Vergleich globaler Beleuchtungsmodelle fur Image

Based Lighting uber HDR-I

Florian Wittwer, Matr.Nr.707659

16. Dezember 2009

Diplomarbeit

Fachbereich IEM der Fachhochschule Gießen-Friedberg

Referent Dipl.-Math. Cornelius MalerczykKorreferent Dipl.-Ing. Klaus Schmidt

Danksagung

Ich mochte mich zunachst bei meinen Betreuern Dipl.-Ing. Klaus Schmidt undDipl.-Math. Cornelius Malerczyk bedanken, die mir die Moglichkeit gaben,meine Diplomarbeit an der FH Gießen-Friedberg durchzufuhren und mir mitRatschlagen und technischer Ausrustung zur Seite standen.

Bei folgenden Personen mochte ich mich fur die Moglichkeit bedanken, diebenotigten Fotografien anzufertigen: Lothar und Jadwiga Bugla, Daniela Brei-dert und Deniz Asuman, sowie den Mitarbeitern des Museums Kaiserpfalz Geln-hausen.

Dank gebuhrt außerdem Hannah Dewies und Martin Trippen fur die Erlaubnis,in ihrem Unternehmen angefertigte Modelle in die Diplomarbeit einfließen zulassen.

Nicht zuletzt bedanke ich mich bei Claudia, Astrid, Horst und Michael Herroderfur die unschatzbare Unterstutzung, Geduld und Fehlerkorrektur.

I

Eidesstattliche Erklarung

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstandig ver-fasst und nur die in der Arbeit angegebenen Hilfsmittel und Literaturstellenverwendet habe.

Jossgrund, 15.12.2009, Florian Wittwer

II

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 11.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Problemstellung und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Organisation der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse . . . . . . . . . . . 4

2 State of the Art 52.1 Techniken der Panoramafotografie . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Skydome-Fotografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Mirrorball-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 One-Shot-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.4 Segment-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Computer–Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 Computer–Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.1 Uberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.2 Autodesk Maya 2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.3 Blender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.4 Mental Images Mental Ray R© . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.5 Next Limit Maxwell V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3 High Dynamic Range-Imaging 173.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.1 Fotografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1.2 Der Dynamikbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.1.3 Zielsetzung HDR-I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 Die Ausrustung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2.1 Canon EOS 5D (Mark 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2.2 Mamiya 645 AFDII, Capture One P45 . . . . . . . . . . . 213.2.3 Zubehor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.3 Die Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3.1 Capture One DB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3.2 PTGui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3.3 EXIFeditor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3.4 Adobe Photoshop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.4 HDRI-Panaromafotografie mit der Segmenttechnik . . . . . . . . 263.4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4.2 Positionierung und Aufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4.3 Bildverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4.4 Bearbeitung der Exif Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4.5 Erzeugen eines HDR-Panoramas . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5 Darstellbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

III

4 Ergebnisteil Fotografie 384.1 Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.1.1 Bearbeitung und Ergebnisse – Bar . . . . . . . . . . . . . 384.2 Scheune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2.1 Bearbeitung und Ergebnisse – Scheune . . . . . . . . . . . 444.3 Kaiserpfalz Gelnhausen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3.1 Bearbeitung und Ergebnisse – Kaiserpfalz . . . . . . . . 514.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5 Rendering 585.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.2 Bildsyntheseverfahren und globale Beleuchtungsmodelle . . . . . 58

5.2.1 Scanline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.2.2 Raytracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.2.3 Brute-Force-Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.2.4 Global Illumination / Photon-Mapping . . . . . . . . . . 595.2.5 Final Gathering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.2.6 Importons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.2.7 Irradiance Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.2.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.3 Renderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.3.1 Maxwell V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.3.2 Mental Ray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.4 Anforderungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.4.1 Subjektive Vergleichbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.4.2 Inhaltlicher und raumlicher Kontext . . . . . . . . . . . . 685.4.3 Objektive Vergleichbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.5 Testszenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.5.1 Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.5.2 Scheune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6 Ergebnisteil Rendering 756.1 Erzeugen einer Image-Based-Lighting-Umgebung . . . . . . . . . 756.2 Testbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756.3 Qualitatseinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.3.1 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.4 Reflexionseigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.4.1 Ergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.5 Caustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6.5.1 Ergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.5.2 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7 Zusammenfassung und Ausblick 96

IV

1 Einleitung

1.1 Motivation

Die Produktion von Grafik und Video im Bereich der Werbe- und Filmindus-trie hat sich im Verlauf der letzten 25 Jahre drastisch verandert. Dieser Pro-zess ist auf die Integration von rechnergestutzter Bildbearbeitung in analogenFilmschnitt zuruckzufuhren. Zur Komposition und Uberblendung unterschied-licher analoger Bildquellen ist im Laufe der Zeit ein großer werdender Anteildigital bearbeiteter Bildausschnitte hinzugekommen. Die wachsende Rechen-und Speicherkapazitat der eingesetzten Computersysteme hat die Moglichkeitgeschaffen, komplexe Szenen, Gegenstande, Personen oder Ereignisse virtuellzu erzeugen. Die Grenzen des Darstellbaren haben sich verschoben und sindnun weiterhin abhangig von der Vorstellungskraft der Autoren und Entwickler,nicht aber mehr schlussendlich vom Vorhandensein einer umfangreichen Requi-site, Schauspielern oder eines bestimmten Drehortes. Dieser Prozess außert sichfur den Betrachter darin, dass das Angebot an visuellen Medien umfangreichergeworden ist. Ein Beispiel aus der Kinogeschichte der letzten Jahre ist der, nachmehreren erfolglosen Versuchen,1 als nicht verfilmbar geltende Fantasy-Roman

”Der Herr der Ringe“ von J.R.R. Tolkien. In der von Peter Jackson verfilmtenFassung werden einige Hundert computeranimierte Akteure und eine Vielzahlumfangreicher virtueller Szenenbestandteile dargestellt (s. Abb. 1).

Abbildung 1: Ausschnitte aus Herr der Ringe c©New Line Pictures, Inc.2

Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklungsgeschichte der Weltraumsaga ”StarTrek“ von Gene Roddenberry. Wahrend hier zu Beginn Modellbau und Stu-dioaufnahmen zur Visualisierung des zentralen Schausplatzes ”Enterprise“ ein-gesetzt wurden, ist das im aktuellen Kinofilm ”Star Trek“ gezeigte Raumschiffvollstandig am Computer entstanden (s. Abb. 2). Eine solche Entwicklung istauch in der Werbebranche zu bemerken. Der Einsatz von CAD Systemen hatbezuglich der Visualisierung der Produkte den Bau von Prototypen hinfalligwerden lassen. Die Daten aus der Fertigungstechnik lassen sich mit vergleichs-weise geringem Aufwand in Modellierungsprogramme ubertragen, um darausEinzelbilder oder Animationssequenzen zu erzeugen. Ein Beispiel ist der Auto-mobilhersteller Opel und sein aktuelles Modell ”Insignia“, siehe dazu die Di-plomarbeit [Opp09] von Mischa Opper.Fur die Werbe- und Filmindustrie gilt hier gleichermaßen der Anspruch, Bilder

1http://www.herr-der-ringe-film.de/v2/de/filmtrilogie/film-infos.php, 9.11.09, 16:00 Uhr2Quelle: http://www.warnerbros.de/movies/herrderringe/3Quelle: http://memory-alpha.org/de/wiki/

1

Abbildung 2: Raumschiff Enterprise 1966 und 2009 c©Paramount Pictures3

zu erzeugen, die nicht vom Betrachter auf den ersten Blick in Frage gestelltwerden. Im Compositing (deutsch: ”Zusammenfuhren“) der Bilder geht es vorallem darum, dass unterschiedliche Bildinhalte ”zu einem stimmigen Gesamt-bild“4 verschmolzen werden. Oft werden virtuelle Gegenstande oder Szenari-en mit Realfilm bzw. Fotografie kombiniert. Die unterschiedliche Herkunft derBildquellen birgt jedoch eine Hurde, die es zu uberwinden gilt, wenn das Re-sultat als eine Einheit erscheinen soll: ”3d Elements [...] lack the subtle com-plexity of real-world illumination“ (zu deutsch: ”3d Elemente lassen die subtileKomplexitat der Beleuchtung der wirklichen Welt vermissen“)[AC07, Lighting].Damit das Gesamtbild die Illusion der Echtheit vermitteln kann, bietet es sichan, eine ”Kopie“ des Lichts der Wirklichkeit in die Szene zu integrieren. Dies ge-schieht mittels einer Digitalfotografie mit großtmoglichem Farbraum. Um darindie optimale Bandbreite an Informationen unterzubringen wird ein High Dy-namic Range-Image (deutsch: Bild mit hohem Dynamikbereich), kurz ”HDR-I“ erzeugt. Durch diese Technik entsteht ein visueller Informationsgehalt, derin der Regel uber das auf Monitoren, Leinwanden und Druckern Darstellba-re hinausgeht. Der Inhalt eines solchen Bildes kann zur Simulation von Licht,Lichtbrechung (Refraktion) oder Reflektion eingesetzt werden oder schlicht alsHintergrundbild der virtuellen Szene dienen. Zudem eroffnet der hohe Dyna-mikbereich wertvollen Spielraum bei der Finalisierung des Endprodukts, dersogenannten Post-Produktion.Nicht immer werden jedoch diese Fotografien extra fur eine Szene angefertigt.HDR-Fotografien und -Panoramen werden auf einer Vielzahl von Internetseitenkommerziell vertrieben.5

1.2 Problemstellung und Zielsetzung

Die Herstellung einer virtuellen Szene ist ein komplexer Vorgang, dessen er-folgreiche Umsetzung sich schlussendlich im Gesamteindruck des Ergebnissesniederschlagt. Zu Beginn steht dabei immer ein Katalog visueller Kriterien. Ne-ben der passgenauen Positionierung und Orientierung der virtuellen und realenGegenstande zueinander wird grundsatzlich je nach Verwendungszweck eine be-stimmte Auflosung, Farbtiefe oder ein gewisser subjektiver Eindruck verlangt.

4de.wikipedia.org/wiki/Compositing,24.10.2009, 18:095z.B.: http://hdri-panorama.de , http://www.turbosquid.com/

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Das kann beispielsweise das Spiegelbild eines realen Gebaudes im virtuellenAutolack oder auch die intensive rotliche Farbgebung eines Sonnenuntergangssein, die sich in einer virtuellen Szene wiederfinden soll. Die Imitation solcherkomplexer Lichteinflusse ist zeitintensiv und erfordert umfangreiche Kenntnissein Bezug auf Lichtsetzung und deren Auswirkung. Um diese Prozesse zu ver-einfachen, bedient man sich des Image Based Lighting (deutsch: BildbasierteBeleuchtung). Bei dieser Technik bindet man reale Vorbilder in Form von Pan-oramafotografien in den Prozess der Bildsynthese ein, um eine Umgebung zuschaffen, die bereits alle notigen Informationen fur Beleuchtung, Reflexion undLichtbrechung mitbringt.Dennoch ist die zielgerichtete Erstellung einer solchen Umgebung von der An-fertigung der Fotografie uber die Bildverarbeitung, Erstellung eines Panoramasund Einbindung in den Renderer (Bildsyntheseprogramm, zustandig fur die Er-stellung einer zweidimensionalen Projektion einer dreidimensionalen, virtuellenSzene) eine Aufgabe, die eine Vielzahl von Erfahrungswerten notig macht. Zu-dem unterscheiden sich die Renderer in ihrer Funktionsweise, Bedienung undder benotigten Zeit fur die Erstellung eines Bildes. Da die Anwendungsgebietedieser Technik sehr unterschiedlich sein konnen, soll in dieser Diplomarbeit einVergleich zwischen der Funktionalitat verschiedener Render-Software an Handvon drei Szenen ausgearbeitet werden. Dazu wird eine Reihe von Kriterien ein-gefuhrt, die eine qualitative Beurteilung der Ergebnisse moglich machen.

1.3 Organisation der Arbeit

Zu Beginn soll im Kapitel ”State of the Art“ der technische Standard in Bezugauf Kamerasysteme, Computer-Hardware, Bildbearbeitungssoftware, Modellerund Renderer aufgezeigt werden. Dazu werden einige Beispiele aus der Industrieaufgefuhrt, sowie deren relevante technische Details und Einsatzzwecke darge-legt. Außerdem sollen die wesentlichen Verfahren aufgefuhrt werden, mit denenPanoramen erzeugt werden konnen.Im darauffolgenden Kapitel soll die Herstellung von HDR-Panoramafotografienanhand der sogenannten Segmenttechnik veranschaulicht werden. Es folgt eineEinfuhrung der fur die Diplomarbeit verwendeten Ausrustung, sowie der Ablaufder verwendeten Methode im Detail. Danach werden die Ergebnisse vorgestelltund bezuglich der erreichten Qualitat diskutiert.Im Kapitel Rendering werden Voraussetzungen fur die Verwendung von Image-Based Lighting genannt, sowie die Einbindung in virtuelle Szenen beschrieben.Das Verfahren wird an Hand einiger Szenen veranschaulicht, die jeweils inhalt-lich auf das verwendete Panorama abgestimmt sind. Es werden einige Testreihendurchgefuhrt, bei der die Variation der Rendereinstellungen und deren Auswir-kung auf das Ergebnis im Vordergrund steht. Zuletzt sollen die Ergebnisse derRenderer untereinander qualitativ verglichen werden. Im Mittelpunkt der Dis-kussion soll dabei auch die Gegenuberstellung mit realen Vorbildern stehen.Abschließend werden noch einmal die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasstund eine Auswahl qualitativ hervortretender Bilder gezeigt.

3

1.4 Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse

In der Diplomarbeit wird die Funktionsweise unterschiedlicher Konzepte derglobalen Lichtsetzung innerhalb dreier Renderer erklart (Maya Software / Men-tal Ray / Maxwell Render). Dabei wird jeweils auf die Konfiguration bildbasier-ter Beleuchtung im jeweiligen Renderer eingegangen. Daraus geht eine Versuchs-reihe hervor, die alle Beleuchtungsvarianten untereinander vergleichbar macht.Die Ergebnisse werden in Form von Panoramafotografien, vergleichenden Ta-bellen und einer Diskussion der Ergebnisse dargereicht. Zusammenfassend laßtsich diese Diplomarbeit als ein Leitfaden zur vollstandigen Erstellung einer vir-tuellen Szene mit bildbasierter Beleuchtung beschreiben.

Abbildung 3: Darstellung einer Szene mit Beleuchtung durch ein HDR-Panorama (Maxwell Render)

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2 State of the Art

Im einleitenden Kapitel wurde die Relevanz des Image-Based Lighting fur dieKino- und Werbeproduktion dargelegt. Aufgrund der immensen Auswahl anProdukten und Unterhaltungsmedien und deren Kurzlebigkeit ist es charakte-ristisch fur diese Branchen, Bildqualitat auf hochstem Niveau erzielen zu wollen.Das hangt mit dem Ziel zusammen, in der Fulle der Auswahl positiv auffallenzu wollen. Die asthetische Wahrnehmung wird oft von jeweiligen Modeerschei-nungen wie Trendfarben und ublichem Jargon der Zielgruppe beeinflusst. Tech-nisch gemessen wird diese Qualitat an Auflosung, Farbtiefe oder auch Verar-beitungsgeschwindigkeit. Es werden nun die unterschiedlichen Verfahren vorge-stellt, die sich fur die Erstellung eines Panoramas etabliert haben. Danach wirdeine Ubersicht der in die Produktion involvierten technischen Gerate folgen.Dazu zahlen einige ausgewahlte Kameras sowie fur Bildproduktion eingesetzteComputersysteme. Abschließend folgt eine Ubersicht der jeweils aktuellen Versi-on gangiger Software, die zur Synthese und Bearbeitung von Bildern eingesetztwird.

2.1 Techniken der Panoramafotografie

Je nach Anforderung an Auflosung, Produktionszeit oder Vollstandigkeit desPanoramas konnen unterschiedliche Losungswege zur Erstellung einer Pan-oramafotografie beschritten werden. Im Allgemeinen werden Panoramen dortbenotigt, wo die Abbildung des visuellen Gesamtkontextes des dargestelltenOrtes gewunscht ist. Die Grunde dafur haben unterschiedliche Wurzeln. Bei-spielsweise kann es im Interesse einer polizeilichen Ermittlung sein, einen Ortganzheitlich mit all seinen Bestandteilen fur einen spateren Zeitpunkt virtuellzuganglich zu machen6. In der VFX7 Produktion ist es gangige Praxis, dassdie Lichtsituation eines Drehorts eingefangen wird, um dem Produktionsteamspater ihre Imitation bei der Montage von Fremdmaterial zu erleichtern [AC07].Ausrustung und benotigte Zeit fur die Erstellung des Panoramas sind davonabhangig, welches Verfahren dafur angewandt wird.

2.1.1 Skydome-Fotografie

Um sich die wesentlichen Merkmale eines Skydome zu vergegenwartigen, istfolgende Vorstellung nutzlich: Man stelle sich einen Standpunkt auf einemuberdimensionalen, mit einer Glasglocke abgedeckten Speiseteller vor. Die Wahr-nehmung der Umgebung sei dabei auf das beschrankt, was durch die Glockehindurch sichtbar ist. Ein Blick auf die Umgebung unterhalb des Tellers istnicht moglich und es erstreckt sich ein Horizont in Gestalt des Tellerrandes.Diese Beschrankung des Blickfeldes ist mit der Beschaffenheit des dafur einge-setzten Objektivs verbunden. Ein sogenanntes Fisheye (deutsch: Fischauge) istein Objektiv mit einer sehr kurzen Brennweite. Diese fuhrt im Idealfall zu einem

6http://www.spheron.com/en/sceneworks/portfolio/scenecam.html7VFX: Visuelle Effekte in Film und Fernsehen

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Abbildung 4: Aufstellung und Sichtweise des Fisheye Objektivs

Bildwinkel von 180◦ und damit zu einem halbkugelformigen Sichtfeld. Herstel-ler solcher Objektive ist beispielsweise die Firma Sigma8, die Objektive mit 4,5bzw. 8mm fur die Panoramafotografie anbietet. Wird die solchermaßen ausge-stattete Kamera senkrecht nach oben ausgerichtet (s. Abb.4), kann mit einereinzigen Aufnahme ein Panorama erzeugt werden, das bereits einen Großteil desfotografierten Motivs enthalt. Wird von dieser Szene eine Belichtungsreihe er-stellt, kann daraus innerhalb kurzer Zeit ein HDR-Panorama generiert werden.Dieses ist allerdings auf die Auflosung der Kamera beschrankt.Panoramen, die auf diese Weise erstellt wurden, konnen uberall dort eingesetztwerden, wo das Vorhandensein der vollstandigen Abbildung der Szene verzicht-bar ist und die Auflosung der Kamera fur das Panorama ausreicht.

