高动态范围连续影像技术的发展及前景

高动态范围连续影像技术的发展及前景

数字化是当今世界电影行业发展的必然趋势.随着数字化浪潮带来的新技术应用，成像技术也在不断地提高。而高动态范围成像技术，也将成为对影片画面质量的提高具有强大推动力的角色。

一、高动态范围成像技术的起源及发展

1.高动态范围成像技术的起源

高动态范围成像(英文缩写HDR）技术原本用于记录核爆炸瞬间，是在20世纪30至40年代，由美国摄影师查尔斯·威科夫首先提出的。在20世纪40年代,威科夫和埃尔顿一起在太平洋拍摄核爆时，首先使用了这一技术。1952年，威科夫使用高动态范围成像技术记录了世界上第一颗试验性氢弹“常青藤麦克”的爆炸。那张题为“常青藤麦克”的照片后来发表在1954年美国《生活》杂志的封面上, 成为最著名的HDR照片。随后这种成像技术才真正被定义，并逐渐发展成从一组不同曝光量的影像中，集成为一幅高动态范围影像的方法。

2.高动态范围成像技术的发展

进入20世纪晚期,美国南加州大学的Paul Debevec博士公开提出了组合多个不同曝光量影像以生成HDR影像的技术。在1997年的SIGGRAPH展会上,他发表了题为《从相片中恢复高动态范围光彩图》的论文。这篇论文阐述了如何对同一个画面,用不同曝光量多次拍摄,随后组合处理这些不同曝光量的影像，从而得到一幅合成的HDR影像。经过前期的拍摄和后期的处理这一复合过程，自然使得画质远超单次拍摄的结果。这样一来，纵使感光器件或者胶片的宽容度有限,却仍然能通过多次成像，得到动态范围特别高的影像。随后，各种包括压缩比特深度等电脑应用算法被开发出来,使得HDR影像终于可以在传统的设备(如显示器)上显示出来。以上就是HDR摄影在上世纪的发展概况。

进入21世纪以来，随着数码相机的普及和相关软件处理能力的增强,使得人人皆可成为摄影者。而在摄影界被广泛使用的HDR影像这个术语，就几乎演变成为数码图片摄影的专利，一般特指在数码摄影中，使用包围曝光生成的影像，经过后期软件影调处理过程，得到的高动态范围影像。而本文所说的HDR影像并非照相术中的单幅照片，而主要是指HDR 视频或基于文件的高动态范围连续影像。

HDR视频的概念被正式提出来，到现在也有十多年了。在2000年就已经出现过关于消费级别的HDR视频的论文了，但在专业的连续影像领域，至今未有人成功探索出能够付诸应用的流程。如今我们常提起的HDR往往是指图片摄影，而凤毛麟角的所谓HDR视频也只是延时逐格摄影而已。目前的延时逐格摄影，严格来说并不是传统意义上的电影拍摄，

因为处理上依然是在电脑上逐张HDR合成再拼接成片段，而不是拍了视频片段再整体HDR 合成。真正意义上的高品质专业级HDR连续影像（包括视频），到现在还远没达到轻松易得的程度。

二、高动态范围成像技术的应用特性及前景

1.高动态范围成像的技术特性

那么，我们为什么需要高动态范围成像技术？有些人认为现今的数字拍摄设备已经足够好了，其动态范围早已超过了胶片，根本不需要发展HDR摄影了。但实则不然。首先，这是因人类科技普遍发展所推进的必然结果。即便我们有了某些可靠的技术，可以实现某些基本功能，但随着技术的进步，仍会有新技术的出现。即使在胶片摄影技术出现100年后，甚至已经完全规范和成熟，却仍然有数字摄影出现取而代之。这正如爱迪生经过无数次试验，最终确定了使用碳化的竹子纤维作为白炽灯灯丝，但是仍然被后人发现，原来使用钨丝效果更好、更持久。

而且，至今仍有一些人的传统观念里还认为数字拍摄设备的画面表现力比胶片弱，而实际情况是，即使是民用的数码相机的宽容度也已经相当可观了。几年前推出的索尼A900,其在ISO 200感光度设置下直接成像所得的JPG图像的动态范围已经可以达到9，RAW文件的动态范围则更高，可以达到12。Arri摄像机的更是能达到14！而人眼的动态范围可感知能力大约也就是15EV。而胶片中宽容度最大的负片大约是10EV。看似胶片完全不如数字，但为何人们经常认为胶片效果更好？因为胶片有着类似人眼的感光效果，其感光特性曲线更接近人眼对光线的非线性感知能力。

