límits de les ombres i de les llums, respectivament:

  • 0 – Pure black
  • I – Near black, with slight tonality but no texture
  • IITextured black; the darkest part of the image in which slight detail is recorded
  • III – Average dark materials and low values showing adequate texture
  • IV – Average dark foliage, dark stone, or landscape shadows
  • V – Middle gray: clear north sky; dark skin, average weathered wood
  • VI – Average Caucasian skin; light stone; shadows on snow in sunlit landscapes
  • VII – Very light skin; shadows in snow with acute side lighting
  • VIII – Lightest tone with texture: textured snow
  • IX – Slight tone without texture; glaring snow
  • X – Pure white: light sources and specular reflection

(Extret de: http://en.wikipedia.org/wiki/Zone_System)

El nostre sistema visual també té les seves limitacions de rang dinàmic, encara que amb una complexitat molt superior a la d’una càmera, s’adapta perfectament a rangs de luminància molt amplis. Pensem, per exemple, en que el mateix ull d’un mateix individuu és capaç de veure detall textural en un teixit en la foscor d’una discoteca i apreciar textures a la neu a ple sol. Aquesta capacitat d’adaptació fa que la nostra percepció de l’entorn sigui molt diferent de la que poden captar les càmeres en una sola exposició.

El que col·loquialment anomenem fotografia HDR no és més que la captació de la mateixa escena amb diferents exposicions que permetin, cadascuna d’elles, introduir en la càmera la informació textural tant de les ombres més fosques de l’escena com de les altes llums, els núvols amb sol, la neu o les reflexions especulars dels metalls, per exemple. Per un procediment de processament d’imatge es seleccionen les parts amb informació de cada fotograma i en configura una imatge que conté el conjunt de la informació necessària. Aquesta imatge resultant, és la que s’anomena imatge HDR.

Arribats aquí hi hauria camp per discutir si una imatge que conté tota aquesta informació és una imatge que “recorda” la percepció de l’entorn que teníem en contemplar el paisatge; probablement no. Queda doncs, en mans de cadascú, processar la imatge HDR en la direcció estètica que hom cregui convenient o necessari a l’aplicació en particular. No és el mateix satisfer la percepció visual personal que aconseguir una imatge que mostri determinades característiques d’un material de les que en depengui una decisió industrial o una diagnosi mèdica.

Per altre banda i centrant-nos en la fotografia pictòrica, el major o menor encert dels programes HDR en seleccionar el contingut de la imatge final és discutible i en termes estètics, segurament no ens posaríem fàcilment d’acord sobre el que està bé i el que, per alguns, resulta exagerat. En el meu cas, utilitzo des de fa un cert temps aquesta tècnica no tant sols quan l’escena depassa el rang dinàmic assumible per la càmera, sinó també en imatges que, en principi, no ho necessiten com la que es mostra a la capçalera d’aquest post. Faig sempre un bràqueting de 5 exposicions:

-2EV     -1EV    0     +1EV     +2EV

on l’exposició marcada com “0” és la suggerida per la mesura matricial de l’escena amb l’exposímetre de la càmera.

Una vegada davant de l’ordinador, decideixo si la imatge és una candidata a ser tractada amb HDR o selecciono una de les cinc exposicions per processar-la com ho feia abans d’adoptar aquesta possibilitat. Si decideixo que la imatge ho necessita, aquestes cinc exposicions les processo amb un programa d’HDR i així aconsegueixo una imatge conjunta que no satisfà la meva pre-visualització, però que conté un munt d’informació. És precisament aquest excés d’informació el que fa que la imatge no mostri un contrast adient doncs les ombres de l’escena estan tant plenes d’informació com els tons mitjos i fins i tot, com bona part de les altes llums. En definitiva, s’assembla a la percepció com un ou a una castanya.

És per això que el processament posterior sempre necessita al menys un augment general del contrast o expansió de l’histograma al marge de les manipulacions locals que es requereixin en cada cas. Així les ombres tornen a tenir la densitat que hi volem i les llums brillen en el límit de la textura. Arribats aquí algú pot preguntar-se: perquè tanta feina en aconseguir una imatge que no ens complau i que després hem de processar per tenir-la com la volem? Doncs perquè en fer-ho així, les zones d’ombra de l’escena reben, en algun dels cinc fotogrames del bràqueting, exposició suficient per no desenvolupar soroll. Sobre tot si fem ampliacions grans sobre paper, les àrees d’ombra més o menys extenses deixen veure amb facilitat el soroll de color que no sempre és fàcil d’eliminar.

Cal tenir en compte també que eliminant o minimitzant el soroll per els diversos mètodes, eines i plug in que hi ha disponibles, aconseguim àrees d’ombra més o menys uniformes però no restituïm la informació textural de l’escena que la càmera no ha captat per manca d’exposició. Si “tanquem” cap a fosc una zona d’ombra que tenim amb textura plena en algún dels cinc fotogrames, conservem rastres de textura que fan que la imatge sigui molt més rica en informació als ulls de l’observador. Una cosa assemblant es pot dir del color. Les zones al límit de la sub o la sobre-exposició rarament presenten informació rellevant de color i per això tenen dificultats per mostrar textures. El procediment esmentat no condiciona la possibilitat de fer-ho tant fosc o tant clar com ens sembli, però permet de fer-ho sense perdre informació que, en alguns casos, hom considera essencial pel tipus d’imatge que capta.