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高動態範圍 (High Dynamic Range)

查了維基百科高動態範圍 (High Dynamic Range)有兩種說法,一種是基於2D影像,另一種則是基於3D場景,但它們的概念相似,在此我做了一下整理。

→HDR的簡介
計算機圖形學電影攝影術中,高動態範圍(High Dynamic Range,簡稱HDR)是用來實現比普通數字成像技術更大曝光動態範圍(即更多的明暗差別)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。

→HDR與LDR(傳統數字成像)的比較
通常保存在高動態範圍成像中的信息對應於真實世界可以觀察到的亮度(luminance)或者radiance值,這與傳統的數字成像保存的在顯示器或者列印紙上顯示的顏色不同。所以,高動態範圍成像格式也經常成為「與場景相關」,以區別於傳統的「與設備相關」或者「與輸出相關」的數字成像。另外,傳統成像通常經常針對人類視覺系統進行編碼(最大化保存在固定數據位中的可視信息),這些編碼通常稱作「伽瑪編碼」或者「gamma 校正」。保存在高動態範圍成像中的數據經常是線性的,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)。

→HDR的淵源
1997年的 SIGGRAPH 上,Paul Debevec 提交了題為「從照片中恢復高動態範圍輻射圖 (Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs)」的論文。這篇論文描述了按照不同的曝光設置對同一個場景進行拍照,然後將這些採用不同曝光的照片組合成高動態範圍成像。這種高動態範圍成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 又提交了一篇論文「將人造物體渲染成真實場景:溝通基於成像的傳統圖形與全局照明以及高動態範圍照片 (Rendering Synthetic Objects into Real Scenes: Bridging Traditional and Image-Based Graphics with Global Illumination and High Dynamic Range Photography)」。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 用於合成場景的渲染。與普通的環境圖簡單地提供反射或者折射信息不同,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數據。

其實HDR的概念可以追溯到1985年,然而在當時電腦的能力還不夠強,尚且無法做出較為驚人的成果。可以參考Greg Ward的論文The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System

→HDR的範圍

我們都知道對於傳統的感光膠片數碼相機的感光體而言,能感受並記錄的最大光比約為300:1,但自然界的光比範圍可高達50,000:1。HDR的一個特點是在每個通道都採用32 bits的彩色數據記錄,這與我們平時熟悉的8 bits和16 bits影像不同。其優點是因為用了32 bits的數據,在後期合成和調整就有更多的色調數據可以利用,使調整後的影像更加接近人眼觀察到的自然狀態。

→HDR的影像

 

我們從以上兩張圖可以發現,比起人眼和相機所能捕捉到的影像,HDR的成像更能保留亮部和暗部的細節,以至於這些影像給人的感覺是相當夢幻,因為我們可以看清楚這世界的一切。

參考:WiKi – 高動態範圍成像、WiKi – High dynamic range imaging、WiKi – 高動態光照渲染、WiKi – High dynamic range renderingPaul Debevec的個人網頁HDR TUTORIAL – EVERYTHING YOU NEED TO KNOW ABOUT HDR PHOTOGRAPHY

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Comments on: "高動態範圍 (High Dynamic Range)" (2)

  1. […] 研究高動態範圍影像 (High Dynamic Range Image)這麼久了,一直沒有把它統整得很精簡,先前看了一個不錯的簡報,在此特別整理出來參考。之前研究的文章:動態範圍 (Dynamic Range)、高動態範圍 (High Dynamic Range)。 […]

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  2. […] 如今數位攝影發展出所謂的HDR技術,有興趣的人可以參考:高動態範圍 (High Dynamic Range)和2D HDR實做。 […]

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