HDR技術(shù)淺析— 從圖像攝影、影像制作及游戲渲染領(lǐng)域解析HDR技術(shù)

HDR是什么

簡而言之，HDR代表高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range），它是一個(gè)技術(shù)術(shù)語，它描述了一種與這種類型的屏幕相關(guān)的新型電視屏幕和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它首先出現(xiàn)在靜態(tài)攝影的曝光方法中。

HDR簡史

HDR首先作為靜止攝影技術(shù)而聞名于世。在靜態(tài)攝影中，我們會(huì)一次捕捉多次曝光，然后將它們壓縮成一個(gè)單獨(dú)的圖像，而不是顯示高光和陰影色調(diào)的所有細(xì)節(jié)。

HDR曝光過程

事實(shí)上，法國攝影師古斯塔夫·勒·格雷（Gustave Le Gray）在1850年代首次使用了它。他了解膠片底片的動(dòng)態(tài)范圍限制，并使用兩個(gè)單獨(dú)的曝光來創(chuàng)建克服這些限制的圖像。

上述照片是從1855年開始的照相感光乳劑（感光乳劑在金屬板上）。所用的膠片的曝光范圍約為3 f / stop。一檔是下一檔的兩倍明亮或暗淡。在這種情況下，海洋和天空的細(xì)節(jié)將不可能同時(shí)保留。天空的亮度顯然遠(yuǎn)高于水面的亮度。正常的曝光將要么洗出天空，讓船只可見; 保留云的細(xì)節(jié)，海洋就會(huì)太黑，船就會(huì)丟失細(xì)節(jié)。勒格雷簡單地結(jié)合了兩次曝光，以及在印刷過程中一些創(chuàng)造性的減淡和加深（dodging and burning），創(chuàng)造了HDR最早的例子之一。

其他像安塞爾·亞當(dāng)斯（Ansel Adams）這樣的攝影師，專門用來減淡和加深（dodging and burning），以延長他們的圖像的色調(diào)范圍（tonal range）。通過選擇性地欠曝（dodging）或過曝（burning）圖像的不同部分，他可以讓原本在正常印刷品中看不到的細(xì)節(jié)顯現(xiàn)。這種技術(shù)最終被定義為區(qū)域系統(tǒng)（Zone System）。

為了捕捉上面所示的色調(diào)范圍，使用單張膠片進(jìn)行曝光和打印是不可能的。只有仔細(xì)操縱各種暗區(qū)和亮區(qū)才能產(chǎn)生這種動(dòng)態(tài)范圍。亞當(dāng)斯使用了一種近百年的老技術(shù)，并將其提升為藝術(shù)形式。

所有這一切的目標(biāo)是，而且是創(chuàng)造出更貼近人眼所見的圖像。利用視網(wǎng)膜中的視桿和視錐細(xì)胞，加上我們大腦的視覺皮層能夠分別處理圖像的黑暗和明亮區(qū)域，使我們可以看到完整的亮度等級(jí)范圍。相機(jī)無論是拍攝靜止圖像還是運(yùn)動(dòng)圖像，都無法做到這一點(diǎn)。

隨著數(shù)碼攝影的出現(xiàn)，將這些暗房技術(shù)添加到控制相機(jī)成像傳感器的軟件成為可能。這些傳感器受到類似的膠片的限制，其動(dòng)態(tài)范圍有限。但是，由于只需要設(shè)置數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行多次曝光并將它們組合成HDR圖像，現(xiàn)在我們?cè)谥悄苁謾C(jī)上就可以完成以往在暗房中需要幾小時(shí)的時(shí)間才能做到的效果。

以下是將四個(gè)單獨(dú)曝光合并為單個(gè)色調(diào)映射（tone mapping）圖像的示例。

隨后的每一次曝光都增加了大廈的細(xì)節(jié)。當(dāng)你看到第四張時(shí)，你可以看到天空中的云彩，但建筑物則完全被沖刷掉。現(xiàn)在看看結(jié)合的結(jié)果如何顯示。這被稱為“色調(diào)映射”。

你可以看到圖像中最暗和最亮部分的每個(gè)細(xì)節(jié)，就像你的眼睛通過適應(yīng)極端光線和黑暗的層次來看待它一樣。最后的照片只有每個(gè)曝光的*好的元素，同時(shí)扔掉部分沒有用的細(xì)節(jié)。

2010年Soviet Montage用分束鏡將畫面一分為二，用兩部佳能5D Mark II拍攝。其中一部調(diào)到+2 EV，另一部調(diào)到-2 EV，拍出來的影片再用某些方法（Soviet Montage并未說明是什么方法）合成為HDR的影片，成為第*部“HDR”視頻：↓↓↓

顯而易見，以動(dòng)態(tài)圖像的形式進(jìn)行這項(xiàng)工作的能力具有深遠(yuǎn)的意義。對(duì)比度和動(dòng)態(tài)范圍是決定圖像質(zhì)量的最重要指標(biāo)。*好的顯示器可以同時(shí)渲染深黑色和亮白色，以展現(xiàn)每一個(gè)細(xì)節(jié)，并提供深度感。HDR在影像顯示上將帶來了更大的對(duì)比度、更寬的亮度范圍、更廣的色域，使得影像更加真實(shí)和鮮活。

開發(fā)HDR電視屏幕的想法出現(xiàn)在5年前，因?yàn)槠聊恢圃焐棠軌蜷_發(fā)具有更好的顏色和亮度響應(yīng)的發(fā)光二極管。對(duì)此有兩種方法，一種是使用響應(yīng)更好的磷酸材料，另一種是使用也稱為OLED的有機(jī)半導(dǎo)體。

采用這種新技術(shù)后，制造商能夠在保持較低的陰影水平的同時(shí)創(chuàng)建更高亮度的屏幕，從而有效地創(chuàng)造出更大對(duì)比度的屏幕。大多數(shù)HDR屏幕能夠達(dá)到1000尼特的最大亮度，但未來的標(biāo)準(zhǔn)允許亮度高達(dá)10000尼特。相比之下，普通HDTV能夠顯示的最大亮度僅為100尼特（尼特是可見光強(qiáng)度的測(cè)量單位）。

新的HDR屏幕也能夠顯示比當(dāng)前HDTV屏幕所能夠顯示的更大的色域。今天，我們正在研究1990年推出的REC709標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)受到CRT屏幕理論最大色彩值的限制。

然而，要注意的重點(diǎn)是，HDR的目的不是創(chuàng)造更明亮，更豐富多彩的圖像，而是顯示那些通常會(huì)丟失或剪裁的高光細(xì)節(jié)，使顏色看起來更加真實(shí)。