2.1.2 Mirrorball-Technik

Bei der sogenannten Mirrorball (deutsch: Spiegelkugel)- Technik werden mehre-re Fotografien variabler Betrachtungswinkel einer ideal spiegelnden Kugel ausgroßtmoglicher Entfernung aufgenommen, mit dem Ziel, ein Panorama auseiner geringen Anzahl Belichtungsreihen mit einem Betrachtungswinkel vonnaherungsweise 180◦ x 360◦ zu erzeugen. Die Position der Spiegelkugel muss sogewahlt werden, dass zwei Aufnahmen aus gleichem Abstand erfolgen konnen,wobei der Winkel der Kamera zur Kugel um 90◦ versetzt wird (siehe Abbildung5). Da das gesamte Panorama aus der Reflexion in der Kugel gewonnen wer-den soll, erganzen die beiden Aufnahmen den Informationsgehalt hinsichtlichkritischer Bildinhalte, sind aber großtenteils redundant. Wie in der Abbildungdargestellt, ist zum einen die Kamera Bestandteil der Spiegelung, zum ande-ren nehmen Darstellungsqualitat und Scharfe in der Spiegelung mit steigendemBlickwinkel ab, was sich beim Entfalten des Panoramas (siehe Abbildung 6) ineiner Singularitat außert. Zur Nachbearbeitung der Rohaufnahmen sind meh-rere Schritte erforderlich, in denen die Aufnahmen entzerrt, ubereinandergelegtund zusammen geschnitten werden (siehe Abbildungen 7,8,9). Wurden zur Er-stellung eines HDR-Panoramas Belichtungsreihen erstellt, so sind diese vor dem

8http://www.sigma-foto.de/

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Abbildung 5: Zwei Kamerapositionen bei der Mirrorball-Technik

Zusammenschnitt zu HDR-Aufnahmen zu verschmelzen. Das Entzerren kannzum Beispiel mit dem kostenlosen Programm HDRShop V19 erfolgen. Mit Hil-fe einer spiegelnden Kugel ein Panorama zu erzeugen ist eine verlustbehafteteMethode. Dies liegt daran, dass nicht nur die Qualitat des Objektivs und dieAuflosung der Kamera, sondern auch die Beschaffenheit der Spiegelkugel unddie Kenntnisse uber das verwendete Bildbearbeitungsprogramm auf das Ergeb-nis Einfluss nehmen. Im Idealfall entsprache das Ergebnis der Qualitat einerEinzelaufnahme der Kamera. Dennoch handelt es sich um einen attraktivenLosungsweg, da weder hohe Kosten noch ausgedehnte Zeitfenster zu veran-schlagen sind.

2.1.3 One-Shot-Technik

Mit der One-Shot (deutsch: Ein Schuss) Technik wird in der Panoramafotogra-fie die Moglichkeit beschrieben, ein vollstandiges Panorama durch einmaligesAuslosen zu erfassen (s.Abb.10). Einen bekanntes Gerat, mit dem dieses Ver-fahren praktiziert werden kann, wird von der Firma SPHERON-VR AG gefer-tigt, die ”SpheroCam HDR“. Dieses Gerat arbeitet vollautomatisch und erzeugtein vollstandiges Panorama mit hohem Dynamikbereich (bis zu 26 Blenden).Die Auflosung betragt fur ein spharisches Panorama ”50 Mio. Pixel (5.300 x10.600 Pixel)“10. Eine durch zusatzliche Messinstrumente und ein Satelliten-ortungssystem erganzte Variante fur den erwahnten kriminologischen Einsatz

9www.hdrshop.com10www.spheron.com/en/intruvision/solutions/spherocam-hdr/technical-

details.html,28.10.2009,16:12

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Abbildung 6: Mirrorball-Technik: Auseinanderfalten der Bilder in HDRShop

Abbildung 7: Mirrorball-Technik: Uberblenden der Bilder mit Photoshop

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Abbildung 8: Mirrorball-Technik: Entfernen der storenden Bildinhalte, hier bei-spielsweise der Kamera

Abbildung 9: Fertiges Panorama mit der Mirroballtechnik

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Abbildung 10: Die One Shot Technik von außen und aus der Sicht der Kamera

wird unter dem Namen ”SceneCam“11 beworben.

Produkt Hersteller Auflosung Horizontal, VertikalPanoscan MK-3 Panoscan Inc. 65000 , 6000 (9000) Pixel 12

Roundshot D3 Seitz Phototechnik AG 62830 , 7500 Pixel 13

2.1.4 Segment-Technik

Als Segmenttechnik bezeichet man ein Verfahren, bei dem das Panorama auseiner Matrix sich uberlappender Belichtungssequenzen zusammengesetzt wird.Hierzu wird die Kamera auf einer Vorrichtung montiert, die eine beliebige Wahldes Bildausschnitts aus dem Bereich von 180◦ x 360◦ ermoglicht. Die Belich-tungssequenzen werden zu HDR Bildern verschmolzen und mit spezieller Soft-ware zu einem Panorama verbunden. Das eingesetzte Verfahren wird in Kapitel3.4 ausfuhrlich erlautert.Bei der Durchfuhrung dieses Verfahrens ist nicht ausschließlich die Qualitat desObjektivs oder das Auflosungsvermogen der eingesetzten Kamera von Bedeu-tung. Auch die Moglichkeit, das Gerat von einem Rechner aus fern zu steuernund eine schnelle Datentransferrate tragen zum Gelingen bei, da je nach Blick-winkel des eingesetzten Objektivs einige Hundert Bilder anzufertigen sind unddie genannten Merkmale einen flussigen Arbeitsablauf gewahrleisten. Das Ar-beitsaufkommen der Erstellung einer solchen Menge an Einzelbildern fuhrtezu allerlei Bestrebungen, das Verfahren zu automatisieren. So sind mittlerwei-le motorisierte Stativkopfe14 erhaltlich und Anleitungen fur den Selbstbau15zufinden.Eine aktuelle Kamera des High-End Segments ist die Hasselblad H4D–60. Eshandelt sich um eine digitale Spiegelreflex-Kamera, deren Digitalruckteil Bil-der mit einer Auflosung von 60 Mio. Pixel einzulesen vermag. Das entsprichteiner Bildgroße von 6708 x 8956 Pixel. Die Farbtiefe betragt 16 bit. Die Bilderwerden auf einer Compact Flash Karte gespeichert. Mittels einer Firewire-800-

11www.spheron.com/en/sceneworks/portfolio/scenecam.html,28.10.2009,17:0314http://www.marc-kairies.de/mk-panorama-systeme/mk-panomachine/index.html15http://www.secondpage.de/tutorials/mindstorms/vr1.html

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Abbildung 11: Die Segmenttechnik. Die Brennweite und die Segmentgroße sindumgekehrt proportional

Verbindung kann die Kamera uber die Software ”Phocus“ fern bedient werden,und die Bilder direkt auf dem Computer gespeichert werden. Es wird auch ei-ne Version mit 50 Mio. Pixeln unter der Bezeichnung H4D–50 geben. BeideKameras werden im Januar 2010 erhaltlich sein16.

Technik Zeitbedarf Vorteil Nachteil Produktions-bereich

Skydome <1 min. schnell unvollstandig Computer-spiele

Mirrorball-Technik <5 min. schnell, begrenzte Kino,gunstig Bildqualitat Werbung

One-Shot-Technik >1min. schnell hohe Kino,Kosten Werbung

Segment-Technik >15min. hohe langsam DokumentationBildqualitat

Zusammenfassung der wichtigen Panoramatechniken in Tabellenform

2.2 Computer–Hardware

Bildbearbeitungsprogramme und Renderer haben Systemanforderungen, dieleistungsstarke Computersysteme voraussetzen. Die Geschwindigkeit der Com-puter hat sich, gemessen an der Taktfrequenz der verbauten Prozessoren, inden letzten 20 Jahren um den Faktor 1000 erhoht. Dieser Vergleich bezieht sich

16http://www.heise.de/newsticker/meldung/Schwenken-erlaubt-Hasselblad-H4D-60-mit-neuer-Fokustechnik-Update-798145.html

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auf einen Intel 80286er aus dem Jahre 1988 (12 Mhz)17 der einem aktuellenVierkernprozessor Intel Core i7 (4 x 3 Ghz)18 gegenubergestellt wird. Die heu-tige Technologie erlaubt die parallele Berechnung mehrerer Prozesse. Dies wirddurch das Vorhandensein mehrerer physikalischer und logischer Recheneinhei-ten moglich gemacht. Leistungsstarke Workstations (deutsch: Arbeitsrechner)fur den Bereich der Visualisierung und Bildbearbeitung verfugen oft uber zweiMehrkernprozessoren. Gangige Vertreter sind die aktuellen Intel R© Xeon R©-Prozessoren der W5500 Serie und die AMD R©-Opteron Prozessoren der 8000Serie. Sie verfugen uber vier (Intel) bzw. sechs (AMD) Rechenkerne auf einerCPU (Central Processing Unit, deutsch: zentrale Recheneinheit). Betriebsbe-reite Workstations werden von verschiedenen Firmen angeboten, z.B. Hewlett–Packard19, Apple20 oder Deltacomputer21. Rendering ist jedoch nicht mehrausschließlich von der Leistung der CPU abhangig. Die Leistung der Grafik-karten hat, angetrieben durch die wachsenden Anspruche der Computerspiele,in den letzten Jahren an Relevanz gewonnen. Zunehmend werden die Ressour-cen der Grafikkarte und ihrer Prozessoren (GPUs, sinngemaß: Grafikprozes-soren) genutzt, um nicht mehr ausschließlich 3D–Echtzeitberechnungen aus-zufuhren. Es ist ein System auf den Markt gekommen, das beispielweise die Be-rechnung von physikalischen Wechselwirkungen simulierter Festkorper erlaubt,Nvidia R©PhysXTM.22 Die Bedeutung solcher Systeme wird auch fur fotorealisti-sche Anwendungen zusehends interessanter. Mental Images hat mit Reality Ser-ver 3.0 ein System zur GPU-internen Echtzeitberechnung von 3D–Umgebungenherausgebracht. Dieses System macht die Interaktion mit einer auf einem Ser-ver abgelegten 3D Szene uber ein Netzwerk moglich ohne die Notwendigkeitkomplexer Berechnungen auf dem verbundenen Client[Fis09] Zusammenfassendlasst sich sagen, dass die Fertigung einzelner spezialisierter Komponenten denEinsatz von Konzentrierter zentraler Rechenleistung abgelost hat.

2.3 Computer–Software

Hier soll ein Uberblick uber die ubliche 3D-Software vermittelt werden. Manunterscheidet Modeller, Sculpting-Software, Animationsprogramme, Multiagen-tensysteme, Renderer und Compositing Programme. Bei einem Modeller stehtdie Erstellung der Oberflachenmodelle virtueller Objekte im Vordergrund. Beiden Animationsprogrammen liegt der Schwerpunkt auf den virtuellen Bewe-gungsablaufen von Festkorpern oder Charakteren. Eine Besonderheit stellt dasMultiagentensystem dar, bei dem spezielle Zielsetzung und Interaktion der ein-zelnen Agenten neben Bewegung auch Kampf, Flucht, Zusammenkunft oderahnliche gruppendynamische Aktivitaten umfasst. Im Vordergrund steht da-bei die Erstellung einer Vielzahl von Charakteren und deren Animationsab-lauf , ohne die Notwendigkeit der redundanten Animation einzelner Individuen.

17http://computermuseum–muenchen.de/computer/compaq/slt286.html18http://www.intel.com/Assets/PDF/Prodbrief/xeon–5500.pdf19http://h10010.www1.hp.com/wwpc/de/de/sm/WF02d/12454-12454-296719.html20http://www.apple.com/de/macpro/21http://www.deltacomputer.de/produkte/cluster/angebot opteron workst.shtml22http://www.nvidia.de/object/nvidia physx de.html

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Die Sculpting Software erweitert die wesentliche Funktionalitat eines Modellersdurch die Moglichkeit der Modellierung feiner Strukturen mit Pinsel, Griffel,Stempel und ahnlichen Werkzeuge aus der Malerei und Bildhauerei. Beim Ren-derer handelt es sich um die Bildsynthese-Software. Dieses Programm erzeugtunter der Anwendung einer physikbasierten Gleichung aus den Informationendes 3D Programms ein zweidimensionales Bild.

2.3.1 Uberblick

Die folgende Tabelle23 soll einen Uberblick uber gangige Modellierer und Ren-dering Software bieten. Nachfolgend soll noch einmal auf einige ausgewahlteSoftware im Detail eingegangen werden.

23http://en.wikipedia.org/wiki/3D computer graphics software

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Produkt Hersteller Schwerpunkt3ds Max Autodesk Modellierung, Auto-CAD kompatibelAC3D Inivis Modellierung

Aladdin4D Discreetfx Modellierung, RenderingBlender Blender Foundation Modellierung, Rendering, SculptingCarrara DAZ Productions Modellierung, Rendering

Cinema 4D MAXON Modellierung, RenderingformZ AutoDesSys, Inc Modellierung

finalrender cebas RenderingVISUAL

TECHNOLOGY Inc.fryrender randomcontrol RenderingHoudini Side Effects Software Multiagentensystem

Hypershot Bunkspeed RenderingLightWave3D NewTek Modellierung, Animation, RenderingLuxRender Open Source RenderingMASSIVE Character Animation, Multiagentensystem

Maya Autodesk Modellierung, Animation,Rendering, Compositing

Modo Luxology Modellierung, Sculpting, RenderingMudbox Autodesk Modellierung, Sculpting

Renderman Pixar RenderingSilo Nevercenter Modellierung

SketchUp Pro Google ModellierungSoftimage Autodesk Modellierung, Animation, RenderingSwift 3D electric Rain Modellierung, Animation, Flash

true Space Caligari Modellierung, Animation, RenderingVray Chaos Software RenderingVred PI-VR GmbH Texturing, RenderingVue E-on Software Modellierung von Okosystemen, Rendering

ZBrush Pixologic Modellierung, Sculpting

Ein Uberblick uber aktuelle Rendersoftware

2.3.2 Autodesk Maya 2010

Bei Autodesk Maya 2010 handelt es sich um eine 3D-Modellierungssoftware, diemit eigenen Renderern (Maya Software, Hardware, Vector), dem popularenRenderer Mental Images Mental Ray, sowie einer Vielzahl von Simulations-werkzeugen ausgeliefert wird. Neben der Modellierung konnen unter anderemAnimationen von Festkorpern und Lebewesen (Skelettanimation) erstellt wer-den, Bewegung von Muskeln, Behaarung, Stoffen und Flussigkeiten simuliertwerden. Auch sogenannte Partikeleffekte wie Feuer oder Rauch konnen gestal-tet werden. Mit dem mitgelieferten Programm Autodesk Matchmover konnenauch Kamerafahrten aus Realfilm nachvollzogen werden (Motion Tracking). Inder aktuellen Version ist zudem ein Compositing-Werkzeug enthalten, das das

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Zusammenfuhren mehrerer Bildquellen ermoglicht.24

2.3.3 Blender

Bei Blender handelt es sich um eine Software, die in einem In-House-Projekteines Animationsstudios entworfen wurde.25 Im Jahre 2002 wurde dieses Pro-jekt unter GPL26 der Offentlichkeit zur Verfugung gestellt. Seither wird dieseOpen-Source Software standig erweitert. Die aktuelle Version ist Blender 2.49.Zum Funktionsumfang zahlt unter anderem 3D-Modellierung, 3D-Sculpting(deutsch: Bildhauerei, Verformung), Skelettanimation sowie Partikel- und Flus-sigkeitssimulation. Blender verfugt auch uber einen eigenen Renderer und esist moglich mit einer eingebauten Compositing- Software 2D- Effekte zu er-zeugen. Eine Besonderheit stellt die Bullet Physics Library dar, eine Open-Source Schnittstelle mit der Physik-Effekte fur Computerspiele erzeugt werdenkonnen.27

2.3.4 Mental Images Mental Ray R©Mental Ray ist eine eigenstandige Rendersoftware der Firma Mental Images, diesowohl als Standalone-Variante als auch als integraler Bestandteil verschiede-ner Modellierungssoftware, wie 3D Studio Max oder Maya vertrieben wird. MitMental Ray lassen sich sowohl komplexe, naturalistische als auch stilisierte,comicartige Szenen berechnen. Mit der Software stehen eine Vielzahl unter-schiedlicher Lichtsimulationsverfahren zur Verfugung, bei denen Lichtstrahlenoder Photonen in ihrer naturlichen Verhaltensweise simuliert und manipuliertwerden konnen. Mental Ray enthalt voreingestellte und in ihrer Wirkung belie-big veranderbare Materialien, die einen Schwerpunkt auf Produkt- und Archi-tekturvisualisierung setzen. Die Vielfalt der Simulationsmoglichkeiten erlaubtdabei die Kreation sowohl naturlicher als auch irreal wirkender Darstellungenund macht Mental Ray zu einer attraktiven Losung fur die Werbe- und Filmin-dustrie. Die Komplexitat der Software und Menge an moglichen Einstellungenmacht eine intensive Einarbeitung notig, fur die ein eigener Markt an Tutorienund Seminaren entstanden ist.

2.3.5 Next Limit Maxwell V2

Maxwell V2 ist die aktuelle Version des von der Firma Next Limit entwickel-ten Brute Force- Renderers. Dieser wird als Eigenstandiges Paket aus einemProgramm zur Entwicklung von Szenen, einem Materialeditor, einem Rendererund einem Netzwerkmanager ausgeliefert. Die Anbindung an gangige Model-lierungssoftware wie Maya wird unter Verwendung eines Plugins realisiert, dasdie Funktionen des Materialeditors, einer Materialbibliothek und die Ansteue-rung der Rendersoftware innerhalb des verwendeten Modellierungsprogramms

24http://images.autodesk.com/emea dach main germany/files/maya 2010 product brochure a4 de.pdf25http://www.blender.org/development/architecture/26http://www.gnu.de27http://www.blender.org/features–gallery/features/

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zuganglich macht. Wird das Rendern eines Bildes in Auftrag gegeben, wird au-tomatisch die vorhandene Szene im Maxwell-Format *.mxs exportiert und imRenderer geladen. Die Qualitat des Ergebnisses ist von der Anzahl der Wieder-holungen abhangig, mit der das Bild berechnet wird. Damit liegt zunachst einzufalliges Bildrauschen vor, das mit steigender Anzahl sogenannter Sampling-Level verschwindet und ein zunehmend klareres Bild hervorbringt. Die FirmaNext Limit unterhalt eine Internetplattform28, die ein Diskussionsforum, eineSammlung von Tutorien sowie eine kostenlose Tauschborse fur Material-Dateienbietet. Letztere ist in der aktuellen Version 2.1 aus der Materialbibliothek desRenderers einsehbar und es konnen Materialien von dort in die eigene Biblio-thek eingepflegt werden. Der Zuspruch der Besucher und Wettbewerbe in derErstellung von speziellen Materialien hat eine Vielzahl von gebrauchsfertigenMaterialdateien hervorgebracht, die im Bereich der Architektur- und Produkt-visualisierung eingesetzt werden konnen.

