Transforme um JPG em um arquivo Ultra HDR com gain map

O que um gain map realmente é

Um JPEG comum descreve o brilho em uma escala que termina no branco. Uma tela com alto alcance dinâmico pode ficar consideravelmente mais clara do que esse branco — várias vezes mais clara em áreas pequenas — e o formato não tem como dizer quais partes da imagem devem usar essa margem.

Um gain map é a instrução que faltava. É uma segunda imagem menor em tons de cinza, armazenada junto da primeira, na qual cada valor informa quanto brilho adicional a parte correspondente da imagem deve receber, expresso em stops. Um renderizador com margem multiplica; um renderizador sem ela ignora tudo e exibe a imagem base. Essa é a ideia inteira, e sua elegância está no fato de o arquivo degradar perfeitamente: em uma tela de 2012, ele é simplesmente um JPEG.

O Google distribuiu isso como Ultra HDR com o Android 14. O contêiner é um diretório XMP que nomeia as duas imagens, mais um índice Multi-Picture Format — o padrão CIPA originalmente escrito para câmeras estereoscópicas — que fornece o deslocamento em bytes da segunda imagem. As fotografias HDR da Apple usam a mesma ideia básica, e a ISO 21496-1 desde então a formalizou.

A versão honesta de “converter SDR em HDR”

Buscar essa frase produz uma grande quantidade de software que promete adicionar alcance dinâmico a uma fotografia finalizada. O que está sendo adicionado é uma interpretação, não informação.

Quando uma câmera estoura uma alta luz, todos os canais daquele pixel registram 255 e não há nada por trás dele. Nenhum processo posterior recupera o que o sensor não registrou; o máximo que um upscaler ou um modelo generativo pode fazer é inventar algo plausível, o que pode servir para um papel de parede, mas desqualifica a imagem em qualquer lugar onde ela deva servir como evidência.

Esta ferramenta faz outra coisa: decide, pixel a pixel, quanto da margem da tela deve ser concedido às altas luzes que realmente existem e registra essa decisão no formato que todo pipeline HDR atual lê. Em uma tela HDR, o resultado é uma versão mais clara e mais tridimensional da mesma fotografia — uma janela que parece uma janela, e não um retângulo branco; um reflexo com algum brilho. Em qualquer outra tela, ele é, byte a byte, a mesma imagem com que você começou.

Isso é uma melhoria real e modesta, e a diferença entre dizer isso e dizer “converta suas fotos em HDR verdadeiro” é a razão de toda esta seção existir.

Por que apenas as altas luzes

A maneira mais comum de criar um gain map ruim é aplicar ganho em todos os lugares. É fácil, torna a imagem obviamente diferente e parece que alguém aumentou o brilho da tela — que é precisamente o que aconteceu. Alcance dinâmico trata da distância entre as partes escuras e as partes claras, portanto elevar as duas extremidades igualmente não acrescenta alcance dinâmico.

A curva aqui é zero abaixo de cerca de 35 por cento da luminância linear e aumenta gradualmente acima desse ponto com um smoothstep, então meios-tons e sombras não recebem ganho algum, e o efeito se concentra onde ficam as altas luzes especulares: uma janela, o sol na água, uma borda cromada, uma fonte de luz no enquadramento. O recibo informa o ganho máximo que a imagem realmente solicitou, normalmente bem abaixo do limite predefinido — uma fotografia sem altas luzes intensas recebe pouquíssimo ganho, independentemente do preset escolhido, e esse é o comportamento correto, não uma falha.

Os três presets são suave at um ponto, padrão at 2 pontos, forte at 3 pontos. Três stops correspondem aproximadamente ao que a câmera de um celular atual registra nativamente, portanto esse é o limite superior honesto para um mapa sintetizado; acima disso, o resultado deixa de parecer uma fotografia.

