HDR:高动态范围影像处理技术

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2010-09-04 06:00

(上图即一张 HDR 照片)

在 9 月 1 日的苹果发布会上,iOS 4.1 增加一项实用的功能——HDR 照片拍摄。如果你是一位摄影发烧友或者是一位影像工作者,我想你一定对这项技术不陌生,甚至可能你已经做过一些高动态范围影像的作品。是的,HDR (High Dynamic Range) 就是指高动态范围影像。例如 Sony 的一些单反,以及某些品牌的相机都拥有拍摄 HDR 的功能。但是,HDR 究竟能够给我们带来的有多少?本文就将为大家介绍这一项普遍却又带些神秘的技术。

什么是 HDR?

简单的来说,HDR 影像是一种获取以及处理一个场景下所有的可见光亮度范围的数码处理方法。一张 HDR 照片,可以保留太阳光一直到阴影暗部的所有的细节。所以,一个 HDR 影像就像是一个真实的场景一样,似乎在 HDR 中,一切的细节都将被保留。

既然,HDR 是高动态范围的,那么,什么是动态范围 ( Dynamic Range ) 呢?

动态范围的定义,就是指一个图像中能够找到的最高的全面反差。通常我们用一个比值来表示,比如 200:1 等等。这些数字指的是最亮与最暗的颜色值之间的差异。这个值取决与两个因素:亮度的全面范围和最小的亮度级。当然,很多适时候我们不需要知道这些知识,这里只是给大家一个感性的认识,反差比越大也就是动态范围越大,同时对图像的亮度的宽容度就越广阔。

但是,一般单反能够输出的 Raw 图像的动态范围大约在 5000:1 左右,而我们的人眼却可以分辨出 10000:1 的细节。而且人眼还可以达到更加高的标准,因为人眼可以适应几乎所有光照条件,所以人眼的感知范围可以扩展到大约 1000000000:1 那么巨大!这里我们就可以看出,为什么再好的相机,拍摄的相片不可能像人眼一样,亮的地方亮,暗的地方暗,但是照样都充满了细节。这也是为什么从胶片到数码,过曝和欠曝一直是困扰摄影师的问题。试过拍摄星光下的景物么?一般的相机,甚至高端的单反,拍摄的时候,基本上就会产生出许多许多的噪点,而我们人眼却可以在同样黑暗的环境下很清晰的看到那个物体。以下是两组普通成像照片和 HDR 照片的对比 (图片点击可放大):

(Pics via Gizmodo)

不过,我们注意到 HDR 似乎被上图这幅温情小鸭图给忽悠了下:鸭子的眼睛和嘴部位的画面有错乱。

怎么用 HDR?

那么,HDR 给我们带来的是什么呢?我们知道,HDR 是摄影、计算机、编程以及工程相互融合交汇的一个新领域,为了解决影像的动态范围的问题,HDR 作为一种新的图像数据处理方式被开发出来。影像的本质就是光线,无论是摄影还是其他的任何图形,光总是主导着一切。HDR 就是光的终极表现形式,它尽可能多的保存了场景中的光线,而且它是目前最好的处理光线的方式。也就是说,HDR 保存了你能够看到的光,这样保证了图像能够返回到最真实的状态。

这么看来,是否 HDR 就可以让我在屏幕上看到如同现实中一样或者接近与现实的影像了呢?其实不完全对。对于摄影师,如果照片被输出到相纸上,那么高质量的纸张也只能保留 100:1 的动态范围,甚至更加低。如果是屏幕上观看,老式的 CRT 大约是 600:1,而比较优秀的显示器可以达到 1000:1,甚至再高一些。当然也有一些还在研究的显示器,可以做到 100000:1 甚至以后会更加高。但是和人眼还是有一些差距。不过,不管如何,我们可以看到,随着显示设备的提高,未来 HDR 将会越来越受到欢迎。

这里,也许有的朋友就会疑问,如果感光元件和屏幕之类的都没法达到很高的动态范围,那么 HDR 又是怎么做到保存场景中几乎所有的光的呢?其实,现在常见的实现方法是这样的。在同一个场景下进行多次不同亮度的曝光,然后组合起来,保留各层次的细节。如果你是一位摄影发烧友,也许你已经自己通过 Photoshop 或者 Photomatix 之类的通过多张不同曝光的图片合成过 HDR 了。当然,还有一些更加高深的技术,笔者也不甚了解,这里也就不深入说了。

最后,话题回到苹果的 iOS 上。大家知道,iPhone 4 屏幕相当的棒,远远超越了现在的大部分手持显示器,我想这次 iOS 又引入了 HDR 技术,可以大大加强 iPhone/iPod touch 的拍摄能力,所以让我们一起期待 HDR 在 iOS 上的精彩表现吧。

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