2.4 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden die in der Produktion eingesetzten Techniken sowieHard- und Software behandelt. Zu Hard- und Software muss erwahnt werden,dass es sich dabei um Produkte handelt, die jeweils in einer bestimmten Diszi-plin Hochstleistungen erbringen konnen. Diese Fahigkeit schlagt sich auch in derPreisgestaltung nieder. Grundsatzlich kann das im praktischen Teil der Diplom-arbeit eingesetzte Verfahren oder auch z.B. die vorgestellte Mirrorball- Tech-nik auch unter Verwendung gunstigerer Produkte aus dem Comsumer-Bereichdurchgefuhrt werden. In der Regel resultiert diese Moglichkeit allerdings in ei-nem hoherem Zeitbedarf, der in einer industriellen Produktion jedoch nichtgedeckt werden kann.

28http://www.maxwellrender.com/

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3 High Dynamic Range-Imaging

Die Anfertigung eines HDR-I (High Dynamic Range-Image) geschieht mit demZiel, die Bandbreite der Bildinformationen eines Motivs zu erfassen, ohne dabeiauf die Grenzen der Darstellbarkeit Rucksicht nehmen zu mussen. In diesemKapitel werden zunachst einige Grundlagen erarbeitet, die die Bedeutung derHDR Technik fur die Fotografie veranschaulichen. Es wird die Entstehung einessolchen Bildes im Hinblick auf den Einsatz als Lichtquelle anhand eines Bei-spiels erklart. Dazu werden mehrere deckungsgleiche Einzelbilder angefertigt,die spater digital zu einem Gesamtbild mit hohem Dynamikumfang verschmol-zen werden. Außerdem wird die Optimierung eines HDR-I fur die Betrachtungauf Wiedergabemedien mit niedrigem Dynamikbereich erlautert.

3.1 Grundlagen

In diesem Abschnitt wird erklart, welche technischen Vorzuge die HDR-Fotografiegegenuber der konventionellen Technik hat. Dazu werden einige Grundlagen derFotografie vermittelt und Messgroßen eingefuhrt, mit denen diese Vorteile be-schrieben werden konnen.

3.1.1 Fotografie

Die Aufnahme einer Fotografie ist naturgemaß an Rahmenbedingungen gekop-pelt, die von der physikalischen Beschaffenheit des Aufnahmemediums abhangen.In der klassischen analogen Fotografie sind es die kristallinen Partikel auf derFilmoberflache, in der digitalen Fotografie die Sensoren auf der CCD (charge-coupled device) oder CMOS(complementary metal oxide semiconductor)29 Ober-flache. Durch die Betatigung des Auslosers wird eine Reihe von Mechanismen inGang gebracht, die dazu fuhren, dass die Umgebung vor dem Objektiv fur einebestimmte Zeit, sie wird Verschlusszeit genannt, auf eine Flache im Inneren derKamera projiziert wird. In dieser Zeit tritt eine Veranderung in den kleinstenBestandteilen dieser Oberflache ein, die ein Konservieren des Abbildes zur Folgehat. In jedem Fall liegen diese Vorgange in physikalischen Grenzen, die fur dasAbbild in limitiertem farblichem Auflosungsvermogen resultieren. Das ist dar-auf zuruckzufuhren, dass die in der Verschlusszeit einfallende Lichtmenge ausunterschiedlichen Teilmengen großerer und kleinerer Lichtintensitat besteht. Dadie Helligkeit des Ausgabemediums an einer Stelle primar von der Zeit abhangt,die ein bestimmter Bereich der Umgebung auf das Medium projiziert wurde,bedingt die Belichtungsqualitat eines Bereichs gleichermaßen die eines belie-bigen anderen Bereichs des abgebildeten Motivs. Ist fur die Abbildung einerbeliebigen hellen Stelle des Motivs gerade ausreichend Zeit vergangen, ist dasnicht unmittelbar damit verbunden, dass eine dunkle Stelle des Motivs hinrei-chend Zeit hatte, um auf dem Medium eine nennenswerte Reaktion zu erwirken.Resultiert dies im verlorenen Detail, spricht man von Unterbelichtung. Umge-kehrt verhalt es sich ahnlich: Wird eine Dunkle Stelle des Motivs lange genugauf das Medium projiziert um detaillierte Helligkeitsnuancen herauszuarbeiten,

29http://www.dalsa.com/corp/markets/CCD vs CMOS.aspx

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Abbildung 12: Unterschiedliche Kontrastverhaltnisse bei 24 bit JPEG (links)und 8 bit GIF (rechts). Deutlich erkennbare Farbstufen im GIF-Bild

kann das zur Folge haben, dass eine hellere Stelle in der Zwischenzeit einerLichtmenge ausgesetzt war die zur großten darstellbaren Helligkeit gefuhrt hat.Diesen Fall bezeichnet man als Uberbelichtung.Oftmals ist bei der Aufnahme eines Motivs deshalb ein Kompromiss gefragt.Hilfreich ist hier der Belichtungsmesser der Kamera, der im AufnahmemodusAutomatik bereits fur eine von der Kamera gesteuerte Auswahl der Blendeund Belichtungszeit sorgt. Dennoch resultiert die unterschiedliche Lichtinten-sitat auf den Teilbereichen eines Motivs oft in einer Fotografie mit mangel-hafter Belichtung. Sofern dieses Ergebnis nicht beabsichtigtes Resultat eineskreativen Ausdrucks ist, eroffnet sich im darauf folgenden Entwicklungspro-zess die Moglichkeit, Dunkelkammertechniken zur Anwendung zu bringen, umTeilbereiche des Bildes heller oder dunkler erscheinen zu lassen. Ein andererLosungsansatz besteht darin, eine Anzahl Fotografien unterschiedlicher Belich-tung anzufertigen und die Teilbereiche mit den individuell besten Ergebnissenzu einem Gesamtbild zu kombinieren. Diese Techniken finden sowohl in deranalogen als auch in der digitalen Fotografie Anwendung.

3.1.2 Der Dynamikbereich

Die Menge an unterschiedlichen Farbnuancen, die in einem Motiv vorkommen,wird Motivkontrast genannt. Von dieser Informationsmenge kann nur ein Teilvon heutigen analogen und digitalen Medien abgebildet werden. Die Bandbreiteunterschiedlicher Helligkeitswerte, die ein Abbild enthalt, gibt den Dynamikbe-reich eines Bildes vor. Das Helligkeitsverhaltnis des geringsten von Schwarz ver-schiedenen Tonwerts und der großtmoglichen darstellbaren Helligkeit wird alsKontrastverhaltnis bezeichnet. Enthalt ein Bild beispielsweise 10 von schwarzverschiedene Helligkeitswerte, ist sein Kontrastverhaltnis mit 10:1 anzugeben.Das Menschliche Auge kann durch einen Anpassungsprozess an die wahrge-nomme Lichtsituation Kontrastverhaltnisse von 1:1000000 wahrnehmen [Blo08].Dieser Prozess, bei dem der Dynamikbereich auf verschiedene Hintergrundhel-ligkeiten verschoben werden kann wird Adaptation genannt [GH03].In Abbildung 12 ist das Rendering einer diffus reflektierenden Flache zu sehen,die von einer Seite großflachig beleuchtet wird. Durch die mit steigender Ent-fernung abfallende Lichtintensitat erscheint die Projektion des Leuchtkorpersals ein schwarz-weißer Helligkeitsverlauf auf der Flache. Dieses Bild wird imJPEG–Format mit einer Farbtiefe von 24 bit, und in einer zweiten Variante im

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GIF-Format mit einer Farbtiefe von 8 bit abgespeichert. Es ist zu erkennen,dass bei der 8 bit Variante offenbar eine Farbmittelwertbildung durchgefuhrtwurde, die sich in einer deutlichen Abstufung der Farbnuancen außert. Dar-aus kann man schließen, dass der offensichtlich hohere Motivkontrast durch dieKodierung in einen geringeren Farbraum komprimiert wurde und nun ein gerin-geres Kontrastverhaltnis vorliegt als bei der Vergleichsvariante. Der nutzbareDynamikbereich eines Bildes hangt also in der Digitalfotografie von der zurVerfugung stehenden Farbtiefe ab. Dennoch darf die Farbtiefe einer Bilddateinicht dazu verwendet werden, um Ruckschluss auf den Dynamikbereich einerAbbildung zu ziehen. Die Farbtiefe ist lediglich als ein Farbkasten zu verstehen,in dem eine begrenzte Anzahl Nuancen Platz findet. Ist die gewunschte Farbenicht auffindbar, wird sie durch eine artverwandte Farbe ersetzt. Ebenso kannes aber auch vorkommen, dass der zur Verfugung stehende Farbraum ungenutztbleibt. Beispielsweise wurde ein Abspeichern der 8 bit Variante in einem Formatmit 16 oder 32 bit nicht die verloren gegangenen Kontraste zuruckholen.

3.1.3 Zielsetzung HDR-I

Heutige Digitalkameras erzeugen Bilder mit Farbtiefen von bis zu 32 bit proFarbkanal. Wie viel davon tatsachlich genutzt wird, hangt zum Einen von derQualitat des Sensors und der Verarbeitung der Rohdaten durch die Betriebs-software der Kamera ab, zum Anderen spielt die Art und Weise der Belichtungdafur eine große Rolle. HDR-Bilder werden in der Regel ebenfalls mit einerFarbtiefe von 32 bit pro Farbkanal abgespeichert. Es ware jedoch nicht sinn-gemaß, bei jeder 32 bit Datei von einem hohen Dynamikbereich zu sprechen.Der Grund dafur ist, dass es im Verstandnis der HDR-I Fotografie liegt, einenvorhandenen Dynamikbereich zu erweitern und bei der Verarbeitung der Da-ten auf einen großeren Spielraum zuruckgreifen zu konnen als es ein Bild mitniedrigem Dynamikbereich zulassen wurde.Wie in Kapitel 3.1.1 angesprochen, fuhrt eine zu lange Belichtungszeit zurUberbelichtung, eine zu kurze Belichtungszeit zur Unterbelichtung. Fuhrt mandie vorteilhaft belichteten Partien der Bilder zusammen, kann das Ergebnis ei-nem optimal belichteten Bild gleichkommen und sogar dessen Moglichkeitenubertreffen. Auf dieser Grundlage wird ein HDR-I erstellt. Um ein zielgerichte-tes Verfahren beschreiben zu konnen, bedarf es an dieser Stelle einer weiterenDefinition. Es handelt sich um den Lichtwert (abk.: LW oder EV fur engl: expos-ure value). Definitionsgemaß ist 0 LW die Menge Licht, die in 1 s bei Blende 1in das Kameragehause einfallt. Fur jede Erhohung der Blende um einen Schrittoder Halbierung der Belichtungszeit wird 1 LW addiert. Daraus ergibt sich fol-gende offene Tabelle:

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Blendef1 f1.4 f2 f2.8 f4 f5.6 f8 f11 f16 . . .

4s -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 . . .2s -1 0 1 2 3 4 5 6 7 . . .

Belich- 1s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 . . .tungs- 0.5s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 . . .zeit 0.25s 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . .

0.125s 3 4 5 6 7 8 9 10 11 . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Beleuchtungstabelle: Lichtwerte im Zusammenhang mit Blende undBelichtungszeit

Der Lichtwert wird in der Praxis meist als relative Angabe verwendet. VieleKameras geben ihn im manuellen Modus in Form einer Skala an. Die Stellung

”Null“ gibt dabei die vom Belichtungssensor berechnete optimale Belichtungs-zeit an. Zielt man mit der Kamera auf einen helleren oder dunkleren Bereich,wird die Skala einen von 0 verschiedenen Wert anzeigen. Fur die Aufnahmeeines HDR-I ist die Aufnahme mit 0 LW der Ausgangspunkt. Je nach Farb-tiefe eines Einzelbildes werden weitere Aufnahmen in großeren oder kleinerenLichtwertstufen angefertigt. In den folgenden Abschnitten wird erklart, welcheAusrustung dafur benotigt, wie das Ausgangsmaterial angefertigt und zu einemHDR-I verschmolzen wird.

3.2 Die Ausrustung

Im Rahmen der Diplomarbeit wurde die Erstellung der HDR-I Panoramen aufdem Wege der Segmenttechnik durchgefuhrt. Im folgenden Abschnitt soll be-schrieben werden, welche Hilfsmittel und Techniken hierzu verwendet wurden.Zur Auswahl standen zwei unterschiedliche Kamerasysteme.

3.2.1 Canon EOS 5D (Mark 1)

Bei der Canon EOS 5D (Mark 1)(s. Abb. 13) handelt es sich um eine digitaleSpiegelreflexkamera, die mit einem Vollformat CMOS Sensor in der Grosse 35,8x 23,9 mm2 und 12,8 Megapixeln ausgestattet ist.30 Dabei sind Empfindlich-keiten von 100 - 1600 ISO moglich. An der Kamera konnen Verschlusszeitenzwischen 1/8000 s und 30 s eingestellt werden. Optional zur Bedienung ander Kamera kann die Einstellung und Auslosung auch uber verschiedene Fer-nausloser sowie einen tragbaren Computer mit entsprechender Software (EOSCapture) erfolgen. Die Bilddaten werden roh oder komprimiert auf einer CF-Speicherkarte oder im Falle der Bedienung mit EOS Capture direkt auf demRechner abgelegt.

30www.canon.de

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Abbildung 13: Canon EOS 5D

An der EOS 5D konnen unterschiedliche Objektive zum Einsatz kommen. ImRahmen der Diplomarbeit standen ein 100mm Makro-Objektiv sowie ein 50mmNormal-Objektiv(s. Abb. 14) zur Auswahl.

3.2.2 Mamiya 645 AFDII, Capture One P45

Die Mamiya 645 AFDII (s. Abb. 15) ist eine Mittelformat–Spiegelreflexkamera,die mit einer MSCE Standard Schnittstelle fur Digitalruckteile [. . .] direkt kom-patibel zu den Digitalruckteilen verschiedener Hersteller ist. [M6403]. Die Ka-mera unterstutzt Belichtungszeiten zwischen 1/4000 s und 30 s. Sie kann mitunterschiedlichen Objektiven verwendet werden, in diesem Fall standen ein 35mm Weitwinkel–Objektiv, ein 80 mm Normal - Objektiv, sowie ein 150 mmMakro - Objektiv zur Auswahl. Als Digitalruckteil kam ein P45 der FirmaPhase One31 zum Einsatz. Dieses Digitalruckteil verfugt uber einen Vollfor-mat CCD-Sensor im 4:3 Format und einer Auflosung von 39 Megapixeln. Dieeinstellbare Empfindlichkeit betragt 50 - 400 ISO. Das Digitalruckteil verfugtuber ein Laufwerk fur CF Speicherkarten, auf die es die Bilddaten im Rohfor-mat *.IIQ ablegt. Das System aus Kamera und Digitalruckteil kann von einemtragbaren Rechner uber die Software Capture One DB ferngesteuert werden,wobei optional die Auslosung und Speicherung der Daten seitens des Rechnerserfolgen.

31http://www.phaseone.com

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Abbildung 14: Canon 50 mm Normalobjektiv

Abbildung 15: Capture One P45, Mamiya 645 AFDII

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Abbildung 16: Aufbau der Ausrustung beim Panorama”Scheune“

3.2.3 Zubehor

Fur die Panorama - Aufnahmen wurde eine Reihe von Zubehor benotigt. UnterAnderem kam ein Stativ vom Typ Manfrotto 190DB (s. Abb. ??) zum Einsatz.Es ist ein Dreibeinstativ mit einer Montageplatte fur Stativkopfe und wurdemit einem Triton PH46 (s. Abb. 17) bestuckt. Dieser Kugelkopf ermoglicht demBenutzer, die darauf montierte Kamera in einem Bereich von 180◦ x 360◦ Be-trachtungswinkel einzusetzen. Ein Novoflex Castel-L-Einstellschlitten (s. Abb.17) erganzte den Aufbau.Fur die rechnergestutzte Fernbedienung der Kameras wurden zwei tragbareComputer eingesetzt. Die EOS Capture Software wurde auf einem Asus EEE -Pc 1000H betrieben. Fur die Capture One Software wurde ein Apple MacbookPro eingesetzt. Beide Systeme zeichnen sich durch eine Akkulaufzeit von meh-reren Stunden aus, der Apple Rechner verfugt daruber hinaus uber einen IEEE1394 - Anschluss, der fur den Betrieb des P45 am Rechner erforderlich ist.

3.3 Die Software

Im Folgenden soll die verwendete Software vorgestellt werden, die zur Erstellungund Bearbeitung der Fotografien eingesetzt wurde.

3.3.1 Capture One DB

Capture One DB32 ist eine Software zum Entwickeln von Kamerarohdaten desCapture One P45 Digitalruckteils. Hier kann das Raw-Format *.iiq eingelesen

32http://www.phaseone.com

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Abbildung 17: Stativkopf Triton PH46 / Einstellschlitten Novoflex Castel -L

Abbildung 18: Objektiv Mamiya 35mm / AF Drahtausloser Hama / StativManfrotto

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Abbildung 19: Benutzeroberflache PTGui

werden und fotografische Techniken wie Tonwertkorrektur und Weißabgleichdurchgefuhrt werden. Alle Anderungen eines Fotos konnen auch auf beliebigeandere Fotos ubertragen und in Form einer Stapelverarbeitung zur Anwendunggebracht und in ublichen Dateiformaten abgespeichert werden. Dazu zahlenunter anderem Targa (*.tga), Bitmap (*.bmp), Joint-Picture Experts Group(*.jpg) oder Tagged-Image File Format (*.tiff). Letzteres ermoglicht eine Spei-cherung der Bilddaten in einer Farbtiefe von bis zu 32 bit pro Farbkanal.

3.3.2 PTGui

PTGui33(s.Abb.19) ist eine kostenpflichtige Distribution verschiedener Open-Source Programme (Panorama Tools), deren Funktionsumfang uber eine ein-heitliche Benutzerschnittstelle (Gui) zuganglich gemacht wird. Mit PTGui istes moglich, große Mengen Einzelbilder automatisch zu einem Panoramabildanzuordnen und nahtlos aneinander zu fugen. Es unterstutzt zudem das Ver-schmelzen von Belichtungsreihen zu HDR-Aufnahmen, sodass die Erstellung ei-nes HDRI-Panoramas in einem Arbeitsgang durchgefuhrt werden kann. In derkostenpflichtigen Version PTGui Pro ist die Stapelverarbeitung (Batch Proces-sing) mehrerer Arbeitsauftrage moglich.

