HDR

HDR在相机中的应用及发展

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。

简介

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。

发展历程

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。

一些数码相机的生产商近年来不断地研发HDR技术，在相机中内置能够拍摄出高动态范围的硬件与软件。日本的富士公司早在2004年就推出了高动态范围的SuperCCD SR，这款影像传感器使用一半像素来记录正常亮度，另一半用来记录画面的暗部，使画面获得更多的细节，这项技术也应用于富士旗下的数码单反。随后其他品牌的数码单反也都各自推出自己的提高影像动态范围的技术，例如佳能公司的高光优先模式、尼康公司的Active D-Lighting技术、索尼公司的D-Range Optimizer、宾得公司的动态范围扩大功能等。现在各厂家的很多小型数码相机也开始置入了这项功能。

2022年01月30日，中国国家广播电视总局发布《高动态范围电视系统显示适配元数据技术要求》（GY/T 358—2022）行业标准。HDR作为高新视频领域的一项关键基础技术，过去只有少数国外企业能够提供。国家广播电视总局组织国内产学研用机构开展科技攻关，实现技术突破，填补了国内空白。

HDR范围

对于合成一张HDR照片需要拍摄多少张照片并没有一定的规则，因为这主要由场景的动态范围决定:动态范围越大，拍摄者就需要拍摄更多的照片来使曝光覆盖这个范围。同样的，对于每张照片的曝光间隔也没有规定。这里的例子以1档为曝光增量，这便保证了照片序列有一个较大的曝光范围以覆盖场景总的动态范围。然而，拍摄者也可以使拍摄的照片曝光以2档为增量，这样拍摄较少的照片就可以覆盖最亮至最暗部的曝光范围。

色调映射

在查看高动态范围图像的时候经总是会遇到一个问题，CRT、LCD、打印机以及其它图像显示方法只能显示有限动态范围的图像。因此，人们开发了各种将高动态范围图像“转换”成可以查看的图像的方法，这些方法统称为“色调映射”。

早期的色调映射非常简单，这些方法设置一个动态范围窗口，按照最大值、最小值对图像进行裁剪。最近出现的方法试图显示更大的动态范围，一些更加复杂的方法已经在研究人眼及视神经感知场景的机制，并且争取在保持真实的颜色与对比度前提下显示全部的动态范围。

相关比较

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108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。

HDR应用场景

HDR的特点是：画面信息含量大光影细节丰富；包含前期拍摄和后处理两部分；合成后的照片效果与次成像、直接输出的数码照片不同；对摄影者有一定的技术要求HDR的这些特点，决定了它只适拍摄一些特定的题材。例如：

(1)光摄影。由于风光摄影常面对大光比画面，很适合HDR技术。

(2)花草等静态摄影。这类题材于色彩变化和光影丰富，同时又相静止，利于前期拍摄。

(3)日落日出和夜景都是拍摄HDR的好题材。此类题材画面中天空和面景物明暗反差很大，数码相机的动态范围满足不了如此大的动态范围是HDR最适合的应用题材。尤其是拍夜景，HDR可以很好地展现一般夜景无法记录下的天空微弱光线与地面源所产生的对比效果。

(4)室内拍摄时，画面中包括室较暗的场景和室外十分明亮的景物HDR可以使室内场景和室外景物在张照片中都得到很好地展现总之，只要是那些画面相对稳定而又存在较大明暗反差的场景，都可以用HDR的手法来拍摄并通过HDR后期处理来合成。

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