高動態範圍成像

**高動態範圍成像**（英語：**H**igh **D**ynamic **R**ange Imaging，簡稱 **HDRI** 或 **HDR**），在電腦圖學與電影攝影術中，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。

高動態範圍成像最初只用於純粹由電腦生成的圖像。之後又開發出一些從不同曝光範圍相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相片，但是，實際上高動態範圍還有許多其它的應用。

超高畫質電視論壇 (Ultra HD Forum) 也將 HDR 技術列為 UHD 電視標準需要支援的技術之一。目前，電視與行動端使用的 HDR 技術標準主要包括：Dolby Vision，HDR10，HDR10 + 以及 HLG (Hybrid Log-Gamma) 等。這些技術標準中定義了相比於傳統標準動態範圍圖像（SDR）更大的亮度範圍，更廣的色域，更大的位元深度，不同於伽馬校正的轉換函式以及新的編碼方式。

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

## 歷史

在電腦圖學中開創高動態範圍成像的先驅是 Paul Debevec，據說 Debevec 是第一個使用高動態範圍成像圖生成電腦圖像以逼真地對電腦圖形物體進行照明與動畫處理。人們普遍認為 Gregory Ward 是高動態範圍成像檔案格式的奠基人。

## 與傳統數位影像的比較

通常儲存在高動態範圍圖像中的資訊對應於真實世界可以觀察到的亮度（luminance）或者 radiance 值，這與傳統的數位影像儲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「與裝置相關」或者「與輸出相關」的數位影像。另外，傳統圖像通常經常針對人類視覺系統進行編碼（最大化儲存在固定資料位中的可視資訊），這些編碼通常稱作「伽瑪編碼」或者「gamma 校正」。儲存在高動態範圍圖像中的資料經常是線性的，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資料位，這是因為它的線性編碼以及需要表示從 $10^{-4}$ 到 $10^{8}$ 人眼可見亮度範圍甚至是更大範圍的數值。經常使用 16 位元「half precision」或者 32 位元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，一些應用中的高動態範圍像素可以用 10-12 位元表示亮度，用 8 位元表示色度，並且不會帶來任何可見的量化誤差。

## 圖像來源

高動態範圍圖像最初使用不同的彩現工具生成，其中著名的一個是 Radiance。由於所使用單位都是基於如瓦 / 球面度 / 米 2 這樣的實際物理單位，所以這種方法可以實現更加逼真的模型場景表現。這種方法可以類比真實場景的光照，以及利用這個結果選擇照明（假設幾何形狀、照明以及材料都是真實場景的精確表現）。

在 1997 年的 SIGGRAPH 上，Paul Debevec 提交了題為「從相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相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 又提交一篇論文「將人造物體彩現成真實場景：溝通基於圖像的傳統圖形與全域照明以及高動態範圍相片」。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 用於合成場景的彩現。與普通的環境圖簡單地提供反射或者折射資訊不同，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資料。

## 色調對映

在檢視高動態範圍圖像的時候經常會遇到一個問題，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」成可以檢視的圖像的方法，這些方法統稱為「色調對映」。

早期的色調對映非常簡單，這些方法設定一個動態範圍窗口，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。

## 例子

* 相片
* * * *
* Merged to HDR then reduced to LDR
* * *

一些圖像實例可以用來幫助說明高動態範圍成像的用途。下面的實例所用的圖片是用 Uffizi 圖庫中著名的 Paul Debevec 光探頭在 Radiance 中彩現生成。

### 曝光

在將高動態範圍圖像通過色調對映生成用於顯示的低動態範圍圖像的過程中，通過調整曝光展示了高動態範圍圖像。中間的曝光是所期望的曝光，也最有可能是場景正常顯示的效果。左側較暗圖像使用光圈 4 曝光，只能顯示天空較亮雲彩的一些細節。右側較亮圖像使用光圈 3 曝光，可以顯示場景中較暗的部分。

