HDR(HDR在相機中的套用及發展)

高動態範圍成像（英語：High Dynamic Range Imaging，簡稱HDRI或HDR），在計算機圖形學與電影攝影術中，是用來實現比普通數點陣圖像技術更大曝光動態範圍（即更大的明暗差別）的一組技術。高動態範圍成像的目的就是要正確地表示真實世界中從太陽光直射到最暗的陰影這樣大的範圍亮度。

基本介紹

• 中文名：HDR
• 外文名：High Dynamic Range Imaging
• 別稱：高動態範圍成像
• 用途：照片編輯
• 所屬領域：圖像處理

簡介

高動態範圍成像最初只用於純粹由計算機生成的圖像。後來，人們開發出了一些從不同曝光範圍照片中生成高動態範圍圖像的方法。隨著數位相機的日漸流行以及桌面軟體變得易於使用，許多業餘攝影師使用高動態範圍成像的方法生成高動態範圍場景的照片，但是，不要將這作為它唯一的用途，實際上高動態範圍還有許多其它的套用。

當用於顯示的時候，高動態範圍圖像經常要進行色調映射，並且要與其它幾種全螢幕顯示效果（full screen effect）一起使用。

發展歷程

在1997年的SIGGRAPH上，Paul Debevec提交了題為“從照片中恢復高動態範圍輻射圖”的論文。這篇論文描述了按照不同的曝光設定對同一個場景進行拍照，然後將這些採用不同曝光的照片組合成高動態範圍圖像。這種高動態範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態範圍的場景。

在SIGGRAPH 98一年之後，Debevec又提交了一篇論文“將人造物體渲染成真實場景：溝通基於圖像的傳統圖形與全局照明以及高動態範圍照片”。在這篇論文中，他使用以前的技術對光滑的鉻球照相以生成他所稱作的“light probe”，即本質上的高動態範圍環境圖。然後將這個light probe用於合成場景的渲染。與普通的環境圖簡單地提供反射或者折射信息不同，light probe還提供了場景中的照明，實際上，這是唯一的光源。這種方法實現了一種前所未有的真實感效果，為整體照明模型提供了真實世界的照明數據。

一些數位相機的生產商近年來不斷地研發HDR技術，在相機中內置能夠拍攝出高動態範圍的硬體與軟體。日本的富士公司早在2004年就推出了高動態範圍的SuperCCD SR，這款影像感測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節，這項技術也套用於富士旗下的數碼單眼。隨後其他品牌的數碼單眼也都各自推出自己的提高影像動態範圍的技術，例如佳能公司的高光優先模式、尼康公司的Active D-Lighting技術、索尼公司的D-Range Optimizer、賓得公司的動態範圍擴大功能等。現在各廠家的很多小型數位相機也開始置入了這項功能。

HDR範圍

對於合成一張HDR照片需要拍攝多少張照片並沒有一定的規則，因為這主要由場景的動態範圍決定:動態範圍越大，拍攝者就需要拍攝更多的照片來使曝光覆蓋這個範圍。同樣的，對於每張照片的曝光間隔也沒有規定。這裡的例子以1檔為曝光增量，這便保證了照片序列有一個較大的曝光範圍以覆蓋場景總的動態範圍。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範圍。

色調映射

在查看高動態範圍圖像的時候經總是會遇到一個問題，CRT、LCD、印表機以及其它圖像顯示方法只能顯示有限動態範圍的圖像。因此，人們開發了各種將高動態範圍圖像“轉換”成可以查看的圖像的方法，這些方法統稱為“色調映射”。

早期的色調映射非常簡單，這些方法設定一個動態範圍視窗，按照最大值、最小值對圖像進行裁剪。最近出現的方法試圖顯示更大的動態範圍，一些更加複雜的方法已經在研究人眼及視神經感知場景的機制，並且爭取在保持真實的顏色與對比度前提下顯示全部的動態範圍。

相關比較

通常保存在高動態範圍圖像中的信息對應於真實世界可以觀察到的亮度（luminance）或者radiance值，這與傳統的數字圖像保存的在顯示器或者列印紙上顯示的顏色不同。所以，高動態範圍圖像格式也經常成為“與場景相關”，以區別於傳統的“與設備相關”或者“與輸出相關”的數字圖像。另外，傳統圖像通常經常針對人類視覺系統進行編碼（最大化保存在固定數據位中的可視信息），這些編碼通常稱作“伽瑪編碼”或者“gamma校正”。保存在高動態範圍圖像中的數據經常是線性的，這就意味著它們表示亮度或者radiance的相對或者絕對值（gamma 1.0）。

高動態範圍圖像每個顏色通道需要比傳統圖像更多的數據位，這是因為它的線性編碼以及需要表示從10^-4到10⁸人眼可見亮度範圍甚至是更大範圍的數值。經常使用16位“half precision”或者32位浮點數表示高動態範圍像素。但是，如果使用合適的傳遞函式進行變換，一些套用中的高動態範圍像素可以用10-12位表示亮度，用8位表示色度，並且不會帶來任何可見的量化誤差。

HDR套用場景

HDR的特點是：畫面信息含量大光影細節豐富；包含前期拍攝和後處理兩部分；合成後的照片效果與次成像、直接輸出的數碼照片有很的不同；對攝影者有一定的技術要求HDR的這些特點，決定了它只適拍攝一些特定的題材。例如：

(1)光攝影。由於風光攝影常面對大光比畫面，很適合HDR技術。

(2)花草等靜態攝影。這類題材於色彩變化和光影豐富，同時又相靜止，利於前期拍攝。

(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，數位相機的態範圍滿足不了如此大的動態範圍是HDR最適合的套用題材。尤其是拍夜景，HDR可以很好地展現一般夜景無法記錄下的天空微弱光線與地面源所產生的對比效果。

(4)室內拍攝時，畫面中包括室較暗的場景和室外十分明亮的景物HDR可以使室內場景和室外景物在張照片中都得到很好地展現總之，只要是那些畫面相對穩定而又存在較大明暗反差的場景，都以用HDR的手法來拍攝並通過HDR後期處理來合成。