HDRI i panoramy sferyczne w wizualizacjach oraz wirtualnych spacerach

Czym jest HDRI i skąd bierze się nazwa

Skrót HDRI pochodzi od angielskiego High Dynamic Range Image, czyli obraz o wysokim zakresie dynamiki. Zwykłe zdjęcie zapisuje jasność każdego piksela na 8 bitach na kanał, więc ma 256 poziomów od czerni do bieli. Wszystko, co jaśniejsze od bieli, staje się po prostu bielą. Okno, lampa i niebo tracą informację o tym, jak bardzo są jasne.

Obraz HDRI zapisuje jasność w liczbach zmiennoprzecinkowych. Piksel nieba może mieć wartość kilka razy większą od białej ściany, a piksel słońca tysiące razy większą. Dla programu 3D to różnica zasadnicza: wie, skąd pada najsilniejsze światło, jak mocne są cienie i jakie barwy odbijają się w szkle i metalu.

• HDRI jako sposób zapisu to dowolny obraz o rozszerzonym zakresie jasności,
• w wizualizacjach słowo HDRI prawie zawsze oznacza panoramę sferyczną 360 na 180 stopni,
• taka panorama otacza scenę 3D jak kopuła i świeci na nią ze wszystkich stron.

Zakres dynamiki sceny w działkach przysłony

Zakres dynamiki mierzy się w działkach ekspozycji, oznaczanych EV. Każda działka to dwukrotna zmiana ilości światła. Matryca dobrego aparatu rejestruje w jednym zdjęciu około 12 do 14 EV, kamera sferyczna zwykle mniej. Tymczasem wnętrze z oknem w słoneczny dzień potrafi mieć różnicę kilkunastu działek, a scena plenerowa z widocznym słońcem ponad 20 EV.

Dlatego jednym naświetleniem nie da się zapisać ani dobrego HDRI, ani wnętrza z czytelnym widokiem za oknem. Trzeba połączyć kilka zdjęć zrobionych z różnym czasem naświetlania. W spacerze robi się to po to, żeby okno nie było białą plamą. W HDRI po to, żeby zachować rzeczywistą jasność źródeł światła.

Bracketing ekspozycji przy panoramach HDRI

Bracketing to seria zdjęć tego samego kadru z różną ekspozycją. Aparat albo kamera robi je jedno po drugim, bez ruszania statywu. Program łączy je w jeden obraz o pełnym zakresie jasności.

Do panoramy wnętrza do spaceru wystarcza zwykle 3 do 5 ekspozycji co 1 do 2 EV. Do HDRI służącego jako oświetlenie, zwłaszcza w plenerze ze słońcem, robi się 7 do 9 ekspozycji co 2 EV, a przy samym słońcu dochodzi jeszcze najkrótszy czas z filtrem szarym, bo inaczej tarcza słońca pozostaje przepalona.

• stała przysłona i stała czułość, zmienia się tylko czas naświetlania,
• stały balans bieli, ustawiony ręcznie, a nie automatycznie,
• zapis w RAW, jeśli aparat lub kamera na to pozwala,
• wyzwalanie zdalne, żeby nie poruszyć statywu między klatkami,
• jak najmniej ruchu w kadrze: chmury, liście i ludzie dają duchy na połączonym obrazie.

Formaty EXR i HDR

Panoramy HDRI zapisuje się najczęściej w dwóch formatach. OpenEXR, z rozszerzeniem .exr, przechowuje dane w liczbach zmiennoprzecinkowych o połowie albo pełnej precyzji, czyli 16 lub 32 bity na kanał, i obsługuje różne rodzaje kompresji bezstratnej. Radiance HDR, z rozszerzeniem .hdr, jest starszy i lżejszy, zapisuje kolor z jednym wspólnym wykładnikiem dla trzech kanałów. Oba formaty czytają Blender, 3ds Max, Cinema 4D, Unreal Engine i większość silników renderujących.

Plik HDRI 16K w EXR potrafi zajmować kilkaset megabajtów. Do samego oświetlenia sceny wystarcza zwykle 4K lub 8K, bo światło rozkłada się miękko. Wyższa rozdzielczość jest potrzebna dopiero wtedy, gdy panorama ma być widoczna jako ostre tło albo w odbiciach na gładkich powierzchniach.