3.3.3 EXIFeditor

EXIFeditor34 ist ein kostenloses Programm, mit dem die Metadaten (Exif35-Daten, s. Abb.20) von Digitalfotografien als Textdatei exportiert, manipuliertund importiert werden konnen. Es konnen beispielsweise einzelne Parameterwie Belichtungszeit, Datum oder Autor bearbeitet werden, oder auch das Vor-schaubild (Thumbnail) verandert werden.

3.3.4 Adobe Photoshop

Photoshop CS336(s.Abb.21) ist ein universelles Bildbearbeitungsprogramm, daseine Vielzahl fotografische und gestalterische Hilfsmittel zur Verfugung stellt,

33www.ptgui.com/34http://www.heise.de/software/download/exifeditor35Exchangeable Image File Format36www.Adobe.com/Photoshop

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Abbildung 20: Benutzeroberflache EXIF Editor

Abbildung 21: Benutzeroberflache Photoshop CS3

um eine ganzheitliche Bildbearbeitung durchfuhren zu konnen. Der Funkti-onsumfang reicht von Dunkelkammertechniken uber Utensilien aus dem Be-reich der Malerei und Grafik hin zu Komposition verschiedener Bildinhalte aufder Basis von Ebenen. Photoshop enthalt zudem eine Funktion zur Erstellungvon HDR-Bildern und einige Werkzeuge zu deren Manipulation. Auch konnendreidimensionale Objekte (aus einem Modellierungsprogramm) in Photoshopimportiert werden, um eine Texturierung der Oberflache zu vereinfachen, in-dem diese mit herkommlichen Mitteln der Bildgestaltung bearbeitet wird. Esermoglicht daruber hinaus das Speichern von Dateien oberhalb der Große von 2Gb im proprietaren Format *.psb. Die aktuelle Version von Photoshop ist CS4.

3.4 HDRI-Panaromafotografie mit der Segmenttechnik

3.4.1 Einleitung

Seitens der technischen Ausrustung sind einige Maßgaben zu beachten, da-mit die deckungsgleiche Aufnahme der Belichtungssequenz gelingen kann. Um

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eine unerwunschte Bewegung der Kamera und die resultierende Veranderungdes Bildausschnitts auszuschließen, ist die Verwendung eines Dreibeinstativs zuempfehlen. Zudem sollte die Kamera trotz der Montage auf dem Stativ zwischenden einzelnen Aufnahmen nicht mehr beruhrt werden. Die beiden verwendetenKameras verfugen uber eine Belichtungsreihenautomatik, die drei Einzelbildermit unterschiedlicher Belichtung automatisch aufnimmt. Sollen jedoch beispiels-weise mehr als drei Einzelaufnahmen angefertigt werden, ist die Verwendungeiner Fernbedienung empfehlenswert, da eine Beruhrung der Kamera zwischenden Aufnahmen unerwunschte Blickwinkelunterschiede zwischen den Einzelbil-dern nach sich ziehen kann. Ublicherweise kommt hier ein tragbarer Rechnerzum Einsatz, der uber eine entsprechende Software verfugt und mit der Kameraverbunden ist. Die HDRI Fotografie ist jedoch ebenfalls mit Zugestandnissenverbunden. Das Aufnehmen einer deckungsgleichen Bildserie bringt eine Reihevon Rahmenbedingungen mit sich, die es zu beachten gilt. So geschieht dasAufnehmen der Fotos in einer Sequenz und damit in einem Zeitfenster. Zu ei-ner Vielzahl von zeitabhangigen Bestandteilen innerhalb des Motivs, wie zumBeispiel Sonne, Schatten, Wetterlage, Windbewegung in Wasser, Wolken oderVegetation geschehen noch andere mehr oder weniger vorhersehbare Ereignisse,wie Bewegung von Menschen, Tieren oder Verkehrsmitteln. Oft sind deshalbdie unterschiedlichen Belichtungsstufen nicht vollstandig deckungsgleich.

3.4.2 Positionierung und Aufnahme

Nachdem das gewunschte Motiv festgelegt ist, muss der Standort der Kame-ra bestimmt werden. Vorzugsweise ist der Ort zu wahlen, an dem die Umge-bung der Kamera unabhangig von der Wahl des Bildausschnitts gleich scharferscheint. Ein nahtloses Verschmelzen der Belichtungssequenz (Brackets) istnur dann moglich, wenn der Fokalpunkt in allen Bildern eine gleich bleiben-de Entfernung zur Kamera aufweist. Aus diesem Grund ist darauf zu achten,dass die Autofokus-Funktion der Kamera wahrend der gesamten Panorama-aufnahme deaktiviert ist. Einige Testaufnahmen mit unterschiedlichen Blendenim Modus Zeitautomatik helfen, eine geeignete Blende mit ausreichender Tie-fenscharfe zu ermitteln. Diese wird im manuellen Betriebsmodus der Kamerafur alle Belichtungsreihen der Szene ubernommen. Eine Veranderung wurde er-neut die Tiefenscharfe modifizieren und hatte somit die gleichen Folgen wie einedirekte Anderung des Fokalpunktes. Dennoch darf im Falle der Anwendung alsLicht- und Reflexionsquelle eines computergenerierten Bildes (CGI) das Pro-jektionszentrum der Aufnahme keines Falls beliebig gewahlt werden. Der vi-suelle Kontext in der Reflexion der virtuellen Gegenstande macht es deutlich.Somit ist als Standort fur das Stativ oder der Spiegelkugel im Idealfall derspatere Mittelpunkt der virtuellen Szene zu wahlen. Die Aufnahme des Hinter-grundbildes, der sogenannten ”Backplate“ zu Beginn der Produktion eroffnetdie Moglichkeit, diesen Punkt zielgerichtet zu wahlen. Ist die kugelformige Pro-jektion des Panoramas bei der Komposition eines computergenerierten Bildesnicht als unmittelbare Umgebung der Backplate zu begreifen, kommt es zu opti-schen Widerspruchen im Gesamtbild. Es ist zum Beispiel mit einer Verzeichnungder Umgebung in der Spiegelung auf der Oberflache des virtuellen Gegenstands

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Abbildung 22: Logische Problematik der Zusammengehorigkeit von Backplateund Panorama: In der Reflexion scheint das Glas in der Luft zu schweben.

zu rechnen und der Gegenstand verliert die bei der Betrachtung subjektiv er-fahrene Zugehorigkeit zum visuellen Kontext. Abbildung 22 soll erlautern, wiedieser Eindruck zu Stande kommt.Der Mittelpunkt des aufgenommenen Panoramas befindet sich im raumlichenMittelpunkt der Kapelle. Inhaltlicher Zentralpunkt der Backplate ist jedoch derabgebildete Steinaltar, auf dem die virtuellen Gegenstande angeordnet sind.Das resultiert in einer irrefuhrenden Reflexion auf den Gegenstanden. Das Glasbricht die Projektion des scheinbar hinter ihm befindlichen Altars und scheintdabei, erkennbar in der Reflexion der Kugel, in der Luft zu schweben. Ist einadaquater Zentralpunkt fur das Panorama gefunden, kann die Aufnahme vor-bereitet werden. Dazu wird zunachst das Stativ im Zentralpunkt aufgebaut unddie Montageplatte in eine waagerechte Position gebracht. Als nachstes erfolgtdie Ermittlung der Belichtungsreihe. Hier kommt der integrierte Belichtungs-messer der Kamera zum Einsatz. Die Kamera wird auf den hellsten Punktder Szene ausgerichtet und die Belichtungszeit so gewahlt, dass sich fur denLichtwert (EV) ± 0 ergibt. Diese Belichtungszeit wird notiert und das gleicheVerfahren fur den dunkelsten Punkt der Szene wiederholt. Die beiden Belich-tungszeiten ergeben die Grenzen, in denen die Belichtungsreihe aufgenommenwerden soll. Dazwischen wird eine Anzahl weiterer Belichtungszeiten festgelegt,wobei die Schritte so zu wahlen sind, dass sich eine resultierende Anderungdes Lichtwerts <2 ergibt. Da diese Grenzen den Dynamikumfang des Resultatsfestlegen, ist an dieser Stelle die Aufnahme einer Testsequenz zu empfehlen.Diese wird dann auf Vorhandensein aller gewunschten Details uberpruft undgegebenenfalls durch Erganzung weiterer Belichtungszeiten in der Sequenz an-gepasst. Fur die Verschmelzung mehrerer Aufnahmen zu einem HDR-I sindmindestens zwei Aufnahmen vonnoten. Die Obergrenze fur die Anzahl der Ein-zelaufnahmen ist dort anzusiedeln, wo der zeitliche Aufwand zur Erstellungdes gesamten Rohmaterials in einem merklichen Kontextverlust der aufeinan-der folgenden Bilder resultiert. Ein Panorama eines Ortes mit rein kunstlicherBeleuchtung, ohne Bewegung seiner Bestandteile in ihrer Postition zueinander,

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Abbildung 23: Nicht kontinuierlicher Schattenwurf zwischen zwei Belichtungs-reihen

ist von dieser Grenze nicht betroffen. Man stelle sich in diesem Zusammenhangeinen U-Bahnhof bei Nacht oder ein Opernhaus ohne Publikum vor. Viele Sze-narien enthalten jedoch veranderliche Bildinhalte. Bei einem Motiv unter freiemHimmel ist durch die Erdrotation ein sich standig veranderndes Schattenspielzu beobachten. Wenn zwischen den Einzelnen Umrundungen gleicher Hohe zuviel Zeit vergeht, konnen Abrisse im Schatten auftreten (s. Abb. 23).Es ist moglich, unter Angabe der Brennweite und der Sensorgroße die erwarteteAnzahl der Bilder zu berechnen. Voraussetzung dafur ist die strikte Einhaltungder Winkel sowie der Uberlappung zwischen den Bildern. Dazu sind Internetsei-ten mit Kalkulatoren verfugbar, die zum Teil Voreinstellungen fur verschiedeneKameratypen und Objektive enthalten, beispielsweise die Seite von Frank vander Pol 37 oder der Kalkulator auf Excel Basis von Matt Nolan38. Auf Grundder Vielzahl der verschiedenen Kameramodelle und Objektive, die zum Teil Un-terschiede zwischen moglicher und tatsachlicher Bildweite aufweisen, sind dieentsprechenden Daten beim Hersteller einzuholen und danach eine Tabelle an-zufertigen. Dieses Beispiel bezieht sich auf die verwendete Kamera Canon Eos5D:

Brenn- HFoV An- Auf- VFov An- Auf- Aufl. Bilderweite zahl losung zahl losung Pano gesamt[mm] [◦] [px] [◦] [px] [Gpx]80mm 25,36 19 62000 17,06 14 31000 1,91 26650mm 39,6 12 40000 26,9 9 20000 0,77 10835mm 54,43 9 28000 37,85 6 14000 0,4 5416mm 96,73 5 16000 73,74 3 8000 0,12 15

Tabelle: Auflosung der Panoramen in Zusammenhang mit der Brennweite.Gerundete Werte fur Bildanzahl und Auflosung

Auffallig dabei ist, dass mit abnehmender Brennweite auch die Anzahl dernotigen Bilder kleiner wird, was auf das Verhaltnis von Brennweite und Bildwin-

37http://www.frankvanderpol.nl/fov pan calc de.htm38http://www.panotools.org/mailarchive/msg/64744

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kel zuruckzufuhren ist. In der Kapelle wurde die Aufnahme mit einem 50mmObjektiv durchgefuhrt. Werden die errechneten Werte fur die Aufnahme inder Horizontalen und der Vertikalen multipliziert, ergeben sich 108 Bilder fureine Belichtungsstufe. Multipliziert mit der Anzahl der Bilder, die fur eine Ver-schmelzung zum HDR-I notig sind (in diesem Fall funf), belauft sich die Anzahlfur das Panorama der Kapelle auf 540 Bilder. Bei einem mittleren Zeitbedarfvon 12s pro Bild ist dafur ein Zeitfenster von etwa 2 Stunden zu kalkulieren.Hinzuzufugen ist hier, das solche Tabellen keinen genauen Ruckschluss auf dentatsachlichen Zeitbedarf fur den praktischen Einsatz zulassen. Es soll vielmehrvermittelt werden, in welcher Großenordnung sich die Unterschiede in Auflosungund Zeitbedarf, bedingt durch die Brennweite, außern. Dies soll die Wahl dermoglichen Objektive anwendungsgerecht eingrenzen. Der Stativkopf, in diesemFall eine Kombination aus Kugelkopf und Einstellschlitten, wird so eingestellt,dass bei Drehung der Kamera keine optische Verschiebung zwischen Vorder-,Mittel- und Hintergrund auftritt. Dies ist gewahrleistet, wenn sich der soge-nannte Nodalpunkt im Zentrum der Drehachse des Objektivs befindet. Der hierverwendete Aufbau macht es notig, diesen Punkt nach jeder Drehung um die ho-rizontale Achse neu einzustellen. Bei der Belichtung der Aufnahmen ist daraufzu achten, dass zwischen jeder Belichtungssequenz etwa 25% Uberlappung desBildinhalts vorliegt. Dies ist notig, um ausreichend Spielraum zum Auffindenmoglicher Referenzpunkte im Bild zu gewahrleisten. (siehe Kapitel 3.4.5)

3.4.3 Bildverarbeitung

In diesem Abschnitt soll dargestellt werden, wie aus den Rohdaten ein Pan-oramabild entsteht. Zunachst liegen die Fotografien in einem Rohformat39 vor.In diesem Fall handelt es sich um *.tiff Dateien. Sie sind im entsprechendenProgramm fur die Entwicklung (abhangig vom Typ der Kamera) zu offnen undzunachst auf Vollstandigkeit zu uberprufen. Das hat den Vorteil, dass fehlendeBelichtungen im Vorfeld bemerkt werden und erspart eine zeitintensive Fehler-suche innerhalb der Panoramasoftware. Wie eine fehlende Belichtung erganztwerden kann, soll im folgenden Beispiel unter Verwendung der Software EXI-Feditor und des Entwicklungsprogramms erlautert werden. Gegeben sei die fol-gende Belichtungssequenz:

1/15s 1/30s 1/60s 1/125s 1/250s

Die Aufnahme mit der Belichtungszeit 1/60 s fehlt. Sie soll erganzt werden, in-dem die Kopie einer benachbarten Fotografie nachbelichtet wird. Aus der Tabel-le (siehe S.19) wird entnommen, dass bei einer Verdoppelung der Belichtungs-zeit der Lichtwert (EV) um den Wert 1 abnimmt. Das EntwicklungsprogrammCapture One DB stellt eine Funktion zur Belichtungskorrektur zur Verfugung.Wendet man auf die Aufnahme mit 1/30 s eine Belichtungskorrektur mit +1

39Das optionale Rohformat (engl.:Raw file) und seine Dateiendung sind vom Kameraher-steller abhangig

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Abbildung 24: PTGui: Fur die CGI Anwendung wichtig: Um eine automatischeTonwertkompression zu verhindern, ist im Fenster Bracketed Exposures

”True

HDR“ zu wahlen

EV an, erhalt man ein Ergebnis, das einer Aufnahme mit 1/60 s Belichtungs-zeit entspricht. Noch fugt sich die manipulierte Aufnahme nicht vollstandig indie Belichtungsreihe ein. In den Exif-Daten ist noch der ursprungliche Wertvon 1/30 s abgelegt, dessen Anderung in Kapitel 3.4.4 beschrieben wird. Umden Arbeitsablauf im Entwicklungsprogramm abzuschließen, sind hier zunachstnoch alle gewunschten weiteren Einstellungen (z.B. Weißabgleich) vorzuneh-men. Die entwickelten Bilder konnen exportiert und in einem separaten Ordnerabgespeichert werden.

3.4.4 Bearbeitung der Exif Daten

Im Beispiel aus dem Abschnitt 3.4.3 wurde eine Bilddatei mit korrigierter Be-lichtung erzeugt. Diese Datei soll nun einen Exif-Datensatz erhalten, der ihremneuen Belichtungswert (1/60 s) entspricht. Dazu wird eine zweite Datei mit ei-ner tatsachlichen Belichtungszeit von 1/60 s benotigt. Mit dem Programm EXI-Feditor wird der Exif-Datensatz dieser Datei extrahiert und in einer *.xml Dateiabgelegt. Die Datei mit der korrigierten Belichtung wird nun in den EXIFeditorgeladen, mit dem Datensatz aus der *.xml Datei versehen und gespeichert.

