HDR【高動(dòng)態(tài)范圍成像】

                                                                                                                                              --HDR在相機(jī)中的應(yīng)用及發(fā)展

高動(dòng)態(tài)范圍成像（英語：High Dynamic Range Imaging，簡(jiǎn)稱HDRI或HDR），在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與電影攝影術(shù)中，是用來實(shí)現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術(shù)更大曝光動(dòng)態(tài)范圍（即更大的明暗差別）的一組技術(shù)。高動(dòng)態(tài)范圍成像的目的就是要正確地表示真實(shí)世界中從太陽光直射到最暗的陰影這樣大的范圍亮度。

高動(dòng)態(tài)范圍成像最初只用于純粹由計(jì)算機(jī)生成的圖像。后來，人們開發(fā)出了一些從不同曝光范圍照片中生成高動(dòng)態(tài)范圍圖像的方法。隨著數(shù)碼相機(jī)的日漸流行以及桌面軟件變得易于使用，許多業(yè)余攝影師使用高動(dòng)態(tài)范圍成像的方法生成高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景的照片，但是，不要將這作為它唯一的用途，實(shí)際上高動(dòng)態(tài)范圍還有許多其它的應(yīng)用。 

當(dāng)用于顯示的時(shí)候，高動(dòng)態(tài)范圍圖像經(jīng)常要進(jìn)行色調(diào)映射，并且要與其它幾種全屏顯示效果（full screen effect）一起使用。

在1997年的SIGGRAPH上，Paul Debevec提交了題為“從照片中恢復(fù)高動(dòng)態(tài)范圍輻射圖”的論文。這篇論文描述了按照不同的曝光設(shè)置對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行拍照，然后將這些采用不同曝光的照片組合成高動(dòng)態(tài)范圍圖像。這種高動(dòng)態(tài)范圍圖像可以捕捉從黑暗的陰影到亮光源或者高反光的更大動(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)景。

在一年之后的SIGGRAPH 98上，Debevec又提交了一篇論文“將人造物體渲染成真實(shí)場(chǎng)景：溝通基于圖像的傳統(tǒng)圖形與全局照明以及高動(dòng)態(tài)范圍照片”。在這篇論文中，他使用以前的技術(shù)對(duì)光滑的鉻球照相以生成他所稱作的“l(fā)ight probe”，即本質(zhì)上的高動(dòng)態(tài)范圍環(huán)境圖。然后將這個(gè)light probe用于合成場(chǎng)景的渲染。與普通的環(huán)境圖簡(jiǎn)單地提供反射或者折射信息不同，light probe還提供了場(chǎng)景中的照明，實(shí)際上，這是唯一的光源。這種方法實(shí)現(xiàn)了一種前所未有的真實(shí)感效果，為整體照明模型提供了真實(shí)世界的照明數(shù)據(jù)。 

一些數(shù)碼相機(jī)的生產(chǎn)商近年來不斷地研發(fā)HDR技術(shù)，在相機(jī)中內(nèi)置能夠拍攝出高動(dòng)態(tài)范圍的硬件與軟件。日本的富士公司早在2004年就推出了高動(dòng)態(tài)范圍的SuperCCD SR，這款影像傳感器使用一半像素來記錄正常亮度，另一半用來記錄畫面的暗部，使畫面獲得更多的細(xì)節(jié)，這項(xiàng)技術(shù)也應(yīng)用于富士旗下的數(shù)碼單反。隨后其他品牌的數(shù)碼單反也都各自推出自己的提高影像動(dòng)態(tài)范圍的技術(shù)，例如佳能公司的高光優(yōu)先模式、尼康公司的Active D-Lighting技術(shù)、索尼公司的D-Range Optimizer、賓得公司的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大功能等?，F(xiàn)在各廠家的很多小型數(shù)碼相機(jī)也開始置入了這項(xiàng)功能。

對(duì)于合成一張HDR照片需要拍攝多少張照片并沒有一定的規(guī)則，因?yàn)檫@主要由場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍決定:動(dòng)態(tài)范圍越大，拍攝者就需要拍攝更多的照片來使曝光覆蓋這個(gè)范圍。同樣的，對(duì)于每張照片的曝光間隔也沒有規(guī)定。這里的例子以1檔為曝光增量，這便保證了照片序列有一個(gè)較大的曝光范圍以覆蓋場(chǎng)景總的動(dòng)態(tài)范圍。然而，拍攝者也可以使拍攝的照片曝光以2檔為增量，這樣拍攝較少的照片就可以覆蓋最亮至最暗部的曝光范圍。

