高动态范围成像

高动态范围成像(英语:High Dynamic Range Imaging,简称HDRI或HDR),在计算机图形学与电影摄影术中,是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围(即更大的明暗差别)的一组技术。高动态范围成像的目的就是要正确地表示真实世界中从太阳光直射到最暗的阴影这样大的范围亮度。

高动态范围成像最初只用于纯粹由计算机生成的图像。后来,人们开发出了一些从不同曝光范围照片中生成高动态范围图像的方法。随着数码相机的日渐流行以及桌面软件变得易于使用,许多业余摄影师使用高动态范围成像的方法生成高动态范围场景的照片,但是,不要将这作为它唯一的用途,实际上高动态范围还有许多其它的应用。

当用于显示的时候,高动态范围图像经常要进行色调映射,并且要与其它几种全屏显示效果(full screen effect)一起使用。

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HDRI是High-Dynamic Range (HDR)image的缩写,也就是高动态范围图像,就是为了解决这个问题而发明出来的,简单地说,HDRI是一种亮度范围非常广的图像,它比其它格式的图像有着更大亮度的数据贮存,而且它记录亮度的方式与传统的图片不同,不是用非线性的方式将亮度信息压缩到8bit或16bit的颜色空间内,而是用直接对应的方式记录亮度信息,它可以说记录了图片环境中的照明信息,因此我们可以使用这种图象来“照亮”场景。有很多HDRI文件是以全景图的形式提供的,我们也可以用它做环境背景来产生反射与折射。这里强调一下HDRI与全景图有本质的区别,全景图指的是包含了360度范围场景的普通图象,可以是JPG格式,BMP格式,TGA格式等等,属于Low-Dynamic RangeRadiance Image,它并不带有光照信息。

HDRI文件是一种文件,扩展名是hdr或tif格式,有足够的能力保存光照信息,但不一定是全景图。Dynamic Range(动态范围)是指一个场景的最亮和最暗部分之间的相对比值。一张HDR图片,它记录了远远超出256个级别的实际场景的亮度值,超出的部分在屏幕上是显示不出来的。可以这样想象:在photoshop里打开一张从室内往窗外外拍的图片,窗外的部分处在强烈的阳光下,曝光过度,呈现的是一片白色,没有多少细节。你将毫无办法,调暗只会把白色变成灰色而已,并不会呈现更多的细节。但如果同一场景是由hdr纪录的话,你减低曝光度,原来纯白的部分将会呈现更多的细节。谈论游戏画面时常说的HDR到底是什么呢?HDR,本身是High-Dynamic Range(高动态范围)的缩写,这本来是一个CG概念。

计算机在表示图象的时候是用8bit(256)级或16bit(65536)级来区分图象的亮度的,但这区区几百或几万无法再现真实自然的光照情况。HDR文件是一种特殊图形文件格式,它的每一个像素除了普通的RGB信息,还有该点的实际亮度信息。普通的图形文件每个象素只有0 -255的灰度范围,这实际上是不够的。想象一下太阳的发光强度和一个纯黑的物体之间的灰度范围或者说亮度范围的差别,远远超过了256个级别。因此,一张普通的白天风景图片,看上去白云和太阳可能都呈现是同样的灰度/亮度,都是纯白色,但实际上白云和太阳之间实际的亮度不可能一样,他们之间的亮度差别是巨大的。因此,普通的图形文件格式是很不精确的,远远没有纪录到现实世界的实际状况。所以,现在我们就要介绍一下高动态范围图像(简称HDRI)。HDR全称是高动态范围。这是一个简单的术语,HDR图片是使用多张不同曝光的图片,然后再用软件将它们组合成一张图片。它的优势是最终你可以得到一张无论在阴影部分还是高光部分都有细节的图片。在正常的摄影当中,或许你只能选择两者之一。

与传统数字图像的比较

通常保存在高动态范围图像中的信息对应于真实世界可以观察到的亮度(luminance)或者radiance值,这与传统的数字图像保存的在显示器或者打印纸上显示的颜色不同。所以,高动态范围图像格式也经常成为“与场景相关”,以区别于传统的“与设备相关”或者“与输出相关”的数字图像。另外,传统图像通常经常针对人类视觉系统进行编码(最大化保存在固定数据位中的可视信息),这些编码通常称作“伽玛编码”或者“gamma校正”。保存在高动态范围图像中的数据经常是线性的,这就意味着它们表示亮度或者radiance的相对或者绝对值(gamma 1.0)。

高动态范围图像每个颜色通道需要比传统图像更多的数据位,这是因为它的线性编码以及需要表示从10^{-4}到10^8人眼可见亮度范围甚至是更大范围的数值。经常使用16位“half precision”或者32位浮点数表示高动态范围像素。但是,如果使用合适的传递函数进行变换,一些应用中的高动态范围像素可以用10-12位表示亮度,用8位表示色度,并且不会带来任何可见的量化误差[1][2]。

图像来源

高动态范围图像最初使用不同的渲染工具生成,其中著名的一个是Radiance。由于所使用单位都是基于如瓦/球面度/米2这样的实际物理单位,所以这种方法可以实现更加逼真的模型场景表现。这种方法可以模拟真实场景的光照,以及利用这个结果选择照明(假设几何形状、照明以及材料都是真实场景的精确表现)。

