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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)

什麼是高動態範圍(High Dynamic Range, HDR)影像?

動態範圍(Dynamic Range):輸出與輸入裝置所能容許的最大與最小值的比值;以影像來說,即為影像中最亮值與最暗值之比值。

相對於傳統影像(Low Dynamic Range Image, LDRI)只使用3 bytes來表示每個像素,表示的範圍0~2^24,HDRI則通常使用4 bytes浮點數來儲存亮度資訊,可表示的範圍立即擴大至0~2^32

為什麼需要高動態範圍(High Dynamic Range, HDR)影像?

高動態範圍(High Dynamic Range, HDR)影像之於低動態範圍(Low Dynamic Range, LDR)影像至少有下列四種優勢:

  • 可以記錄下場景中真實的亮度。

  • 不會將「白色區塊」與「很亮的區塊」混淆。
  • 在「亮度解析度」上有長足的進步,高光區與低光區的細節均可保留。

  • 運用其保留細節的特性,創作出令人驚艷的藝術作品。

為什麼需要色調映射(Tone mapping)?

有三種方式顯示HDR影像:

  • 使用HDR顯示設備
  • 透過不同曝光程度顯示HDR影像(一次只顯示一個區段的亮度值)

  • 色調映射(Tone mapping)(Tone reproduction / HDR compression / HDR optimization)

色調映射(Tone mapping)的分類

為什麼需要色調映射(Tone mapping)

色調映射問題定義:

各式各樣常見的顯示設備動態範圍都小於真實世界,我們如何在LDR顯示設備上顯示HDR影像?

色調映射(Tone mapping)操作子可以分為四個種類:

  • Global operators
  • Local operators
  • Frequency domain operators
  • Gradient domain operators

Global operators:

使用相同的非線性曲線壓縮每個像素。

Local operators:

藉由考慮區域鄰近像素使用非線性曲線獨立地應用在每個像素。

Frequency domain operators:

基於空間頻率(spatial frequency),選擇性地減少影像組成的動態範圍。
Paper: Fast Bilateral Filtering for the Display of HDRI

Gradient domain operators:

修改影像的導數來達成動態範圍重現。
Paper: Gradient domain HDR compression

參考:National Chung Hsing University – Tone Mapping Algorithms for HDR Images (Lin-Yu Tseng (曾怜玉))。

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