3.4.5 Erzeugen eines HDR-Panoramas

Die vorhandenen Bilder sollen nun zu einem Panorama vernaht werden, einVorgang der als ”Stitching“ (to stitch: nahen) bezeichnet wird. Im ProgrammPTGui wird nun ein neues Projekt angelegt und die entwickelten Bilder dorthineingeladen. Hier ist darauf zu achten, dass das Programm die Brennweite desObjektivs und den Crop-Faktor (Verkurzungsfaktor des Bildausschnitts bedingtdurch die Sensorgroße) korrekt anzeigt (s. Abb. 24). Aus Grunden der Ubersichtsoll der Vorgang hier an zwei Belichtungsreihen veranschaulicht werden.Wenn sich im Quellordner ausschließlich Bilder dieses Panoramas befinden und

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Abbildung 25: PTGui, Image Parameters, verkurzte Darstellung: Hier befindensich neben dem verkleinerten Vorschaubild alle wichtigen EXIF-Informationensowie verschiedene Parameter bezuglich Position und Verzerrung im Panorama

die Belichtungssequenzen vollstandig sind, fasst PTGui die Sequenzen zu so-genannten HDR-Brackets zusammen, (s. Fenster in Abb. 24). Diese Funktionerleichtert dem Programm die raumliche Zuordnung der Panoramabestandteile,da es fur jede Sequenz nur eine Parameterliste erstellen muss, und beschleunigtden Prozess des Stitching. Voraussetzung dafur ist die deckungsgleiche Aufnah-me der Belichtungssequenzen. Sollte das Programm die Belichtungssequenzennicht erkennen, bietet es im Advanced- Modus (s. Abb. 19) die Moglichkeit imReiter ”Image Parameters“ (s. Abb. 25 die Sequenzen auf Vollstandigkeit zuuberprufen.Hier wird jedes geladene Bild mit allen Exif-Informationen angezeigt. Der Ha-ken in der Spalte ”Link“ deutet auf die Zuordnung zu dem ersten Bild derSequenz hin. In der Spalte ”Exposure“ ist die Belichtungszeit angegeben. Soll-te die Belichtungsreihe unvollstandig sein, ist das Verfahren aus Kapitel 3.4.3anzuwenden. Durch Drucken der Taste ”Align Images“ beginnt das Programmmit der Ausrichtung der Bilder. Der Erfolg dieses Arbeitsschrittes hangt davonab, ob das Programm innerhalb eines Bildes Strukturen der angrenzenden Bil-der ermitteln kann. Jede Referenz auf ein Nachbarbild erhalt automatisch einenKontrollpunkt, der eine eindeutige Zuordnung der Bilder untereinander zulasst.Das Programm verlangt mindestens vier Kontrollpunkte, um zuverlassig arbei-ten zu konnen.Große Flachen mit wiederkehrenden Mustern, wie zum Beispiel Stabparkett,Fliesen oder Strukturtapete weisen eine Vielzahl moglicher Referenzpunkte aufund erfordern deshalb oft ein manuelles Setzen der Kontrollpunkte. Ebensoverhalt es sich mit großen strukturlosen Flachen, wie beispielsweise glatt ver-putzte Wande oder wolkenloser Himmel. Im Idealfall ist in einem solchen Bildim Randbereich noch ein Referenzpunkt zu finden, der die eindeutige Zuord-

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Abbildung 26: PTGui, Control Points: Manuelles Setzen der Kontrollpunkte.Dies geschieht durch Bestimmung eines Bildpunkts durch einen Mausklick aufein Bild und Festlegen seines Aquivalents im anderen Bild durch einen weiterenMausklick.

nung ermoglicht. Ist dies nicht der Fall, muss das Bild manuell an seine Posi-tion geschoben werden. Dies geschieht im Fenster Panorama Editor (s.Abb.27.Hier wird eine Vorschau auf das fertige Panorama dargestellt. Der Inhalt die-ses Fensters wird standig aktualisiert und reagiert somit auf jeden gesetztenKontrollpunkt.Im Reiter Create Panorama wird die Große und das Format des Panoramas fest-gelegt. Wird dafur vorausgesetzt[Blo08], dass, fur den Transport aller notigenBildinformationen, in der Virtuellen Realitat ein 360◦ Panorama mit zum Bild-winkel proportionaler Auflosung benotigt wird, so ergibt sich dafur die Formel:

AuflosungPanorama = 360◦BildwinkelHorizontal · AuflosungBildwinkel

Der Ubersicht halber soll dafur lediglich die horizontale Auflosung betrachtetwerden. Fur die Bildwinkel der Objektive der Canon 5D ergibt sich folgendeTabelle:

Auflosung Horizontal [px]Brennweite Bildwinkel 640 1024 1280 1920 2000 4000

35mm 54,43◦ 4233 6773 8466 12699 13228 2645650mm 39,6◦ 5818 9309 11636 17455 18182 3636480mm 25,36◦ 9085 14536 18170 27256 28391 56782

Tabelle: Auflosung der Panoramen bezuglich ublicher Brennweiten /

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Abbildung 27: PTGui, Panorama Editor: Hier wird eine standig aktualisierteVorschau auf das Panorama angezeigt

Bildweiten

Vergleicht man diese Ergebnisse mit denen aus der Auflosungstabelle in Kapitel3.4.2 so ist zu erkennen, dass unter Anwendung der Segmenttechnik durchausmoglich ist, Panoramen dieser Große zu erstellen. Es sei jedoch angemerkt,dass dies fur den eingesetzten Computer ein außerst rechenintensives Unterfan-gen darstellen kann. Die hierzu benotigte Menge an Auslagerungsplatz kann inPTGui uber Project, Calculate temporary disc space im vornherein berechnetwerden. Im Rahmen der Diplomarbeit wurden Panoramen mit einer Auflosungvon bis zu 18000 x 9000 px erzeugt. Die benotigte Zeit lag dafur etwa bei zweiTagen. Der berechnete Auslagerungsplatz lag bei 37 GB. Abschließend wird un-ter Create Panorama mit Druck auf die Schaltflache ”Create Panorama“ oder

”Save and send to Batch Stitcher“ die Erstellung des Panoramabildes gestartet.Das Stitching nimmt einen Zeitraum zwischen einigen Minuten und einigen Ta-gen in Anspruch, je nach gewahlter Auflosung und in Abhangigkeit der Leistungdes eingesetzten Rechners.

3.5 Darstellbarkeit

Das vorliegende Panorama kann nun in einem Viewer (deutsch:Betrachtungs-programm) oder einem Fotobearbeitungsprogramm, wie beispielsweise Photo-shop angezeigt werden. Photoshop blendet bei der Betrachtung eines 32-bit-Formats automatisch einen Regler ein, der eine Echzeit-Belichtungskorrekturauf den angezeigten Bildausschnitt zur Anwendung bringt. Es handelt sich da-bei um eine Moglichkeit, einen Abschnitt des Dynamikbereichs des Bildes se-quenziell zu betrachten, ohne dabei permanente Veranderungen an der Farbtiefedes Bildes durchfuhren zu mussen. Es entsteht dabei der visuelle Eindruck, alswurde der Dimmer einer Lampe betatigt werden.Gleichzeitig fallt dabei auf, dass die hellen und dunklen Grenzbereiche im Bildbei unterschiedlichen Positionen des Reglers verschieden gut belichtet sind (sie-he Abbildung 28). Die visuelle Information innerhalb dieser Bereiche ist vorhan-den, jedoch mit diesen Moglichkeiten noch nicht ganzheitlich uberschaubar. Als

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Abbildung 28: Links: Die Auswirkung des Belichtungsreglers; Rechts: Tonemap-ping durch zusammenschneiden der optimal belichteten Bildausschnitte

Lichtquelle einer 3D Szene ware das Bild nun einsatzbereit. An dieser Stelle sol-len jedoch noch einige Techniken behandelt werden, die einen moglichst umfang-reichen Eindruck des Informationsgehalts des Bildes offenbaren. Es handelt sichum das Tonemapping (deutsch:Tonwertkompression). Der wesentliche Aspektder Technik hinter dem Tonemapping ist es, unterschiedliche Bildbereiche einerselektiven Belichtungskorrektur zu unterziehen, um die großtmogliche Menge anDetails fur den Betrachter auf einem Medium mit niedrigem Dynamikbereichsichtbar zu machen. In Abbildung 28 ist eine Schwingtur mit Fenstern zu sehen,hinter der sich ein Pavillon mit weiteren Fenstern befindet. Fur ein selektivesTonemapping lasst sich das Motiv in drei logische Bereiche unterschiedlicher Be-lichtung unterteilen: Innenbereich, Pavillon, Außenbereich. Beispielsweise durchMaskieren oder das Anlegen unterschiedlicher Ebenen, laßt sich jeder Bereicheingrenzen und darauf individuell Einstellungen mit dem Werkzeug ExposureValue (deutsch: Belichtungswert) anwenden. Es gibt zudem eine Vielzahl vonautomatisch operierenden Tonemapping-Algorithmen[ER05]. Diese werden un-ter anderem auf der Internetseite von Bernhard Vogl40 miteinander verglichen.Die Technik des Tonemapping ermoglicht nicht nur eine auf niedrigen Dynamik-bereich optimierte Darstellung des hohen Dynamikbereichs. Sie eroffnet zudemauch gewissen kreativen Spielraum. Zu Beginn dieses Kapitels wurde der Ver-gleich der Belichtungskorrektur mit einem Dimmer angebracht.Anhand des Beispiels in Abbildung 29 soll dieser Vergleich untermauert werden.Diese Tonemapping- Variante enthalt als Quelle lediglich ein HDR-I, dem durchMaskieren und selektiver Belichtungsanderung die Anmutung einer nachtlichenSzene verliehen wurde. Nachfolgend soll das eingesetzte Verfahren noch einmalveranschaulicht werden (siehe Abbildung 30).Dieses Verfahren beruht auf der Verwendung von mehreren Ebenen: ein heller

40www.dativ.at

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Abbildung 29: Das Potential des hohen Dynamikumfangs kann auch fur einekreative Interpretation des Bildes verwendet werden. Hier wird durch selektiveBelichtungsanderung eine neue Lichtsituation geschaffen.

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Abbildung 30: Links: Maskieren und Loschen, Rechts: Details an Fruchten undTisch

Hintergrund, der von einer dunklen Ebene verdeckt ist. Indem einzelne Bereicheder obersten Ebene maskiert und geloscht (z.B. Lampenfuß), oder mit demLoschpinsel entfernt werden (z.B. Lampenschirm), wird die darunter liegende,helle Ebene sichtbar.

3.6 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden die Grenzen der Fotografie aufgezeigt und die Be-deutung der HDR–Technik als Erweiterung ihrer Moglichkeiten herausgestellt.Es wurden die theoretischen und praktischen Grundlagen vermittelt, um einsolches Bild zu erstellen. Es wurde eine Auswahl der moglichen Ausrustungbezuglich Hard- und Software vorgestellt sowie deren Handhabung und Funkti-onsweise bei der Erstellung eines HDR- Panoramas veranschaulicht. Daraufhinwurden Techniken zum Anzeigen und Bearbeiten eines HDR-I vorgestellt. Ab-schließend wurde auf das Verfahren der Tonwertkompression eingegangen. Dasfolgende Kapitel stellt den Ergebnisteil der HDR-Panoramafotografie dar. Darinwerden die erarbeiteten Ergebnisse und deren technische Details vorgestellt.

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4 Ergebnisteil Fotografie

In diesem Kapitel werden die praktischen Ergebnisse der Panoramafotografievorgestellt. Es wurden insgesamt drei Panoramen angefertigt, die jeweils indi-viduelle Besonderheiten bei der Bearbeitung mit sich brachten. Zunachst muss-ten jeweils alle Fotografien sortiert und auf Vollstandigkeit uberpruft werden.Nach dem Ausrichten der Bilder und setzen der Referenzpunkte in PTGui wur-de an jedem Panorama jeweils eine Retusche in Photoshop durchgefuhrt. ImVordergrund stand dabei das Entfernen des Stativs sowie die Korrektur eini-ger Ungenauigkeiten und Geisterbilder. Abschließend wurden die Panoramenin unterschiedlichen Bildgroßen exportiert und ein Tonemapping durchgefuhrt.Nachfolgend sollen die Ergebnisse dieses Arbeitsablaufs vorgestellt werden. AufGrund der Vielzahl der Bilder, die als Rohmaterial in diesen Prozess eingeflossensind, werden die Belichtungsreihen an dieser Stelle nur in Auszugen gezeigt.

4.1 Bar

Bei dieser Szene handelt es sich um den Bar-Bereich eines Restaurants, daszu einem Golf-Club gehort. Hier mischen sich indirekt von außen einfallendesSonnenlicht und verschiedene direkte und indirekte Lichtquellen an Wandenund im Bereich der Regale der Bar. Die Uhrzeit der Aufnahme lag zwischen9 und 12 Uhr. Zu dieser Tageszeit wirft die Sonne kein direktes Licht in denRaum. Das sorgt in diesem Fall fur gunstige Aufnahmebedingungen, da so nichtmit harten, wandernden Schatten zu rechnen ist. Fur die Aufnahme der Belich-tungsreihen stand ein Zeitfenster von etwa drei Stunden zur Verfugung, dasdurch die Offnungszeit und vermehrtes Eintreffen der Gaste eingegrenzt wurde.

4.1.1 Bearbeitung und Ergebnisse – Bar

Im folgenden Abschnitt soll das Rohmaterial des Panoramas der Bar vorgestelltwerden. Dazu werden die Belichtungsreihen gezeigt und der Motivkontrast aneinem ausgewahlten Beispiel veranschaulicht. Da das Panorama der Bar auf-wendig retuschiert werden musste, werden einige Details herausgestellt, in denendas Bild nachbearbeitet wurde. Abschließend wird das Endergebnis in Form desfertigen Panoramas gezeigt.

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Kamera Mamiya 645 AFD II, Phase One P45Objektiv 35 mm AFBlende F/12

Belichtungsreihe 13 s / 3 s / 0,8 s / 0,2 s / 0,05sEinzelbilder 165

Auflosung Einzelbild 7216 x 5412Dateigroße 15-28 MB

Gesamtgroße Rohmaterial 3,2 GBMogliche Gesamtgroße Panorama 33096 x 16548

Tatsachliche Große Panorama 15000 x 7500Benotigter Auslagerungsplatz 37 GB

Tabelle: Technische Daten des Panoramas der Bar

Bei diesem Beispiel ist, wie in Abbildung 33 zu sehen, eine Nachbearbeitungunumganglich. Bei den auftretenden Verzerrungen und Rissen an raumlich hin-tereinander befindlichen Objekten handelt es sich um Parallaxenfehler. Dieseentstehen durch eine Blickwinkelanderung und sind durch die in Kapitel 3.4.2erlauterte Einstellung der Drehachse um den Nodalpunkt des Objektivs zu ver-meiden. Wenn dieses Verfahren nicht mit entsprechender Sorgfalt durchgefuhrtwird oder der Stativkopf zwischen den Belichtungsreihen verstellt wird, ist dieSoftware nicht mehr in Lage, den auftretenden Fehler zu korrigieren und es ent-steht die Notwendigkeit aufwandiger Nachbearbeitung. Die Retusche fur dasgesamte Panorama nahm ungefahr zwei Tage in Anspruch. In einem solchenFall ware die Neuanfertigung des Ausgangsmaterials in Erwagung zu ziehen,da dies inklusive des Stitching ein ahnliches Zeitfenster beansprucht und eineRetusche immer mit einem Qualitatsverlust verbunden ist.

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Abbildung 31: Belichtungsreihen Bar

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Abbildung 32: Belichtungsreihen zur Veranschaulichung des Motivkontrasts derBar

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Abbildung 33: Retusche am Panorama der Bar

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Abbildung 34: Panorama Bar, Endergebnis. Automatisches Tonemapping

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4.2 Scheune

Dieses Panorama wurde in einer alten Scheune aufgenommen. Da kein kunstlichesLicht in der Szene vorhanden ist, besteht die Lichtquelle aus dem Sonnenlicht,das durch eine offene Tur, ein Fenster und die Rippen eines Scheunentoresdringt. Es fallt dabei hauptsachlich auf den Boden, aber auch auf einige ander Wand lehnende Gegenstande, sowie ein Auto, das in der Ecke steht. Dahier Licht und Schatten in standiger Bewegung sind, musste die Aufnahmeder Belichtungsreihen so schnell wie moglich erfolgen. Gunstig fur die Aufnah-mebedingungen war, dass es sich bei der Scheune nicht um einen offentlichzuganglichen Raum handelt. Insgesamt wurden fur die Aufnahmen zwei Stun-den benotigt.

4.2.1 Bearbeitung und Ergebnisse – Scheune

Im folgenden Abschnitt soll das Rohmaterial des Panoramas der Scheune vor-gestellt werden. Dazu wird ein Auszug der Belichtungsreihen gezeigt und derMotivkontrast anhand eines Beispiels dargestellt. Abschließend wird das End-ergebnis in Form des fertigen Panoramas und einiger Detailausschnitte gezeigt.

Kamera Canon EOS 5DObjektiv 50 mm AFBlende F/9,1

Belichtungsreihe 4 s / 2 s / 1 s / 0,5 s / 0,25sEinzelbilder 665

Auflosung Einzelbild 4368 x 2912Dateigroße 2-7 MB

Gesamtgroße Rohmaterial 2,41 GBMogliche Gesamtgroße Panorama 38816 x 19408

Tatsachliche Große Panorama 15000 x 7500Benotigter Auslagerungsplatz 38 GB

Tabelle: Technische Daten des Panoramas der Scheune

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Abbildung 35: Belichtungsreihen Scheune

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Abbildung 36: Belichtungsreihen zur Veranschaulichung des Motivkontrasts derScheune

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Abbildung 37: Retuschearbeiten am Boden der Scheune. Entfernen des Stativsdurch Uberlagern passender Bildinhalte.

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Abbildung 38: Details des Panoramas der Scheune

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Abbildung 39: Details des Panoramas der Scheune

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Abbildung 40: Panorama der Scheune, automatisches Tonemapping

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4.3 Kaiserpfalz Gelnhausen

In dieser Szene wurde die Kapelle der Kaiserpfalz Gelnhausen fotografiert. Diesist ein historischer Gebaudekomplex, der von Kaiser Friedrich I. Barbarossa imJahre 1170 41 gegrundet wurde. Da die Mauern der Kapelle nicht vollstandigvorhanden sind und kein Dach existiert, besteht die Lichtquelle im einfallendenSonnenlicht. Bedingt durch die Jahreszeit fallt das Licht direkt in die Szene(Sommer) oder wird hauptsachlich von einer Wand reflektiert, was zu einer in-direkten Beleuchtung der Szene fuhrt (Winter). Hier sind Licht und Schattenin standiger Bewegung und somit eine schnellstmogliche Aufnahme der Belich-tungsreihen anzustreben. Da die Kaiserpfalz durch ein Museum zuganglich ist,liefen wahrend den Aufnahmen gelegentlich Besucher durch die Szene. Zudemsind im Hintergrund der Szene einige große Baume zu sehen, die in Abhangigkeitvon der herrschenden Windgeschwindigkeit mehr oder weniger in Bewegung wa-ren.

4.3.1 Bearbeitung und Ergebnisse – Kaiserpfalz

Im folgenden Abschnitt soll das Rohmaterial des Panoramas der Kaiserpfalzvorgestellt werden. Dazu werden einige Belichtungsreihen gezeigt sowie einigeausgewahlte Beispiele genannt, in denen der Motivkontrast der Szene zum Aus-druck kommen soll. Abschließend wird das Endergebnis in Form des fertigenPanoramas und einiger Detailausschnitte gezeigt.

Kamera Mamiya 645 AFD II, Phase One P45Objektiv 35 mm AFBlende F/11

Belichtungsreihe 1/8 s / 1/20 s / 1/50 s / 1/125 s / 1/320sEinzelbilder 170

Auflosung Einzelbild 7216 x 5412Dateigroße 8-34 MB

Gesamtgroße Rohmaterial 3,7 GBMogliche Gesamtgroße Panorama 38816 x 19408

Tatsachliche Große Panorama 15000 x 7500Benotigter Auslagerungsplatz 38 GB

Tabelle: Technische Daten des Panoramas der Kaiserpfalz

4.4 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden die Ergebnisse der HDR–Panoramafotografie mit derSegmenttechnik gezeigt.

41http://www.schloesser-hessen.de/schloesser/gelnhausen/gelnhausen.htm

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Abbildung 41: Auszug aus den Belichtungsreihen der Kaiserpfalz

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Abbildung 42: Belichtungsreihen zur Veranschaulichung des Motivkontrasts derKaiserpfalz

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Abbildung 43: Details des fertigen Panoramas

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Abbildung 44: Details des fertigen Panoramas

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Abbildung 45: Retusche des Panoramas der Kaiserpfalz

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Abbildung 46: Panorama der Kaiserpfalz, automatisches Tonemapping

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5 Rendering

5.1 Einleitung

In den vorangegangenen Kapiteln wurde die Relevanz des Image Based Lightingfur die Computergrafik erlautert, die Merkmale von HDR-Bildern herausgestelltsowie Panoramen mit hohem Dynamikumfang erzeugt. In diesem Kapitel wer-den verschiedene Renderer vorgestellt, in denen die zuvor erzeugten Panoramenals Lichtquelle zum Einsatz kommen sollen. Es wird die Handhabung des jewei-ligen Benutzerinterfaces dargestellt und verschiedene Parameter festgelegt, anHand derer eine Qualitatsbewertung der Renderer erfolgen soll. Dabei soll diequalitative Vergleichbarkeit der Renderer diskutiert werden.