胶片的感光特性曲线起始部分有个平缓阶段，中间有一段大斜率的接近线性的猛增，而到后来又趋于平缓。胶片的感光特性曲线之所以会呈现这种特性，首先就是由于曝光量特别小时，导致化学反应的感光银盐离子还不足以被迅速激活，因为银盐制造出来的时候本身也有一定的密度，这也一定程度上抑制了光化学反应的开始，所以此时曝光曲线斜率很小。其二是当曝光量足够大时，银盐持续接受光子，光化学反应便开始迅速进行，此时由于银盐是足够量的，反应速率基本上只取决于持续辐射的光，所以此时曝光密度就近似线性增长，此时也是胶片最重要的曝光范围段。然后，当曝光量大到胶片密度已经过大时，反应便开始受到抑制，此时剩余未反应的银盐的消耗开始减慢，但是仍处于消耗阶段，于是密度还会增加，于是就愈发抑制光化学反应继续进行，结果此时曝光曲线的斜率又趋于缓和。所以我们说胶片的感光特性曲线并不是完全线性的。在使用胶片拍摄大反差场景时，高光使某区域银盐持续感光，该区域密度不断增大，反而最后削减了反应速率，从而最大限度地自然避免了死白。暗部也是如此，不会过曝，但是又有密度，因此没有死黑。这与人眼的感光能力接近，由此造成了观众普遍认为观看胶片画面的感觉比较合适。

然而数字影像的产生就是完全线性的了。我们以12 比特的传感器为例，当传感器采用12比特时，即212=4096个灰阶来对采集到的数据进行编码。当在不改变曝光时间的情况下，有能够令芯片溢出的光量进入时，这时该芯片上的电荷就上升到最高值，也就是第4096的灰阶，也就是说第4096的灰阶就表示光线刚好溢出。当进光量减少一半，即降低一挡，这时使得芯片上的电荷上升到第4096的一半位置，即第2048的灰阶处，因此第2048的灰阶就表示比过曝-1挡的光量。而在过曝-1挡到过曝之间的光量就被记录在2049至4096之间（共有211=2048个不同的感应级别）。当光量再减低一挡时，产生的电荷只达到第1024灰阶的水平，因此第1024灰阶就代表过曝-2挡的光量，而介于过曝-2挡与过曝-1挡之间的光量就被记录在1024至2048之间（共有210=1024个不同的感应级别）……以此类推，不断的递减，过曝-6挡的光量只用剩下的64个灰阶来记录。因此，对于图像而言，如果过曝-3挡是“正确”的曝光的话，那么整个图像中的大部分信息都被记录在512至1024的灰阶中，阴影区的信息记录在0至512之间，高光和过曝的信息记录在1024至4096之间。

如此一来，很显然画面中相对较亮的部分被更多的灰阶所表述，而相对较暗的部分则只剩下很少的灰阶来表述，这并不符合人眼对自然界的观察习惯。感光芯片由于其线性感应，使用了大量的位深去记录高光区段的无内容层次，而对本应感知到细节丰富的暗部，能记录到的信息很少，这和人眼的观察习惯截然相反。所以，未经处理过的数字影像是不容易被习惯观看胶片画面的观众所接受的。这也是目前HDR技术在连续影像中的应用，没有被广泛接受的主要原因之一。

然而仅仅通过改变曲线，将表现非亮部的少量灰阶拉长，使其在没有密度内容增加的情况下占用更多的位深，仍然是很难得到层次丰富的影像的，这就需要拍摄得到更多的动态范围的有内容层次，从而使更多的细节（有可能是有选择性的）被表现出来。

自然世界中景物的动态范围虽然远远超过50000：1，但是自人类历史发展以来，我们倾尽全力所得到的对于真实世界的影像复制品，其最大动态范围也只能达到区区300：1，甚至更低的256：1。而今随着数字技术的飞速发展，使得我们能够通过借助高科技手段,提高人工所能记录或表现的动态范围，使其更接近自然界的真实事物。而这也正是HDR技术的真正意义之所在。

在真实世界中,非常明亮的高光点和比较黑暗的阴影经常存在于同一画面中。怎样把它们同步记录下来，是一个一直困扰摄影师的问题。在数字摄影时代，因为CCD或CMOS 等传感器的线性成像特性,高动态范围图像的捕捉效果更不容易为非线性的人眼所接受。数字成像时，一般取18%中灰为标准正常曝光，但是当画面中亮部光强达到数字成像器件线性响应的最大限度时，就会陡然截断，使得那一部分细节根本没有被记录下来，从而得到的画面与人眼所感受到的场景有很大不同。但是如果拍照时按高光部分的亮度曝光,暗部必然