在1997年的SIGGRAPH上,Paul Debevec提交了题为“从照片中恢复高动态范围辐射图”的论文。这篇论文描述了按照不同的曝光设置对同一个场景进行拍照,然后将这些采用不同曝光的照片组合成高动态范围图像。这种高动态范围图像可以捕捉从黑暗的阴影到亮光源或者高反光的更大动态范围的场景。

在SIGGRAPH '98一年之后,Debevec又提交了一篇论文“将人造物体渲染成真实场景:沟通基于图像的传统图形与全局照明以及高动态范围照片”。在这篇论文中,他使用以前的技术对光滑的铬球照相以生成他所称作的“light probe”,即本质上的高动态范围环境图。然后将这个light probe用于合成场景的渲染。与普通的环境图简单地提供反射或者折射信息不同,light probe还提供了场景中的照明,实际上,这是唯一的光源。这种方法实现了一种前所未有的真实感效果,为整体照明模型提供了真实世界的照明数据。

高动态范围(HDR)软件

  • Photoshop CS2(及更高版本)
  • Ulead PhotoImpact 11
  • Photomatix Pro
  • Image stacker

HDR在相机中的应用及发展

发展

在胶片摄影年代,人们已经能够在暗房冲洗时,透过局部加光(Dodge)或减光(Burn),来增减照片光位与暗位的层次。虽然现在大家已很少有机会接触暗房,不过仍可在Photoshop中找到Dodge及Burn两个工具,模拟出暗房局部加光或减光的效果。

进入数码摄影时代,当然有更好的方法来增加照片的层次。Photoshop自2005年推出的CS2版本开始,就开始提供Merge to HDR功能。大家只要拍摄构图相同但曝光不同的几张照片,就可用这个功能合并出HDR照片。除了Photoshop之外,市面上也出现了其他同样功能的软件,为大家提供了更多选择。 除了后期制作之外,数码相机生产商近年也不断专注于研发拍摄出更高动态范围的硬件与内置功能。其中富士可谓当中的佼佼者,早于2004年便推出高动态范围的SuperCCD SR,用一半像素用来纪录正常亮度,另一半用来纪录画面的暗位,并且应用到旗下的数码单反S3 Pro上。之后其他品牌的数码单反相机也有推出提高影像动态范围的运算功能,例如尼康的 Active D-Lighting、佳能的高光优先模式、宾得的动态范围扩大功能以及索尼的D-Range Optimizer等,以简单的方法提升照片的层次。到后来,连小DC也开始加入了高动态范围的功能,例如富士、尼康、理光的部分型号等都有类似功能。

方法

制作HDR照片的方法,主要分为相机内置功能及后期软件处理两种,在这里先说说相机内置功能。大家使用有此功能的相机时,可能会发现开启这些功能后,相机的测光会比正常偏向曝光不足,又或者要选用较高感光度才可使用这些功能。虽然方式有点不同,其实原理方面大同小异。

选用了高动态范围功能时,一些型号的相机规定要选用较高感光度,不过大家不要以为感光度真的提高了,实际上相机在背后做动作的却是利用提高快门速度来减少曝光,以保存更多高光部分的细节。减少曝光之后,相机就会利用内置的图像处理器进行运算,给高光位以外的地方局部加光,令整张照片的光影恢复正常。不过由于暗位被后期加亮,因此噪点会较为明显。一些相机就不会规定大家选用较高感光度,不过就会在背后指示测光系统自动减少曝光值以增加高光位细节,然后就在进行图像处理时加亮暗位。另外也有部分型号不会规定选用高感光值,也不会影响测光,只是单一地将照片的暗位加亮。

至于富士配备Super CCD SR或EXR的型号,就可以利用两组像素来分别纪录画面的暗位以及高光位,理论上可以在不增加噪点的情况下提高感光度,不过输出的照片像素会减半。至于理光CX1 首创的DR高宽容模式,可透过高速连续拍摄两张不同曝光值的影像,以HDR的方式合成为一张照片。不过拍摄移动中的主体时,照片就有可能出现残影现像。 最后要说的就是软件合拼,这个方法虽然较为麻烦,不过效果也最为显著。大家拍摄时,先用三脚架固定位置,然后以包围曝光拍摄3至5张照片,例如拍摄一套-2EV、-1EV、0EV、+1EV、+2EV的照片,作为制作HDR的材料。一些较新版本的软件,更可提供自动影像对正功能,拍摄时就不一定要用三脚架固定。将这一系列照片输入之后,软件便能够自动找出最多层次的部分用作合并,在大光比环境下也可拍出有足够层次的照片。不过这个方法不能够适用于移动中的主体,不然照片亦会出现残影。

如果真的要对动态主体进行HDR,方法是只拍摄一张RAW照片用作HDR制作。大家只要拍摄一张曝光正常的RAW格式照片,利用RAW处理软件将同一张照片输出至 -1EV、0EV、+1EV 三个JPEG文件,就可以用HDR软件将三个文件合并。这个方法用起来十分方便,不过照片的噪点会较多。


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