5.2 Bildsyntheseverfahren und globale Beleuchtungsmodelle

Im folgenden Abschnitt sollen wichtige Verfahren der Bildsynthese erklart wer-den, die sich im Laufe der Zeit etabliert haben, in Abhangigkeit der verwende-ten Rendersoftware in Erscheinung treten sowie in einzelnen Falle miteinanderkombiniert werden konnen. Besonderes Merkmal einiger Verfahren ist dabei,die sogenannte global illumination (deutsch: globale Beleuchtung) zu erzeugen.Die Verfahren konnen als Losungswege der Rendergleichung [Kaj86] verstandenwerden, da sie jeweils eine Methode zur naherungsweisen Berechnung implemen-tieren.

L(x, x′) = g(x, x′) · (Le(x, x′) +∫s b(x, x′, x′′)L(x′, x′′)dx′′)

Rendergleichung nach James T. Kajiya

5.2.1 Scanline

Das Scanline-Verfahren ordnet vor dem eigentlichen Rendervorgang die in derSzene befindlichen Objekte nach ihrer Sichtbarkeit.42 Danach erfolgt eine zei-lenformige Abtastung der Szene, bei dem die Materialeigenschaften der Objektein das resultierende Bild einfließen. Da dieses Verfahren keine realistische Licht-brechung und Reflexion simuliert, wird es zur Berechnung dieser sogenanntensecondary effects (deutsch: sekundare Effekte) oft mit dem nachfolgend be-schriebenen Raytracing-Verfahren kombiniert.

5.2.2 Raytracing

Bei Raytracing handelt es sich um einen Render-Algorithmus, der die Simula-tion des in der Szene befindlichen Lichts von der Lichtquelle bis zum Bildaus-schnitt durchfuhrt. Die simulierten Lichtstrahlen haben dabei ihren Ursprungin der Betrachtungsebene und werden von dort aus zu ihrer Lichtquelle ver-folgt. Das Auftreffen auf ein bestimmtes Material bewirkt eine Fortbewegung

42http://download.autodesk.com/us/maya/2009help/index.html — Raytracing Concepts

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des Strahls unter Berucksichtigung der materialspezifischen Eigenschaften. Sokann es beispielsweise zu einer Streuung, Reflexion oder Brechung kommen,woraus eine entsprechende optische Anmutung resultiert. Die Anzahl der voll-zogenen Ereignisse auf dem Weg des Strahls wird vom Nutzer durch einenParameter in den Eigenschaften des Renderers vorgegeben und beeinflusst dieBildqualitat des Ergebnisses. Durch Kombination mit einem schnelleren Ver-fahren, beispielsweise Scanline, konnen einfachere Berechnungen (zum Beispiel:Sichtbarkeit eines Objektes) ausgelagert und dadurch beschleunigt werden43.

5.2.3 Brute-Force-Rendering

Brute-Force-Renderer wenden eine Variante der Monte-Carlo-Methode zur wie-derholten, naherungsweisen Losung der Rendergleichung an. Bei diesem Verfah-ren wird die Verfolgung der Lichtstrahlen ahnlich dem Raytracing-Verfahren an-gewandt, jedoch wird das Ergebnis durch Neuberechnung unter Voraussetzungeiner gewissen Variation sukzessiv verfeinert. Da diese Berechnung naturgemaßunendlich fortgesetzt werden konnte, wird die gewunschte Qualitat durch denNutzer bestimmt, indem die Anzahl der Wiederholungen festgelegt wird.

5.2.4 Global Illumination / Photon-Mapping

Eine Moglichkeit der globalen Beleuchtung bietet das Photon-Mapping. Bevoreine Szene durch den Renderer abgetastet und sichtbar gemacht wird, werdengroße Mengen Energietrager, Photonen genannt, aus einer Lichtquelle geschos-sen und in der Szene verteilt. Diese hinterlassen dort Spuren, indem sie vonObjekten abprallen und dabei das jeweils vorangegangene Objekt farblich refe-renzieren. Benachbarte Objekte der Szene ”farben“ dadurch aufeinander ab, einPhanomen, das auch in der Realitat zu beobachten ist. Im Bereich der compu-tergenerierten Bilder ist dies elementarer Bestandteil der sogenannten globalenBeleuchtung. Der Begriff des Photons ist dabei nicht mit der quantenphysikali-schen Interpretation des Lichts als Teilchen gleichzusetzen, da es sich, bezogenauf den Renderer, lediglich um eine abstrahierte Große handelt.

5.2.5 Final Gathering

Durch Final Gathering wird die punktuelle Helligkeit beleuchteter Flachen in-terpoliert, um ein homogenes Gesamtbild zu erreichen. Dazu wird die Helligkeitim freien Raum uber der Flache herangezogen, indem von dort aus neue Strah-len (Final Gather Rays) in die Umgebung abgegeben werden. Auf diese Weisewird globale Beleuchtung zeitlich effizient simuliert.

5.2.6 Importons

Importons sind virtuelle Partikel, die vor der eigentlichen Berechnung von derKamera aus in der Szene verteilt werden44. Sie sind nicht wie die Photonen(siehe Abschnitt 5.2.4) Energietrager, sondern sammeln Informationen uber die

43http://download.autodesk.com/us/maya/2009help/index.html — Raytracing Concepts44http://download.autodesk.com/us/maya/2009help/index.html — Importons

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Prioritat, mit der die Prozessorlast fur die nachfolgende Berechnung verteiltwerden muss. Das Entscheidungskriterium dafur ist die Genauigkeit, mit dereine Lichtmenge an einem bestimmten Punkt nachzuvollziehen ist. Diese Aus-wertung kann zur optimierten Berechnung der Photon-Map sowie der IrradianceParticles verwendet werden und stellt somit eine Ressourcen schonende Art undWeise dar, globale Beleuchtung zu simulieren.

5.2.7 Irradiance Particles

Irradiance Partikel ist die Bezeichnung fur die gesammelten Importons, die vorder Berechnung einer Szene verteilt werden. Sie tragen Informationen uber dieBestrahlungsstarke einer Oberflache der Szene. Dieses Verfahren stellt eine op-timierte Berechnung der indirekten Beleuchtung einer Szene dar. Aus diesemGrund wird die Funktionalitat der Global Illumination bei Aktivierung der Irra-diance Particles abgeschaltet und die Photonen (außer denen fur die Berechnungvon Kaustiken) durch Importons ersetzt.

5.2.8 Zusammenfassung

In diesem Abschnitt wurden einige gangige Renderverfahren beschrieben, die inheutigen Bildsyntheseprogrammen eingesetzt werden. Diese werden kontinuier-lich modifiziert, um qualitativ hochwertige Ergebnisse in immer kurzerer Zeit zuberechnen. Außer den Genannten gibt es noch weitere Verfahren, beispielwei-se Radiosity. Da diese jedoch nicht Bestandteil der hier verglichenen Renderersind, sollen sie an dieser Stelle nicht weiter behandelt werden. Das nachste Ka-pitel widmet sich den zu vergleichenden Renderern in Bezug auf Mermale undBedienung.

5.3 Renderer

In diesem Kapitel sollen die Renderer Next Limit Maxwell V2 und MentalImages Mental Ray vorgestellt werden. Dazu wird eine kurze Einfuhrung in dieBenutzeroberflache gegeben sowie einige charakteristische Merkmale hervorge-hoben. Besonders hervorzuheben ist dabei das Vorhandensein eines globalenBeleuchtungsmodells, da dies mit der Fahigkeit verbunden ist, Beleuchtungunter Verwendung eines HDR-I zu realisieren. In der verwendeten Modellie-rungssoftware Autodesk Maya45 ist ebenfalls eine Rendersoftware enthalten:Maya Software. Es handelt sich um einen Raytracer, der keine Moglichkeit zurglobalen Beleuchtung bietet. Da der angestrebte Vergleich hauptsachlich unterdiesem Kritikpunkt erfolgt, wird dieser Renderer nicht weiter untersucht.

5.3.1 Maxwell V2

Bei Next Limit Maxwell handelt es sich um einen Brute-Force-Renderer, derBilder nach der sogenannten Metropolis Light Transport-Methode [EV97] be-rechnet. Das Softwarepaket enthalt unter anderem den Renderer, einen Materia-

45www.autodesk.com

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leditor und eine Materialbibliothek und kann außerdem durch Plugins aus ver-schiedener Modellierungssoftware heraus aufgerufen werden. Hier konnen Ob-jekte mit einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien aus der lokalen oder glo-balen Maxwell-Materialbibliothek bestuckt, eigene Materialien erzeugt und derRenderauftrag gestartet werden. Maxwell sieht die Verwendung des Maxwell-Materials vor. Es ist ein Knotenpunkt, an dem unterschiedliche Materialeigen-schaften eingestellt oder uber Ebenen hinzugefugt werden konnen. Die Paletteder Moglichkeiten umfasst unter anderem die Variation der Oberflachenstruktur(zum Beispiel Rauheit), des Brechungskoeffizienten oder auch der Lichtemissionsowie der Transparenz. Daruber hinaus gibt es eine Bibliothek mit Daten furdie Berechnung komplexer Oberflachenstrukturen, wie sie beispielsweise in derBeschichtung von optischen Glasern vorkommen.Das Starten des Rendervorgangs fuhrt zum automatischen Export der Szeneim Format *.mxs und dem Start einer Maxwell Render-Instanz (s. Abb. 47), inder aus der Szene ein Bild berechnet wird. Dabei kommt das Verfahren aus Ka-pitel 5.2.3 zum Einsatz. Es außert sich fur den Nutzer dahingehend, dass nachjeder Berechnung der Szene ein sogenanntes Sampling Level erreicht ist, dassdurch eine Auffrischung des Bildschirminhalts in Erscheinung tritt. Der Render-vorgang kann jederzeit abgebrochen oder wieder aufgenommen werden. Dabeikann die Empfindlichkeit der Filmmaterials der virtuellen Kamera sowie derenBelichtungszeit jederzeit modifiziert werden. Je nach Einstellung (s. Abb. 48und 49) erhalt der Benutzer auch Zugriff auf einen Multilight genannten Licht-mixer. Hier kann jede Lichtquelle in ihrer Intensitat und farblichen Anmutungwahrend und nach dem Rendervorgang gesteuert werden (siehe Abbildung 47).

5.3.2 Mental Ray

Bei Mental Images Mental Ray handelt es sich um einen Renderer, der sowohlals Softwarepaket (Mental Ray Standalone) als auch als Plugin fur diverse Soft-ware vertrieben wird. Es ist unter anderem in Autodesk 3dsMax und AutodeskMaya 2010 enthalten. Mental Ray sieht in Abhangigkeit der Beschaffenheitdes Objekts unterschiedliche Materialien vor, die jeweils durch spezielle Eigen-schaften auf ihren Einsatzzweck vorbereitet sind. So gibt es beispielsweise furdie Imitation eines Autolacks ein Material (Mi Car Paint Phenomenon), dasdas Erscheinungsbild eines Autolacks durch Parameter wie Große und Anzahlder metallischen Partikel steuerbar macht. Da einem solchen Material jedochbeispielsweise die Moglichkeit der Einstellung des Brechungskoeffizienten fehlt,ist damit nicht moglich, das Aussehen eines Trinkglases zu simulieren. Fur die-ses Zweck ware das dielektrische Material oder das Architektur-Material inBetracht zu ziehen.Im Fenster Render Settings finden sich alle Einstellungen, die den Rendervor-gang in direkter Weise beeinflussen. Neben der Auswahl verschiedener Render-verfahren, wie beispielsweise Raytracing oder Scanline, werden hier unterschied-liche Optionen zur Bereitstellung globaler Beleuchtung angeboten (s.Abb.50und 51). Außerdem kann auf die Qualitat des Renderings Einfluss genommenwerden, indem beispielsweise die Genauigkeit der Kantenglattung verandertwerden kann (s. Abb. 52). Der Start des Rendervorgangs offnet das Render-

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Abbildung 47: Maxwell Render V2, Multilight: Im Bild oben besteht die Licht-quelle nur aus dem HDR-Panorama, im Bild unten wurde eine Lichtquelle imLampenschirm dazugeschaltet und der Hintergrund gedimmt.

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Abbildung 48: Maxwell Render V2, Einstellungen: Optionen zur Bildqualitat,Bewegungsunscharfe und Atmosphare

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Abbildung 49: Maxwell Render V2, Einstellungen: Optionen zur bildbasiertenBeleuchtung, Renderkanale und Linsensimulation

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Abbildung 50: Mental Ray: Einstellungen zur Indirekten Beleuchtung uber Glo-bal Illumination und Importons

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Abbildung 51: Mental Ray: Einstellungen zur Indirekten Beleuchtung uber Fi-nal Gathering und Irradiance Particles

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Abbildung 52: Mental Ray: Globale Qualitatseinstellungen

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Fenster der Modellierungssoftware und zeigt darin das Ergebnis an. Der Bild-aufbau geschieht schrittweise durch Berechnen des Bildinhalts der sogenanntenBuckets (deutsch: Eimer). Diese Pixelblocke werden vom Programm in einerForm abgearbeitet, die nach Moglichkeit die redundante Berechnung der Sze-nendaten vermeiden soll. Nach Abschluss dieses Vorgangs steht das Bild zurAnsicht und gegebenenfalls zur Zwischenspeicherung zur Verfugung.

5.4 Anforderungsanalyse

In diesem Abschnitt soll neben den rein objektiven Vergleichskriterien, wiebeispielsweise dem Vorhandensein einer bestimmten Simulationsfahigkeit, diesubjektive Anmutung eines computergenerierten Bildes in den Vergleich einbe-zogen werden. Dazu mussen zunachst einige Uberlegungen angestellt werden,nach welchen Maßstaben ein solcher Vergleich erfolgen kann.

5.4.1 Subjektive Vergleichbarkeit

Grundsatzlich besteht bei einem Vergleich mehrerer Renderer im Bezug aufdie Bildqualitat eine gewisse Gefahr der Voreingenommenheit. Dies hangt mitden personlichen Erfahrungen und gestalterischen Vorlieben zusammen, die sei-tens des Betrachters in die Ansicht einfließen. Das gilt vor allem fur das sub-jektive Empfinden von Realismus in Zusammenhang mit Science-Fiction- oderPhantasy-Szenarien. Die meisten Softwarefirmen, die Rendersoftware anbieten,bewerben ihr Produkt mit der Aussage, es konne fotorealistische Bilder er-zeugen. Diese Behauptung wird meistens mit einem Portfolio aussagekraftigerBilder untermauert. Die Nuancen zwischen der Qualitat des einen oder anderenProdukts sind somit sehr subtil. Aus diesem Grund wurden fur einen objektivenVergleich Gegenstande mit einem hohen Wiedererkennungswert gewahlt. DerBetrachter soll den Vergleich zur eigenen erfahrenen Realitat ziehen konnen,oder wenigstens keine Schwierigkeiten bei dem Auffinden eines Vergleichsob-jekts haben.

5.4.2 Inhaltlicher und raumlicher Kontext

Wie bereits im einleitenden Kapitel angesprochen, hat die Moglichkeit, einevirtuelle Szene unter Verwendung einer Fotografie zu beleuchten, essenzielleBedeutung fur die Glaubwurdigkeit ihrer Einbindung in echtes Filmmaterial.Der technische Vergleich mehrerer Renderer legt deshalb auch die Kompositioneiner solchen Szene nahe. Aus diesem Grund erfolgt jeweils eine Erweiterungder Szene durch einige virtuelle Gegenstande. Dies geschieht auf der Basis derverwendeten HDR-Panoramen der Bar und der Scheune. Dazu wurden bei derProduktion der Panoramen einige Backplates angefertigt, auf deren Basis dieerweiterte Szene entsteht. Basierend auf der raumlichen Distanz zwischen derKameraposition und dem inhaltlichen Mittelpunkt der Backplate sowie der Ori-entierung der Kamera, deren Brennweite und dem Fokalpunkt wurden virtuelleSzenen mit aquivalenter Bemaßung und Ausrichtung erstellt. Im folgenden Ab-schnitt werden die Szenen vorgestellt, anhand derer die Evaluation der Renderererfolgt.

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5.4.3 Objektive Vergleichbarkeit

In Abschnitt 5.2 wurden die Funktionen von Mental Ray und Maxwell Rendererlautert. Dabei wurde deutlich, dass bei der Konfiguration uber die Render-einstellungen nur ein geringer Teil vergleichbarer Bedienelemente existiert, be-spielsweise fur Bewegungsunscharfe. Daruber hinaus implementiert Mental Raymehrere Moglichkeiten, globale Beleuchtung zu generieren, keine jedoch durchBrute-Force Rendering. Maxwell hingegen arbeitet ausschließlich mit dieser Me-thode. Die Darstellung von Lichtstreuung und Fokussierung, Caustics genannt,wird in Maxwell automatisch berechnet, sobald eine Lichtquelle in die Naheeines Licht brechenden Mediums gelangt. In Mental Ray geschieht dies durchspezielle Photonen, die von einem entsprechenden Emitter ausgesendet werden,in Kombination mit den Parametern fur Caustics in den globalen Rendereinstel-lungen. Diese Umstande fuhren dazu, dass ein Vergleich nicht durch sukzessi-ve Gegenuberstellung aller aquivalenten globalen Rendereinstellungen erfolgenkann. Es muss also ein Umweg gefunden werden, um die Renderer objektivaneinander messen zu konnen. Eine stets aussagekraftige Variable fur einenVergleich stellt beispielsweise die Zeit dar. Nicht zuletzt ist sie eine wichtigeGroße in der industriellen Erstellung synthetischer Bilder, da sie elementarerBestandteil einer jeden Kostenkalkulation ist. Zudem ist sie Grundlage vielerBestrebungen, schnell qualitativ hochwertige Render-Ergebnisse uber alternati-ve Wege zu erreichen, beispielsweise uber das Photon-Mapping. Daruberhinausgibt es neben der Zeit noch weitere Kriterien, welche in der folgenden Tabellekurz zusammengefasst aufgefuhrt sind und ebenfalls fur den Vergleich herange-zogen werden.