### 模糊

這裡的高斯模糊展示了高動態範圍圖像中超出取值範圍的數值也是有用的，即使它們在轉換成低動態範圍圖像的時候通常都要被裁掉。左側圖像是原始圖像首先經過色調對映成的低動態範圍版本，然後在 GIMP 中進行模糊得到，右側的圖像是原始高動態範圍圖像在 pgblur 中進行模糊，然後經過色調對映得到。

儘管兩幅圖像非常相似，但是明顯的區別就是光滑鉻球上的突顯光部分。在原始的高動態範圍圖像中，這些像素都有非常大的亮度值。當圖像模糊的時候，周圍的像素亮度被「拉高」並且在色度對映時裁剪成最大值，當然突顯像素的亮度也會被周圍像素「拉低」，但是它們的亮度非常高所以在色度對映的時候仍然要超出最大值。這樣的結果就是更大的區域變成了白色。

但是對於低動態範圍模糊來說，突顯區域的像素在模糊處理之前已經裁剪成了最大值，這就從總體上大幅度地降低了亮度值。因此，在模糊處理之後，光亮區域周圍的像素將不再有非常高的亮度，即使是突顯區域內的像素也由於周圍像素的影響而被拉低。這樣突顯區域就變得比較模糊，看起來不再非常明亮。

對於常見的動態模糊也是同樣的結果。

## 其他例子

* * * *

## 參考文獻

## 參見

* 高動態光照彩現（用高動態範圍照明計算彩現虛擬場景，尤其是在電腦遊戲場合）
* OpenEXR
* Radiance 及其檔案格式
* Logluv TIFF 檔案格式
* CinePaint 圖像編輯器
* Pixel image editor
* Panoscan
* VectorWorks
* 高動態範圍（HDR）軟體
  * Photoshop CS2（及更高版本）
  * Ulead PhotoImpact 11
  * Photomatix Pro
  * Image stacker

## 外部連結

* 網易 HDR 攝影中國 HDR 攝影論壇
* Artizen HDR （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）高動態範圍圖像編輯及色調對映軟體
* Hdrland 這種技術的圖片庫
* Photomatix （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）高動態範圍圖像合成及色調對映軟體
* 基於演示照明的即時高動態範圍圖像 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 高動態範圍圖像編碼 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），Greg Ward, Anyhere Software
* Linux 中的高動態範圍圖像，Nathan Willis
* Hyperfocal Design （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）商用高動態範圍圖像、教程、軟體評估以及新聞
* 高動態範圍圖像與影片的處理 —— 從取得到顯示 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* AHDRIA 使用標準數位相機擷取高動態範圍圖像的軟體
* 全自動梯度域高動態範圍壓縮描述 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* HDRShop （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）高動態範圍圖像處理軟體資源
* HDRIE（高動態範圍圖像編輯器）- 受 HDRShop 啟發的開發原始碼專案
* Renderman 中高動態範圍圖像彩現
* PFStools （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - 建立、編輯高動態範圍圖像的開放原始碼包
* Where to Go for More H.D.R. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

 

### 攝影

* 如何生成高動態範圍圖像 - Tutorial Compares Photomatix and Photoshop CS2 Bridge
* 高動態範圍照相 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - Photoshop CS2 實現
* Photoshop CS2 高動態範圍圖像介紹 - 用 Photoshop CS2 生成 32 位元高動態範圍圖像
* Exposure Bracketing Technique for HDR Photography

### 高動態範圍顯示

* http://www.brightsidetech.com/ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 高動態範圍顯示
* 高動態範圍顯示技術資訊
* 高動態範圍 LCD 顯示原理

Studio rendering:

* http://www.hdri-studio.com （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Commercial HDR maps derived from studio lighting setups
* https://web.archive.org/web/20130615115950/http://sachform.com/ Commercial HDR panoramas and viewer.
* PixelBox Academy HDRI Tutorial HDRI in PRMan using Image Based Illumination

### On rendering

* [1]
* [2]
* [3]