Oświetlenie sceny HDRI w Blenderze i innych programach 3D

W Blenderze HDRI podłącza się w ustawieniach świata. Do węzła tła dodajesz węzeł tekstury środowiska, wskazujesz plik EXR albo HDR i ustawiasz siłę światła. Obrót panoramy zmieniasz węzłem mapowania wokół osi Z, co pozwala ustawić słońce tak, żeby padało z właściwej strony. Ten sam mechanizm działa w silnikach Cycles i EEVEE, przy czym w Cycles odbicia i cienie od HDRI są fizycznie dokładniejsze.

W innych programach zasada jest identyczna, różni się tylko nazwa obiektu. W 3ds Max i Cinema 4D z popularnymi silnikami renderującymi HDRI wczytuje się do światła kopułowego albo do środowiska. W Unreal Engine służy do tego tło HDRI albo światło nieba z mapą. Zawsze chodzi o to samo: kula wokół sceny, która świeci jasnością zapisaną w pliku.

• ustaw ekspozycję i siłę świata tak, żeby biała ściana nie była przepalona,
• obracaj HDRI, zamiast przesuwać kamerę, gdy chcesz zmienić kierunek światła,
• dodaj osobne słońce, jeśli HDRI ma przycięte najjaśniejsze piksele,
• sprawdź horyzont HDRI względem podłogi sceny, bo przechylona panorama krzywi odbicia.

HDRI do oświetlenia a zdjęcie sferyczne do spaceru

Obie rzeczy wyglądają podobnie na płaskim podglądzie, ale służą innym celom i mają inne wymagania. HDRI ma oddać fizyczną prawdę o świetle. Zdjęcie sferyczne do spaceru ma dobrze wyglądać na ekranie telefonu i szybko się wczytać.

Zdjęcie do spaceru przechodzi przez mapowanie tonalne: szeroki zakres jasności zostaje ściśnięty do 8 bitów tak, żeby widać było i wnętrze, i widok za oknem. To dobry obraz dla człowieka, ale słaby dla programu 3D, bo straconej informacji o jasności nie da się już odzyskać. Więcej o samym formacie zdjęć piszemy na stronie zdjęcia 360.

Kiedy jedno zdjęcie sferyczne służy obu celom

Da się to połączyć, jeśli zaplanujesz sesję z myślą o obu wynikach. Robisz pełny bracketing w RAW z jednego miejsca, z wysokości oczu, ze stałym balansem bieli. Z tych samych klatek łączysz najpierw plik EXR z pełnym zakresem jasności, a potem z EXR robisz mapowaną tonalnie wersję JPG do spaceru.

Taki zestaw przydaje się deweloperom i architektom. HDRI z działki albo z pustego lokalu oświetla wizualizację projektu prawdziwym światłem z tego miejsca, a JPG z tej samej sesji trafia do spaceru po stanie obecnym. Gdy budynek powstanie, kolejny spacer pokazuje gotowe wnętrza. Więcej o tym zastosowaniu piszemy na stronie dla deweloperów.

• kamera sferyczna z trybem bracketingu w RAW nadaje się do HDRI wnętrz i prostych plenerów,
• do HDRI ze słońcem lepszy jest aparat z rybim okiem na głowicy panoramicznej,
• zawsze zachowuj surowe klatki, bo z nich zrobisz obie wersje,
• do spaceru wgrywasz tylko JPG, plik EXR zostaje w pracowni.

Lista kontrolna sesji HDRI i panoram do spaceru

• statyw wypoziomowany, a kamera zawsze w tym samym punkcie dla całej serii,
• przysłona, czułość i balans bieli ustawione ręcznie,
• 3 do 5 ekspozycji do spaceru, 7 do 9 do HDRI ze słońcem,
• najkrótszy czas sprawdzony na histogramie, bez przepalonych źródeł światła,
• RAW zapisany obok JPG,
• EXR do programu 3D, JPG 2 do 1 do przeglądarki spacerów,
• przed publikacją spaceru zamazane twarze i tablice rejestracyjne.

Jeśli potrzebujesz tylko zdjęć do spaceru, nie musisz znać się na HDRI: wystarczy kamera z trybem HDR albo fotograf 360 z Twojego miasta. Sprzęt porównujemy w tekście o tym, jaką wybrać kamerę sferyczną do wirtualnych spacerów.