Disziplin KriteriumAuflosung Panorama Zeit, OptikCaustics Zeit, DetailgradReflexionseigenschaften Mogliche Auflosung , Große Panorama, ZeitSchattenwurf Richtwirkung

Tabelle: Verschiedene Disziplinen, in denen die Renderer miteinanderverglichen werden

Es werden mehrere Szenen aufgesetzt, die jeweils eine bestimmte Disziplin dar-stellen, in denen die Renderer verglichen werden sollen. Um die Zielsetzung derEinzeltests zu erfullen, wird jeweils ein zweckgebundener Arbeitsablauf aus-gewahlt. Da beide Renderer fur die Beleuchtung einer Szene uber ein HDR-Panorama unterschiedliche Moglichkeiten bereithalten, werden diese Verfahrenebenfalls gegenubergestellt. Zudem soll durch Versuchsreihen ermittelt wer-den, wie sich die Qualitatseinstellungen der verschiedenen Verfahren auf diebenotigte Renderzeit auswirken.

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5.5 Testszenen

In diesem Abschnitt werden die Testszenen Bar (siehe Abbildungen 53, 54,55 und 56) und Scheune (siehe Abbildungen 57, 58, 59 und 60) vorgestellt.Dafur wird jeweils das Gittermodell, die Alpha-Maske, der Hintergrund sowiedas fertig komponierte Bild gezeigt. Der inhaltliche Zentralpunkt der Backpla-tes referenziert die Position des Stativs der HDR-Panoramen, die in Kapitel 4vorgestellt wurden.

5.5.1 Bar

Fur diese Szene (s. Abb. 56) wurde als Basis eine Tischplatte mit Glas-Materialmodelliert, die optional mit einer Tischdecke ausgestattet werden kann. Sie istdeckungsgleich mit der Glasplatte auf der Fotografie ausgerichtet worden undreflektiert das HDR-Panorama im Hintergrund. Bei der Lampe (rechts) handeltes sich um eine sogenannte Kommissarleuchte (Modell Kaiser-Idell 6631), dieim Rahmen dieser Diplomarbeit angefertigt wurde. Der Entwurf stammt vonBauhaus-Designer46 Christian Dell47. Die Glaser (links) entstanden nach einem3D-Modell von Pekdemir48.

5.5.2 Scheune

Bei dieser Szene (s. Abb. 60) wurde ein Stellplatz in einer Scheune um ein vir-tuelles Automodell erweitert. Dabei handelt es sich um den historischen Renn-wagen Auto-Union Typ C von 193649. Das 3D-Modell wurde wahrend des Be-rufspraktischen Semesters bei 3D-Maximal50 angefertigt.

5.6 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden Grundlagen der Bildsynthese vermittelt, die Ren-derer in ihrer Funktionalitat vorgestellt sowie eine qualitative Vergleichbarkeitder einzelnen Renderer diskutiert. Dazu wurden zwei virtuelle Szenen gezeigt,die jeweils einen Inhalt haben, der Bestandteil der realen Szene sein konnte.Auf dieser Basis werden Mental Ray und Maxwell im folgenden Kapitel mit-einander verglichen. Alle vorgestellten Einstellungen werden hinsichtlich ihrerAuswirkung auf das Ergebnis und die Renderzeit hin untersucht.

46http://www.unesco.de/311.html?&L=047www.kaiseridell.de48http://www.turbosquid.com/Search/Artists/Pekdemir49http://de.wikipedia.org/wiki/Auto-Union-Rennwagen50www.3dmaximal.com

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Abbildung 53: Bar-Szene: Drahtgittermodell in der perspektivischen Ansicht(Autodesk Maya)

Abbildung 54: Bar-Szene: Alpha-Kanal der Szene. Die weiße Flache entsprichtdem sichtbaren Teil des gerenderten Bildes

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Abbildung 55: Bar-Szene: Hintergrundbild (Backplate)

Abbildung 56: Bar-Szene: Komposition der Backplate und des gerenderten Bil-des (Maxwell Render)

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Abbildung 57: Scheunen-Szene: Drahtgittermodell in der perspektivischen An-sicht (Autodesk Maya)

Abbildung 58: Scheunen-Szene: Alpha-Kanal der Szene. Die weiße Flache ent-spricht dem sichtbaren Teil des gerenderten Bildes

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Abbildung 59: Scheunen-Szene: Hintergrundbild (Backplate)

Abbildung 60: Scheunen-Szene: Komposition der Backplate und des gerendertenBildes (Mental Ray)

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6 Ergebnisteil Rendering

In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Renderer Mental Ray und MaxwellV2 vorgestellt und miteinander verglichen. Zunachst werden die Moglichkeitenbeschrieben, mit denen ein Image Based Lighting System in einer Szene aufge-setzt werden kann. Darin wird unter anderem der Zusammenhang zwischen derAuflosung des Panoramas und der benotigten Renderzeit untersucht. Weiter-hin werden Verfahren zur Simulation von Kaustiken vorgestellt und die Qua-litat der erzeugten Schatten und Reflexionen bewertet. Fur die Bewertung istdabei grundsatzlich auch die Zeit von Bedeutung, die fur das Erreichen einerbestimmten Qualitatsstufe benotigt wird.

6.1 Erzeugen einer Image-Based-Lighting-Umgebung

Fur das Erzeugen einer bildbasierten Beleuchtung gibt es unterschiedliche Ansatze.Grundsatzlich wird dabei ein Bild mit hohem Dynamikumfang Bestandteil ei-ner Szene, indem es auf einem geometrischen Objekt als farbgebende Texturzum Einsatz kommt. Der Renderer interpretiert diesen Aufbau, indem die Ob-jekte der Szene farblich aufeinander abstrahlen und damit globale Beleuchtungentsteht. Fur die Verwendung als Leuchtmittel kommen grundsatzlich immerdiejenigen Objekte in Frage, die mit der Projektionstechnik des verwendetenHDR-Is harmonieren. Spharische, kubische oder orthogonale Projektion sinddie gangigen Varianten. Bei Bedarf kann eine Projektionsart auch nachtraglichgeandert und daraus die benotigte Variante erzeugt werden. Hierfur kann bei-spielweise das in Kapitel 2.1.2 vorgestellte Programm HDR-Shop eingesetztwerden. Im Rahmen der Diplomarbeit wird die Umgebung erzeugt, indem einPanorama spharisch auf eine Kugel projiziert wird. Dieses System wird durchentsprechende Optionen in den Rendereinstellungen von Maxwell und MentalRay automatisch erzeugt, kann aber auch durch manuelles Erstellen einer dieSzene umgebenden Sphare realisiert werden. Als zusatzliche Lichtquelle wirddurch planare Projektion auf eine Flache ein sogenannter HDRI-Cookie erzeugt[Blo08]. Um harten Schatten zu generieren, wird im Zusammenhang mit bild-basierter Beleuchtung oft eine direktionale Lichtquelle eingefuhrt. Diese wird inihrer Position und Ausrichtung der Position der Sonne im Panorama angepasst.Somit ergibt sich ein Aufbau, der beliebige Veranderungen an der Lichtinten-sitat und Farbe der Sonne zulasst, ohne dabei auf einen hohen Dynamikum-fang des Hintergrundpanoramas angewiesen zu sein. Allerdings kann bei einementsprechenden Dynamikumfang ein Helligkeitsmaximum innerhalb des HDR-Panoramas als Lichtquelle interpretiert werden und im Rendering auch in Formvon hartem Schattenwurf in Erscheinung treten.

6.2 Testbedingungen

Um Vergleichbarkeit zu ermoglichen, werden in diesem Abschnitt die techni-schen und softwareseitigen Rahmenbedingungen dargestellt.

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Prozessoren 2x Intel Xeon E5520Taktfrequenz 8x 2260 MhzHauptspeicher DDR3-1066

Kapazitat 6 x 2 GB

Technische Daten des eingesetzten Testsystems

Software VersionAutodesk Maya Version 2009

Maxwell Render V2 Version 2.01Autodesk Maya Version 2010

Mental Ray Version 3.7.53

Eingesetzte Programme und deren Versionen

Als Betriebssystem kam Windows XP Professional x64, Service Pack 2 zum Ein-satz. Die Bildkomposition wurde in Adobe Photoshop CS4 durchgefuhrt. Daseingesetzte System kann als aktuelle Mittelklasse-Grafikworkstation bezeich-net werden, reprasentiert somit eine industriell weit verbreitete Generation vonGeraten.

6.3 Qualitatseinstellungen

In diesem Abschnitt sollen grundlegende Qualitatseinstellungen der Renderervorgestellt werden, um einen Einblick in deren Wirkungsweise zu gewahren.In Maxwell wird die Bildqualitat am Sampling Level gemessen, in Mental Raysollen reprasentativ die Einstellungen fur Final Gathering in Verbindung mitAnti-Aliasing vorgestellt werden. Es wird dabei nicht naher auf die Erstellungeiner Beleuchtung mit Global Illumination uber Photonen eingegangen. DieseMoglichkeit ist in Betracht zu ziehen, muss allerdings fur eine optimale Funktionin einem geschlossenen Raum stattfinden, da hier eine optimale Verteilung derPhotonen uber die Szene gewahrleistet ist. Da keine Wande vorhanden sind, diedie Photonen reflektieren konnten, fuhrt ein Rendering mit Global Illuminationzu einem ungleichmaßigen Ergebnis (siehe Abbildung 61).

6.3.1 Ergebnisse

In Abbildung 62 werden unterschiedliche Sampling Levels in Maxwell miteinan-der verglichen. Deutlich zu erkennen ist dabei der Ruckgang des Bildrauschensmit steigendem Sampling Level. Generell ist die Geschwindigkeit dieses Vor-gangs hauptsachlich von der Anzahl der Lichtquellen sowie Große und Umfangder Szene abhangig. Die benotigte Renderzeit steigt in diesem Fall nahezu ex-ponentiell mit jeder Stufe. Eines der von Mental Ray unterstutzten globalen Be-leuchtungsmodelle ist Final Gathering (siehe Abbildung 63). Es hat sich gezeigt,

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Abbildung 61: Global Illumination uber ein HDR-Panorama mit 2 Mio. Photo-nen)

dass bei einer hohen Accuracy (nahe 1000) eine ebenfalls hohe Point Interpo-lation zu unerwunschten hellen Flecken an Kanten fuhren kann. In diesem Fallsind diese zwischen Lampenfuß und Tischkante zu erkennen. Wird hingegegeneine vergleichsweise niedrige Point Interpolation gewahlt, treten solche Bereichenicht auf. Das Bildrauschen, welches auch in Mental Ray zu beobachten ist, hierhauptsachlich auf der Tischplatte zu erkennen, kann durch den Parameter Anti-Aliasing (s. Abb. 64) gemindert werden. Zudem werden Objektkanten gefiltert,wodurch sie sich weniger von ihrer Umgebung abheben und ein insgesamt ho-mogenes Bild erzeugen. Mit jedem Schritt, den der Parameter angehoben wird,steigt die Anzahl der Berechnungsstufen exponentiell und ist dadurch mit einerstark zunehmenden Renderzeit verbunden (siehe auch Abbildung 65.

6.4 Reflexionseigenschaften

In diesem Abschnitt soll die Qualitat der Reflexionen beurteilt werden, die alsSpiegelung des Panoramas in virtuellen Gegenstanden auftauchen. Dies soll amBeispiel der Tischplatte der Bar-Szene geschehen. Es wurden dazu mehrerePanoramen mit unterschiedlichen Auflosungen generiert.

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Auflosung Panorama Dateigroße2000 x 1000 px 6 MB5000 x 2500 px 37 MB7500 x 3750 px 83 MB10000 x 5000 px 144 MB7500 x 7500 px 166 MB8000 x 8000 px 188 MB12500 x 6250 px 221 MB10000 x 10000 px 289 MB15000 x 7500 px 318 MB

Dateigroße in Abhangigkeit der Auflosung

Heutige Computersysteme fur den 3D-Grafikbereich (siehe Kapitel 2.2) verfugenuber genug Hauptspeicher, um auch großflachige und damit speicherintensivePanoramen in den Rendervorgang einbinden zu konnen. Aus diesem Grundsoll anhand mehrerer Testszenen mit verschiedenen Varianten der bildbasier-ten Beleuchtung untersucht werden, ob und wie die Auflosung der Panoramendie notwendige Renderzeit affektiert. Dazu wurde die Bar-Szene mit den un-terschiedlichen Varianten der bildbasierten Beleuchtung in Mental Ray undMaxwell ausgeleuchtet. Es wurden jeweils eine totale Perspektive der Tisch-platte und eine Detailansicht des Lampenfußes erstellt. Das Panorama wurdezum Vergleich auf einer Sphare und als Bestandteil der Rendereinstellungen indie Szene integriert. Diese Varianten wurden in beiden Renderern berechnet.Somit kann eine Auswertung der Methoden innerhalb des Renderers sowie einVergleich der Renderer untereinander erfolgen.

6.4.1 Ergebnisse und Diskussion

In diesem Abschnitt sollen die Ergebnisse des Renderns mit unterschiedlichenPanoramagroßen (siehe Abbildungen 66 bis 73) diskutiert werden. Dazu wer-den zunachst die Methoden innerhalb der Renderer verglichen. Wie anfangserwahnt, ist es bei beiden Renderern moglich, uber die Rendereinstellungeneinen primitiven Korper mit einem HDR-Panorama zu erzeugen, der als Licht-quelle einer Szene dienen kann. Bei beiden handelt es sich um einen spharischenKorper und damit um die gleiche Form, die auch fur ein manuell erstelltesIBL-Panorama in der Regel bevorzugt wird. Es ist anzunehmen, dass bei ei-nem Vergleich dieser Methoden untereinander ahnliche Ergebnisse zu erwartensind. Dies konnte jedoch in keinem der Renderer bestatigt werden. Zunachstsoll naher auf Mental Ray eingegangen werden, insbesondere auf die moglicheAuflosung. In den Rendereinstellungen lasst sich der IBL-Shape (die automa-tisch erzeugte Sphare) mit Panoramen aller verfugbaren Auflosungen (s. Tabel-le am Kapitelanfang) bestucken. Die Renderzeit (im Modus Final Gathering)steigt dabei kontinuierlich mit der Auflosung des Panoramas an, bis sie bei15000 x 7500 px 42 min. in Anspruch nimmt. Die manuell erzeugte Sphareunterstutzt hingegen keine Auflosungen uber 10000 x 10000 px, produziert je-doch weitgehend gleichbleibende Renderzeiten von etwa 4 min. Daruberhinaus

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ist der optische Gesamteindruck dieser Variante gegenuber der automatischerzeugten deutlich besser. Feine Details wie beispielsweise die Spiegelung derGlaser der Vitrine im Hintergrund sind deutlich zu erkennen (s. Abb. 69). Diesteigende Auflosung des Panoramas außert sich in zunehmend scharferen Re-flexionen, oberhalb von 7500 x 7500 px sind jedoch kaum Unterschiede zu er-kennen. Zu der manuell erzeugten Sphare ist anzumerken, dass ihre Lichtquellenicht von der Rendereinstellung Global Illumination interpretiert werden kann,da sie keine Photonen emittieren kann. Alle sonstigen Lichtquellen in MentalRay verfugen uber eine entsprechende Option zur Photonenemission. Bei Max-well Render sind ebenfalls Unterscheide zwischen der manuell erzeugten Sphareund der Einstellung uber das Register Environment (siehe Kapitel 5.3.1) zubemerken. Auch hier resultieren in Abhangigkeit von der Beleuchtungsvarian-te unterschiedliche Renderzeiten, die jedoch nicht mit der Auflosung variieren(automatisch: 6 min, manuell: 30 min) Auffallig ist, dass bei der manuellenVariante keine Lichtbrechung innerhalb der Flussigkeit in den Glasern zu beob-achten ist. Bei der Losung uber das Environment fallt auf, dass die Reflexionenin der Tischplatte vergroßert dargestellt sind (vergl. Abb. 68 und 72). Dies istdarauf zuruckzufuhren, dass die Ausdehnung des Hintergrundes in Maxwell inAbhangigkeit von der Brennweite berechnet wird. Das Hintergrundbild wur-de mit einer Mittelformat-Kamera mit 35mm Objektiv fotografiert. Da es sichdabei um eine Fotografie handelt, deren Bildausschnitt auf Grund des Crop-Faktors der Kamera der Darstellung einer 22mm Kleinbildkamera entspricht,entsteht bei der virtuellen Kamera mit 35mm Objektiv eine fehlerhafte Dar-stellung. Wird die virtuelle Kamera auf 22mm Brennweite gestellt, ist zwardie Großenordnung wiederhergestellt, jedoch verandert dies auch die Optik derdargestellten Gegenstande erheblich.

6.5 Caustics

Maxwell und Mental Ray bieten unterschiedliche Moglichkeiten, kaustische Re-flexionen zu simulieren. Bei beiden Renderern muss dazu zunachst eine gerichte-te Lichtquelle auf einen transparenten Korper scheinen, in dessen Einstellungenein Brechungsindex hinterlegt ist. Bei Maxwell mussen daruber hinaus die vierFlags fur Caustics (s. Abb. 49 in Kapitel 5.3.1) in den Rendereinstellungen ak-tiviert sein. Um diese Effekte in Mental Ray zu erzeugen, muss die Lichtquellekaustische Photonen emittieren. Durch Aktivierung von Global Illumination,Importons oder Irradiance Particles werden die Photonen in die Berechnungder Szene eingebunden und der Effekt wird durch Projektion des gebrochenenLichts auf einer Oberflache sichtbar. Diese muss, um eine genaue Beurteilungder Effekte zu ermoglichen, diffus reflektieren. Aus diesem Grund wurde dieSzene um eine Tischdecke erganzt, deren Material keine eigenen spiegelndenReflexionen erzeugt. Die Lichtquelle wurde raumlich innerhalb des Lampen-schirms platziert und ist auf ein leeres Cocktailglas gerichtet. Es handelt sichum ein HDRI-Cookie, bei dem die Belichtungsreihe einer 25 Watt Gluhlampeals Motiv dient.