O que há dentro do arquivo

A saída é um único JPEG. Lendo-o pela frente: o marcador de início da imagem, um cabeçalho JFIF, um pacote XMP que declara um diretório de contêiner com dois itens — um Primary e um GainMap com seu comprimento exato em bytes —, depois um segmento Multi-Picture Format contendo um índice de duas entradas, e então os dados comuns comprimidos da imagem SDR. Depois do marcador de fim da imagem, segue um segundo JPEG completo: o gain map, com metade da resolução linear, contendo seu próprio XMP com os parâmetros de que um renderizador precisa — o ganho máximo em stops, a gama, os deslocamentos e o intervalo de capacidade.

Dois números nessa estrutura precisam corresponder à realidade ou tudo fica inerte: o comprimento declarado do gain map e o deslocamento em bytes no índice MPF, que é medido a partir de uma origem dentro do próprio segmento MPF, e não a partir do início do arquivo. Essa origem relativa é a parte que toda implementação erra pelo menos uma vez.

Por isso, a ferramenta lê sua própria saída novamente antes de disponibilizá-la. Ela analisa novamente o XMP e verifica se os dois itens foram declarados; segue o deslocamento MPF e verifica se ele chega a um marcador de início de imagem JPEG; compara o comprimento declarado com os bytes realmente presentes; e confirma que o gain map contém uma versão e um valor máximo. Cada uma dessas constatações é impressa no recibo. Se alguma falhar, nada é produzido — um arquivo cujos cabeçalhos mentem sobre o próprio conteúdo falha em outro lugar, mais tarde, de uma forma que ninguém relaciona de volta a esta etapa.

Onde você verá e não verá o efeito

O efeito aparece no Android 14 e posteriores, no Google Photos e no Chrome; em versões recentes do iOS e do macOS, no Photos e no Safari, quando a tela tem margem HDR; e no Chrome em um monitor HDR de computador. Um monitor de escritório comum não tem margem HDR para usar, então mostra corretamente a imagem base e nada parece acontecer.

Esse também é o limite do que pode ser verificado aqui. Nada que esteja sendo executado em uma aba do navegador pode medir a luminância máxima da sua tela ou testar o renderizador de outro dispositivo, portanto a ferramenta informa o que verificou — o contêiner — e não sugere nada sobre o que não verificou. Quando uma página deste site não pode verificar uma afirmação, ela diz isso; a mesma regra está por trás da recusa do gerador de QR em prometer que uma câmera específica lerá uma impressão específica.

Softwares que não entendem gain maps — um visualizador de computador antigo, um fluxo de impressão, a maioria dos sistemas de gerenciamento de conteúdo — veem um JPEG com dois segmentos de metadados desconhecidos e exibem a imagem base. É o formato funcionando como foi projetado. Algumas ferramentas removerão os segmentos adicionais ao salvar novamente, eliminando o HDR silenciosamente; se um arquivo precisar atravessar um pipeline, verifique-o na outra ponta.

Custo e quando não vale a pena

Um gain map acrescenta aproximadamente 15 a 30 por cento ao arquivo. Gain maps são naturalmente suaves e comprimem bem, e metade da resolução linear é visualmente indistinguível da resolução total porque o mapa é multiplicado contra uma imagem de resolução total.

Não vale a pena criar um para uma imagem sem altas luzes intensas — um interior iluminado por igual, um céu cinza uniforme, uma digitalização de documento. Não há nada para a margem fazer, o recibo dirá que o ganho máximo ficou próximo de zero, e você terá pago pelo tamanho adicional do arquivo sem obter nada. Vale muito a pena para um pôr do sol, uma janela, uma cena noturna com fontes de luz, ou qualquer coisa que contenha água ou metal no enquadramento.

Uma fotografia realmente escura é um problema diferente e precisa do clareador, que altera os pixels vistos por todos, em vez de alterar o que uma tela compatível faz com eles. E, como acontece com toda ferramenta aqui que recodifica, a saída não carrega metadados da fonte: nenhuma localização, nenhuma câmera, nenhum número de série — a ferramenta de metadados é o lugar para ver o que um arquivo contém antes de decidir o que fazer a respeito.