HDR技术浅析— 从图像摄影、影像制作及游戏渲染领域解析HDR技术

HDR是什么

简而言之，HDR代表高动态范围（High Dynamic Range），它是一个技术术语，它描述了一种与这种类型的屏幕相关的新型电视屏幕和技术标准，它首先出现在静态摄影的曝光方法中。

HDR简史

HDR首先作为静止摄影技术而闻名于世。在静态摄影中，我们会一次捕捉多次曝光，然后将它们压缩成一个单独的图像，而不是显示高光和阴影色调的所有细节。

HDR曝光过程

事实上，法国摄影师古斯塔夫·勒·格雷（Gustave Le Gray）在1850年代首次使用了它。他了解胶片底片的动态范围限制，并使用两个单独的曝光来创建克服这些限制的图像。

上述照片是从1855年开始的照相感光乳剂（感光乳剂在金属板上）。所用的胶片的曝光范围约为3 f / stop。一档是下一档的两倍明亮或暗淡。在这种情况下，海洋和天空的细节将不可能同时保留。天空的亮度显然远高于水面的亮度。正常的曝光将要么洗出天空，让船只可见; 保留云的细节，海洋就会太黑，船就会丢失细节。勒格雷简单地结合了两次曝光，以及在印刷过程中一些创造性的减淡和加深（dodging and burning），创造了HDR最早的例子之一。

其他像安塞尔·亚当斯（Ansel Adams）这样的摄影师，专门用来减淡和加深（dodging and burning），以延长他们的图像的色调范围（tonal range）。通过选择性地欠曝（dodging）或过曝（burning）图像的不同部分，他可以让原本在正常印刷品中看不到的细节显现。这种技术最终被定义为区域系统（Zone System）。

为了捕捉上面所示的色调范围，使用单张胶片进行曝光和打印是不可能的。只有仔细操纵各种暗区和亮区才能产生这种动态范围。亚当斯使用了一种近百年的老技术，并将其提升为艺术形式。

所有这一切的目标是，而且是创造出更贴近人眼所见的图像。利用视网膜中的视杆和视锥细胞，加上我们大脑的视觉皮层能够分别处理图像的黑暗和明亮区域，使我们可以看到完整的亮度等级范围。相机无论是拍摄静止图像还是运动图像，都无法做到这一点。

随着数码摄影的出现，将这些暗房技术添加到控制相机成像传感器的软件成为可能。这些传感器受到类似的胶片的限制，其动态范围有限。但是，由于只需要设置数码相机进行多次曝光并将它们组合成HDR图像，现在我们在智能手机上就可以完成以往在暗房中需要几小时的时间才能做到的效果。

以下是将四个单独曝光合并为单个色调映射（tone mapping）图像的示例。

随后的每一次曝光都增加了大厦的细节。当你看到第四张时，你可以看到天空中的云彩，但建筑物则完全被冲刷掉。现在看看结合的结果如何显示。这被称为“色调映射”。

你可以看到图像中最暗和最亮部分的每个细节，就像你的眼睛通过适应极端光线和黑暗的层次来看待它一样。最后的照片只有每个曝光的*好的元素，同时扔掉部分没有用的细节。

2010年Soviet Montage用分束镜将画面一分为二，用两部佳能5D Mark II拍摄。其中一部调到+2 EV，另一部调到-2 EV，拍出来的影片再用某些方法（Soviet Montage并未说明是什么方法）合成为HDR的影片，成为第*部“HDR”视频：↓↓↓

显而易见，以动态图像的形式进行这项工作的能力具有深远的意义。对比度和动态范围是决定图像质量的最重要指标。*好的显示器可以同时渲染深黑色和亮白色，以展现每一个细节，并提供深度感。HDR在影像显示上将带来了更大的对比度、更宽的亮度范围、更广的色域，使得影像更加真实和鲜活。

开发HDR电视屏幕的想法出现在5年前，因为屏幕制造商能够开发具有更好的颜色和亮度响应的发光二极管。对此有两种方法，一种是使用响应更好的磷酸材料，另一种是使用也称为OLED的有机半导体。

采用这种新技术后，制造商能够在保持较低的阴影水平的同时创建更高亮度的屏幕，从而有效地创造出更大对比度的屏幕。大多数HDR屏幕能够达到1000尼特的最大亮度，但未来的标准允许亮度高达10000尼特。相比之下，普通HDTV能够显示的最大亮度仅为100尼特（尼特是可见光强度的测量单位）。

新的HDR屏幕也能够显示比当前HDTV屏幕所能够显示的更大的色域。今天，我们正在研究1990年推出的REC709标准，并且已经受到CRT屏幕理论最大色彩值的限制。

然而，要注意的重点是，HDR的目的不是创造更明亮，更丰富多彩的图像，而是显示那些通常会丢失或剪裁的高光细节，使颜色看起来更加真实。