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6.5.1 Ergebnisse und Diskussion

Um das Verhalten kaustischer Reflexionen zu simulieren, wurden in Mental Raymehrere Verfahren angewandt. Diese sind in Abbildung 74 dargestellt. Die Ver-wendung eines HDR-I als Teil des Leuchtmittels geschieht dabei unabhangigvom Arbeitsablauf, der zur Simulation der Kaustiken angewandt wird. Diesist darauf zuruckzufuhren, dass die Leuchtmittel Area-Light, Point-Light undSpot-Light Photonen zur Berechnung der Kaustiken emittieren. Deren Farbge-bung und Intensitat wird dabei von eigenen Parametern gesteuert und ist nichtvom verwendeten HDR-I abhangig zu machen. Dieses kann wiederum zur reinenBeleuchtung der Umgebung verwendet werden. Da diese Photonen fur einen de-taillierten Effekt grundsatzlich in großen Mengen zur Anwendung kommen, istes nicht sinnvoll, die globale Beleuchtungssphare Photonen fur die Simulationvon Kaustiken emittieren zu lassen. Vielmehr ist es in Erwagung zu ziehen, einegerichtete Lichtquelle lokal Photonen aussenden zu lassen. Auf diese Art kannder Rechenaufwand gering gehalten werden. Fur das Umgebungslicht der Sze-ne wurde ein Image-Based-Lighting-System mit Final Gathering realisiert. EinTeil der Szenen wurde ohne das HDRI-Cookie gerendert, da es fur die Kaus-tiken nicht erforderlich ist. In Maxwell Render wird ein grundlegend anderesSystem fur die Erstellung von Kaustiken angewendet. In Maxwell gibt es keineObjekte, die exklusiv als Lichtquelle dienen. Vielmehr kann jedes Material miteinem Emitter ausgestattet werden, wodurch dessen Flachen Licht in Richtungder Flachennormalen abgeben. Im Idealfall wird dafur eine einzelne Flache ver-wendet, da komplexere Objekte als Emitter einen hoheren Rechenaufwand nachsich ziehen (siehe Maxwell Handbuch). Ein Material mit einem Emitter kannnach unterschiedlichen Modellen konfiguriert werden. Beispielsweise kann auchein HDR-I die Gestaltung der Lichtform ubernehmen. Intensitat und Farbe wer-den dann von der Fotografie bestimmt. In Abbildung 75 ist ein Rendering mitHDR-I Environment und HDR-Cookie in seine unterschiedlichen Render-Layer(s. Rendereinstellungen Maxwell) aufgeteilt worden. Deutlich ist dabei die Artder Reflexionen in Abhangigkeit von der Verfolgungstiefe zu erkennen. Eineunterschiedliche Detailstufe resultiert, wie in der Abbildung zu sehen, nicht ineiner Zeitersparnis. Es ist daher in diesem Anwendungsfall nicht sinnvoll, ein-zelne Layer abzuschalten. Eine weitere Konfiguration der Kaustiken ist uberden Renderer nicht moglich. Deren Auflosung wird durch den Betrachtungs-abstand und der Detailgrad durch die Anzahl der Sampling Levels bestimmt.Bei Sampling Level 15 entsteht der Eindruck eines bis auf den Fuß des Gla-ses weitgehend rauschfreien Bildes. Es hat sich herausgestellt, dass auch durcheine hohere Sampling-Stufe keine Verbesserung eintrat. Der Zusammenhang be-steht vielmehr in der Beleuchtung durch den HDR-I Cookie. Sobald dieser imMultilight abgeschaltet wird, verschwindet das Bildrauschen.

6.5.2 Auswertung

Beide Renderer konnten unter Beweis stellen, dass sie in der Lage sind, hoch-auflosende Panoramen als Basis fur eine bildbasierte Beleuchtung zu verwen-den. Maxwell ist in dieser Hinsicht flexibler, weil keine Grenze fur die mogliche

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Auflosung auftrat. Mental Ray liefert auch in der Nahaufnahme scharfe Re-flexionen, limitiert allerdings die Verwendung der manuellen Beleuchtung uberHDR-I auf Final Gathering. Bei der Simulation der Kaustiken konnen ebenfallsbeide uberzeugende Ergebnisse liefern. Die Bildberechnung erfolgt in MentalRay deutlich schneller, zudem ist es flexibler zu konfigurieren, da die Auflosungund Details der Kaustiken uber die Photonenanzahl bestimmt werden konnen.Dennoch wirkt das Ergebnis von Maxwell realistischer, obwohl dafur ein ho-her Rechenaufwand in Kauf genommen werden muss. Ein Grund fur die rea-litatsnahe Anmutung der Maxwell Renderings liegt in der hohen Verfugbarkeitvon spezialisierten Materialien. Zudem kann es intuitiv bedient werden, da vieleMaterialparameter physikalische Entsprechungen in der Realitat aufweisen. Sokann beispielsweise ein Leuchtkorper uber eine in Kelvin gemessene Lichttempe-ratur oder eine Leistungsaufnahme in Watt konfiguriert werden. Die Geschwin-digkeit der Berechnung von Bildern in Mental Ray ist in vielen Fallen Maxwelluberlegen. Dieser Umstand ist darauf zuruckzufuhren, dass eine Vielzahl vonEinzelaufgaben in Mental Ray speziell an eine Szene angepasst wird und da-durch eine individuelle Losung entstehen kann, die einen Großteil unnotigerBerechnungen umgeht. Oft ist deshalb bei der Optimierung einer Mental RaySzene sehr viel Erfahrung gefragt, weil subtile Details fehlen, die der bewuss-ten Wahrnehmung leicht entgehen. Beispielsweise wird bei der Bildkomposi-tion oft der sogenannte Ambient-Occlusion-Pass (Umgebungsverdeckung, vgl.Kap. 5.3.2) hinzugefugt, da eine Szene mit globaler Beleuchtung die subti-len dunklen Verlaufe in Ecken und zwischen einander zugewandten Objektenvermissen lasst. Diese Details werden von Maxwell automatisch generiert undmussen nicht erneut berechnet werden. Zusammenfassend lasst sich sagen, dassMaxwell eher auf das Rendern eines einzelnen, zusammengefassten Passes aus-gelegt ist, wahrend Mental Ray dazu einladt, die einzelnen Bildbestandteile imspateren Compositing zu vereinen. Zwar ist eine intensive Einarbeitung in dieFunktionalitat des Renderers notig, allerdings fuhrt die Optimierung einer Sze-ne fur Mental Ray zu verhaltnismaßig niedrigen Renderzeiten, die es als Losungfur Animationen pradestiniert. Fur Standbilder eignet sich hingegen Maxwellbesser, da sich in kurzer Bearbeitungszeit ein Ergebnis mit hochwertigem Ge-samteindruck darstellen lasst, das auch einer langeren Begutachtung standhalt.

6.6 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden unter Verwendung der zuvor erstellten Szenen, Testrei-hen durchgefuhrt. Dabei wurden unterschiedliche Techniken beschrieben, mitdenen globale Beleuchtung innerhalb der Renderer erzeugt werden kann. An-hand dessen konnte die Qualitat der globalen Beleuchtungsmodelle von Maxwellund Mental Ray miteinander verglichen werden. Im nachfolgenden Kapitel folgtdie Zusammenfassung aller Ergebnisse dieser Diplomarbeit und ein Ausblick indie Zukunft des Image-Based-Lighting.

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Abbildung 62: Das Bildrauschen nimmt mit steigenden Sampling Levels ab(Maxwell Render)

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Abbildung 63: Die Einstellung der Qualitat des Final Gathering geschieht durchdas Zusammenspiel von Accuracy und Point Interpolation (Mental Ray)

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Abbildung 64: Die Option Anti-Aliasing bewirkt nicht nur Kantenglattung son-dern entfernt auch Bildrauschen auf Flachen (Mental Ray)

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Abbildung 65: Accuracy: 1024, Point Interpolation: 20, Anti-Anliasing: 6x, t:1h 51min

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Abbildung 66: Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I ubereine Sphare (links) und den IBL-Shape (rechts) (Mental Ray)

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Abbildung 67: Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I ubereine Sphare (links) und den IBL-Shape (rechts) (Mental Ray)

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Abbildung 68: Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I ubereine Sphare (links) und den IBL-Shape (rechts) (Mental Ray)

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Abbildung 69: Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I ubereine Sphare (links) und den IBL-Shape (rechts) (Mental Ray)

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Abbildung 70: Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I uberSphare (links) und Environment (rechts) (Maxwell Render)

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Abbildung 71: Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I uberSphare (links) und Environment (rechts) (Maxwell Render)

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Abbildung 72: Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I uberSphare (links) und Environment (rechts) (Maxwell Render)

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Abbildung 73: Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I uberSphare (links) und Environment (rechts) (Maxwell Render)

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Abbildung 74: Kaustische Reflexionen unter Variation der Umgebungsbeleuch-tung (Mental Ray)

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Abbildung 75: Unterschiedliche Tiefe der Strahlenverfolgung im Zusammenhangmit Kaustiken (Maxwell Render)

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7 Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung dieser Diplomarbeit war es, die globalen Beleuchtungsmodelle un-terschiedlicher Bildsyntheseprogramme im Hinblick auf ihre Leistungsfahigkeitbezuglich der bildbasierten Beleuchtung zu untersuchen und zu vergleichen.Im Vordergrund stand dabei die Verwendung von Maxwell Render V2, stell-vertretend fur Brute-Force-Rendersoftware und Mental Ray als reprasentativeSoftwaresuite die eine Vielzahl von Methoden fur die Erstellung globaler Be-leuchtung vereint.Dazu wurden zunachst die unterschiedlichen Werkzeuge und Methoden derHDR-Fotografie erklart. Daraufhin wurden mehrere HDR-Panoramen unterVerwendung der Segment-Technik erstellt sowie passende Hintergrundbilderfotografiert. Auf dieser Basis entstanden mehrere Testzenen, die jeweils umvirtuelle Inhalte erweitert wurden. Anhand dieser Szenen entstanden mehrereTestreihen, in denen die Renderer Maxwell V2 und Mental Ray in unterschied-lichen Disziplinen der bildbasierten Beleuchtung verglichen werden konnten.Es hat sich herausgestellt, dass die konzeptionellen Unterschiede der Programmezu unterschiedlichen Starken und Schwachen fuhren, die das jeweilige Programmfur einen bestimmten Verwendungszweck pradestiniert erscheinen lassen. ImRahmen dieser Diplomarbeit wurden alle produktionsrelevanten Schritte furunterschiedliche, alternative Arbeitsablaufe durchgefuhrt und beschrieben. Esist ein Leitfaden fur die Konzeption und Erstellung einer Szene unter Verwen-dung einer Image-Based-Lighting-Umgebung entstanden.Die bildbasierte Beleuchtung virtueller Szenen wird auch kunftig ein interessan-tes Thema bleiben. Mit der kontinuierlichen Leistungssteigerung von Grafikpro-zessoren werden kunftig auch hochauflosende Panoramen Teil von Echtzeitsi-mulationen sein, beispielsweise in den immer realistischer werdenden Compu-terspielen. Im Fotografie-Bereich wird es fruher oder spater auch fur die breiteBevolkerung vollautomatische Losungen geben, HDR-Aufnahmen zu generie-ren. Besonders Bildschirmsysteme haben sich in den letzten Jahren stark ent-wickelt und es ist denkbar, dass es kunftig einen Standard fur HDR-I fahigeMonitore geben wird, insbesondere in Wechselwirkung mit HDR-Video Medi-en.

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Literatur

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[Opp09] Opper, Mischa: Prozessoptimierte Darstellung von virtuellen Fahr-zeugmodellen durch den Einsatz von HDRI und IBL. Friedberg-Hessen,D : Fachhochschule Gießen Friedberg, 2009

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Abbildungsverzeichnis

1 Ausschnitte aus Herr der Ringe c©New Line Pictures, Inc.2 . . . 12 Raumschiff Enterprise 1966 und 2009 c©Paramount Pictures3 . . 23 Darstellung einer Szene mit Beleuchtung durch ein HDR-Panorama

(Maxwell Render) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Aufstellung und Sichtweise des Fisheye Objektivs . . . . . . . . . 65 Zwei Kamerapositionen bei der Mirrorball-Technik . . . . . . . . 76 Mirrorball-Technik: Auseinanderfalten der Bilder in HDRShop . 87 Mirrorball-Technik: Uberblenden der Bilder mit Photoshop . . . 88 Mirrorball-Technik: Entfernen der storenden Bildinhalte, hier bei-

spielsweise der Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Fertiges Panorama mit der Mirroballtechnik . . . . . . . . . . . . 910 Die One Shot Technik von außen und aus der Sicht der Kamera . 1011 Die Segmenttechnik. Die Brennweite und die Segmentgroße sind

umgekehrt proportional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1112 Unterschiedliche Kontrastverhaltnisse bei 24 bit JPEG (links)

und 8 bit GIF (rechts). Deutlich erkennbare Farbstufen im GIF-Bild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

13 Canon EOS 5D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2114 Canon 50 mm Normalobjektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2215 Capture One P45, Mamiya 645 AFDII . . . . . . . . . . . . . . . 2216 Aufbau der Ausrustung beim Panorama

”Scheune“ . . . . . . . . 23

17 Stativkopf Triton PH46 / Einstellschlitten Novoflex Castel -L . . 2418 Objektiv Mamiya 35mm / AF Drahtausloser Hama / Stativ

Manfrotto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2419 Benutzeroberflache PTGui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2520 Benutzeroberflache EXIF Editor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2621 Benutzeroberflache Photoshop CS3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 2622 Logische Problematik der Zusammengehorigkeit von Backplate

und Panorama: In der Reflexion scheint das Glas in der Luft zuschweben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

23 Nicht kontinuierlicher Schattenwurf zwischen zwei Belichtungs-reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

24 PTGui: Fur die CGI Anwendung wichtig: Um eine automatischeTonwertkompression zu verhindern, ist im Fenster Bracketed Ex-posures

”True HDR“ zu wahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

25 PTGui, Image Parameters, verkurzte Darstellung: Hier befindensich neben dem verkleinerten Vorschaubild alle wichtigen EXIF-Informationen sowie verschiedene Parameter bezuglich Positionund Verzerrung im Panorama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

26 PTGui, Control Points: Manuelles Setzen der Kontrollpunkte.Dies geschieht durch Bestimmung eines Bildpunkts durch einenMausklick auf ein Bild und Festlegen seines Aquivalents im an-deren Bild durch einen weiteren Mausklick. . . . . . . . . . . . . 33

27 PTGui, Panorama Editor: Hier wird eine standig aktualisierteVorschau auf das Panorama angezeigt . . . . . . . . . . . . . . . 34

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28 Links: Die Auswirkung des Belichtungsreglers; Rechts: Tonemap-ping durch zusammenschneiden der optimal belichteten Bildaus-schnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

29 Das Potential des hohen Dynamikumfangs kann auch fur einekreative Interpretation des Bildes verwendet werden. Hier wirddurch selektive Belichtungsanderung eine neue Lichtsituation ge-schaffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

30 Links: Maskieren und Loschen, Rechts: Details an Fruchten undTisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

31 Belichtungsreihen Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4032 Belichtungsreihen zur Veranschaulichung des Motivkontrasts der

Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4133 Retusche am Panorama der Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4234 Panorama Bar, Endergebnis. Automatisches Tonemapping . . . . 4335 Belichtungsreihen Scheune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4536 Belichtungsreihen zur Veranschaulichung des Motivkontrasts der

Scheune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4637 Retuschearbeiten am Boden der Scheune. Entfernen des Stativs

durch Uberlagern passender Bildinhalte. . . . . . . . . . . . . . . 4738 Details des Panoramas der Scheune . . . . . . . . . . . . . . . . . 4839 Details des Panoramas der Scheune . . . . . . . . . . . . . . . . . 4940 Panorama der Scheune, automatisches Tonemapping . . . . . . . 5041 Auszug aus den Belichtungsreihen der Kaiserpfalz . . . . . . . . 5242 Belichtungsreihen zur Veranschaulichung des Motivkontrasts der

Kaiserpfalz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5343 Details des fertigen Panoramas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5444 Details des fertigen Panoramas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5545 Retusche des Panoramas der Kaiserpfalz . . . . . . . . . . . . . . 5646 Panorama der Kaiserpfalz, automatisches Tonemapping . . . . . 5747 Maxwell Render V2, Multilight: Im Bild oben besteht die Licht-

quelle nur aus dem HDR-Panorama, im Bild unten wurde ei-ne Lichtquelle im Lampenschirm dazugeschaltet und der Hinter-grund gedimmt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

48 Maxwell Render V2, Einstellungen: Optionen zur Bildqualitat,Bewegungsunscharfe und Atmosphare . . . . . . . . . . . . . . . 63

49 Maxwell Render V2, Einstellungen: Optionen zur bildbasiertenBeleuchtung, Renderkanale und Linsensimulation . . . . . . . . . 64

50 Mental Ray: Einstellungen zur Indirekten Beleuchtung uber Glo-bal Illumination und Importons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

51 Mental Ray: Einstellungen zur Indirekten Beleuchtung uber Fi-nal Gathering und Irradiance Particles . . . . . . . . . . . . . . 66

52 Mental Ray: Globale Qualitatseinstellungen . . . . . . . . . . . . 6753 Bar-Szene: Drahtgittermodell in der perspektivischen Ansicht

(Autodesk Maya) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7154 Bar-Szene: Alpha-Kanal der Szene. Die weiße Flache entspricht

dem sichtbaren Teil des gerenderten Bildes . . . . . . . . . . . . 7155 Bar-Szene: Hintergrundbild (Backplate) . . . . . . . . . . . . . . 72

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56 Bar-Szene: Komposition der Backplate und des gerenderten Bil-des (Maxwell Render) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

57 Scheunen-Szene: Drahtgittermodell in der perspektivischen An-sicht (Autodesk Maya) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

58 Scheunen-Szene: Alpha-Kanal der Szene. Die weiße Flache ent-spricht dem sichtbaren Teil des gerenderten Bildes . . . . . . . . 73

59 Scheunen-Szene: Hintergrundbild (Backplate) . . . . . . . . . . . 7460 Scheunen-Szene: Komposition der Backplate und des gerenderten

Bildes (Mental Ray) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7461 Global Illumination uber ein HDR-Panorama mit 2 Mio. Photonen) 7762 Das Bildrauschen nimmt mit steigenden Sampling Levels ab (Max-

well Render) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8263 Die Einstellung der Qualitat des Final Gathering geschieht durch

das Zusammenspiel von Accuracy und Point Interpolation (Men-tal Ray) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

64 Die Option Anti-Aliasing bewirkt nicht nur Kantenglattung son-dern entfernt auch Bildrauschen auf Flachen (Mental Ray) . . . . 84

65 Accuracy: 1024, Point Interpolation: 20, Anti-Anliasing: 6x, t: 1h51min . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

66 Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I ubereine Sphare (links) und den IBL-Shape (rechts) (Mental Ray) . . 86

67 Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I ubereine Sphare (links) und den IBL-Shape (rechts) (Mental Ray) . . 87

68 Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I ubereine Sphare (links) und den IBL-Shape (rechts) (Mental Ray) . . 88

69 Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I ubereine Sphare (links) und den IBL-Shape (rechts) (Mental Ray) . . 89

70 Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I uberSphare (links) und Environment (rechts) (Maxwell Render) . . . 90

71 Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I uberSphare (links) und Environment (rechts) (Maxwell Render) . . . 91

72 Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I uberSphare (links) und Environment (rechts) (Maxwell Render) . . . 92

73 Vergleich der Qualitat der Beleuchtung mit einem HDR-I uberSphare (links) und Environment (rechts) (Maxwell Render) . . . 93

74 Kaustische Reflexionen unter Variation der Umgebungsbeleuch-tung (Mental Ray) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

75 Unterschiedliche Tiefe der Strahlenverfolgung im Zusammenhangmit Kaustiken (Maxwell Render) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

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