多次曝光HDR成像

在查看高動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)候經(jīng)總是會(huì)遇到一個(gè)問題，CRT、LCD、打印機(jī)以及其它圖像顯示方法只能顯示有限動(dòng)態(tài)范圍的圖像。因此，人們開發(fā)了各種將高動(dòng)態(tài)范圍圖像“轉(zhuǎn)換”成可以查看的圖像的方法，這些方法統(tǒng)稱為“色調(diào)映射”。

早期的色調(diào)映射非常簡(jiǎn)單，這些方法設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍窗口，按照最大值、最小值對(duì)圖像進(jìn)行裁剪。最近出現(xiàn)的方法試圖顯示更大的動(dòng)態(tài)范圍，一些更加復(fù)雜的方法已經(jīng)在研究人眼及視神經(jīng)感知場(chǎng)景的機(jī)制，并且爭(zhēng)取在保持真實(shí)的顏色與對(duì)比度前提下顯示全部的動(dòng)態(tài)范圍。

通常保存在高動(dòng)態(tài)范圍圖像中的信息對(duì)應(yīng)于真實(shí)世界可以觀察到的亮度（luminance）或者radiance值，這與傳統(tǒng)的數(shù)字圖像保存的在顯示器或者打印紙上顯示的顏色不同。所以，高動(dòng)態(tài)范圍圖像格式也經(jīng)常成為“與場(chǎng)景相關(guān)”，以區(qū)別于傳統(tǒng)的“與設(shè)備相關(guān)”或者“與輸出相關(guān)”的數(shù)字圖像。另外，傳統(tǒng)圖像通常經(jīng)常針對(duì)人類視覺系統(tǒng)進(jìn)行編碼（最大化保存在固定數(shù)據(jù)位中的可視信息），這些編碼通常稱作“伽瑪編碼”或者“gamma校正”。保存在高動(dòng)態(tài)范圍圖像中的數(shù)據(jù)經(jīng)常是線性的，這就意味著它們表示亮度或者radiance的相對(duì)或者絕對(duì)值（gamma 1.0）。

高動(dòng)態(tài)范圍圖像每個(gè)顏色通道需要比傳統(tǒng)圖像更多的數(shù)據(jù)位，這是因?yàn)樗木€性編碼以及需要表示從10-4到108人眼可見亮度范圍甚至是更大范圍的數(shù)值。經(jīng)常使用16位“half precision”或者32位浮點(diǎn)數(shù)表示高動(dòng)態(tài)范圍像素。但是，如果使用合適的傳遞函數(shù)進(jìn)行變換，一些應(yīng)用中的高動(dòng)態(tài)范圍像素可以用10-12位表示亮度，用8位表示色度，并且不會(huì)帶來任何可見的量化誤差。

HDR的特點(diǎn)是：畫面信息含量大光影細(xì)節(jié)豐富；包含前期拍攝和后處理兩部分；合成后的照片效果與次成像、直接輸出的數(shù)碼照片有很的不同；對(duì)攝影者有一定的技術(shù)要求。

HDR的這些特點(diǎn)，決定了它只適拍攝一些特定的題材。例如：

(1) 光攝影。由于風(fēng)光攝影常面對(duì)大光比畫面，很適合HDR技術(shù)。

(2)花草等靜態(tài)攝影。這類題材于色彩變化和光影豐富，同時(shí)又相靜止，利于前期拍攝。 

(3)日落日出和夜景都是拍攝HDR的好題材。此類題材畫面中天空和面景物明暗反差很大，數(shù)碼相機(jī)的態(tài)范圍滿足不了如此大的動(dòng)態(tài)范圍是HDR最適合的應(yīng)用題材。尤其是拍夜景，HDR可以很好地展現(xiàn)一般夜景無法記錄下的天空微弱光線與地面源所產(chǎn)生的對(duì)比效果。

(4)室內(nèi)拍攝時(shí)，畫面中包括室較暗的場(chǎng)景和室外十分明亮的景物HDR可以使室內(nèi)場(chǎng)景和室外景物在張照片中都得到很好地展現(xiàn)總之，只要是那些畫面相對(duì)穩(wěn)定而又存在較大明暗反差的場(chǎng)景，都以用HDR的手法來拍攝并通過HDR后期處理來合成。




【來源：網(wǎng)絡(luò)】


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