在計算機圖形學與
電影攝影術(shù)中，高動態(tài)范圍成像是用來實現(xiàn)比普通數(shù)字圖像技術(shù)更大曝光動態(tài)范圍（即更大的明暗差別）的一組技術(shù)。高動態(tài)范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范圍亮度。
高動態(tài)范圍成像最初只用于純粹由計算機生成的圖像。后來，人們開發(fā)出了一些從不同曝光范圍照片中生成高動態(tài)范圍圖像的方法。隨著數(shù)碼相機的日漸流行以及桌面軟件變得易于使用，許多業(yè)余攝影師使用高動態(tài)范圍成像的方法生成高動態(tài)范圍場景的照片，但是，不要將這作為它唯一的用途，實際上高動態(tài)范圍還有許多其它的應(yīng)用。
當用于顯示的時候，高動態(tài)范圍圖像經(jīng)常要進行色調(diào)映射，并且要與其它幾種全屏顯示效果（full screen effect）一起使用。
在計算機圖形學中開創(chuàng)高動態(tài)范圍成像的先驅(qū)是 Paul Debevec，據(jù)說 Debevec 是第一個使用高動態(tài)范圍成像圖生成計算機圖像以逼真地對計算機圖形物體進行照明與動畫處理。[來源請求]人們普遍認為 Gregory Ward 是高動態(tài)范圍成像文件格式的奠基人。[來源請求]
[編輯]與傳統(tǒng)數(shù)字圖像的比較
通常保存在高動態(tài)范圍圖像中的信息對應(yīng)于真實世界可以觀察到的亮度（luminance）或者radiance值，這與傳統(tǒng)的數(shù)字圖像保存的在顯示器或者打印紙上顯示的顏色不同。所以，高動態(tài)范圍圖像格式也經(jīng)常成為“與場景相關(guān)”，以區(qū)別于傳統(tǒng)的“與設(shè)備相關(guān)”或者“與輸出相關(guān)”的數(shù)字圖像。另外，傳統(tǒng)圖像通常經(jīng)常針對人類視覺系統(tǒng)進行編碼（最大化保存在固定數(shù)據(jù)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(tài)范圍圖像中的數(shù)據(jù)經(jīng)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）。
高動態(tài)范圍圖像每個顏色通道需要比傳統(tǒng)圖像更多的數(shù)據(jù)位，這是因為它的線性編碼以及需要表示從 10 − 4 到 108 人眼可見亮度范圍甚至是更大范圍的數(shù)值。經(jīng)常使用 16 位“half precision”或者 32 位浮點數(shù)表示高動態(tài)范圍像素。但是，如果使用合適的傳遞函數(shù)進行變換，一些應(yīng)用中的高動態(tài)范圍像素可以用 10-12 位表示亮度，用 8 位表示色度，并且不會帶來任何可見的量化誤差[1][2]。
[編輯]圖像來源
高動態(tài)范圍圖像最初使用不同的渲染工具生成，其中著名的一個是 Radiance 。由于所使用單位都是基于如 瓦/球面度/米2 這樣的實際物理單位，所以這種方法可以實現(xiàn)更加逼真的模型場景表現(xiàn)。這種方法可以模擬真實場景的光照，以及利用這個結(jié)果選擇照明（假設(shè)幾何形狀、照明以及材料都是真實場景的精確表現(xiàn)）。
在 1997年 的 SIGGRAPH 上，Paul Debevec 提交了題為“從照片中恢復(fù)高動態(tài)范圍輻射圖”的論文。這篇論文描述了按照不同的曝光設(shè)置對同一個場景進行拍照，然后將這些采用不同曝光的照片組合成高動態(tài)范圍圖像。這種高動態(tài)范圍圖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(tài)范圍的場景。
在 SIGGRAPH '98 一年之后，Debevec 又提交了一篇論文“將人造物體渲染成真實場景：溝通基于圖像的傳統(tǒng)圖形與全局照明以及高動態(tài)范圍照片”。在這篇論文中，他使用以前的技術(shù)對光滑的鉻球照相以生成他所稱作的“light probe”，即本質(zhì)上的高動態(tài)范圍環(huán)境圖。然后將這個 light probe 用于合成場景的渲染。與普通的環(huán)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(xiàn)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(shù)據(jù)。
[編輯]色調(diào)映射
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在查看高動態(tài)范圍圖像的時候經(jīng)總是會遇到一個問題，CRT、LCD、打印機以及其它圖像顯示方法只能顯示有限動態(tài)范圍的圖像。因此，人們開發(fā)了各種將高動態(tài)范圍圖像“轉(zhuǎn)換”成可以查看的圖像的方法，這些方法統(tǒng)稱為“色調(diào)映射”。
早期的色調(diào)映射非常簡單，這些方法設(shè)置一個動態(tài)范圍窗口，按照最大值、最小值對圖像進行裁剪。最近出現(xiàn)的方法試圖顯示更大的動態(tài)范圍，一些更加復(fù)雜的方法已經(jīng)在研究人眼及視神經(jīng)感知場景的機制，并且爭取在保持真實的顏色與對比度前提下顯示全部的動態(tài)范圍。
一些圖像實例可以用來幫助說明高動態(tài)范圍成像的用途。下面的實例所用的圖片是用 Uffizi 圖庫中著名的 Paul Debevec 光探頭在 Radiance 中渲染生成。
在將高動態(tài)范圍圖像通過色調(diào)映射生成用于顯示的低動態(tài)范圍圖像的過程中，通過調(diào)整曝光展示了高動態(tài)范圍圖像。中間的曝光是所期望的曝光，也最有可能是場景正常顯示的效果。左側(cè)較暗圖像使用光圈 4 曝光，只能顯示天空較亮云彩的一些細節(jié)。右側(cè)較亮圖像使用光圈 3 曝光，可以顯示場景中較暗的部分。
這里的高斯模糊展示了高動態(tài)范圍圖像中超出取值范圍的數(shù)值也是有用的，即使它們在轉(zhuǎn)換成低動態(tài)范圍圖像的時候通常都要被裁掉。左側(cè)圖像是原始圖像首先經(jīng)過色調(diào)映射成的低動態(tài)范圍版本，然后在GIMP中進行模糊得到，右側(cè)的圖像是原始高動態(tài)范圍圖像在 pgblur 中進行模糊，然后經(jīng)過色調(diào)映射得到。
盡管兩幅圖像非常相似，但是明顯的區(qū)別就是光滑鉻球上的高亮光部分。在原始的高動態(tài)范圍圖像中，這些像素都有非常大的亮度值。當圖像模糊的時候，周圍的像素亮度被“拉高”并且在色度映射時裁剪成最大值，當然高亮像素的亮度也會被周圍像素“拉低”，但是它們的亮度非常高所以在色度映射的時候仍然要超出最大值。這樣的結(jié)果就是更大的區(qū)域變成了白色。
但是對于低動態(tài)范圍模糊來說，高亮區(qū)域的像素在模糊處理之前已經(jīng)裁剪成了最大值，這就從總體上大幅度地降低了亮度值。因此，在模糊處理之后，光亮區(qū)域周圍的像素將不再有非常高的亮度，即使是高亮區(qū)域內(nèi)的像素也由于周圍像素的影響而被拉低。這樣高亮區(qū)域就變得比較模糊，開起來不再非常明亮。
對于常見的運動模糊也是同樣的結(jié)果。
[編輯]其他例子
[編輯]參考文獻
- ↑ "High Dynamic Range Image Encodings" by Greg Ward, Anyhere Software
- ↑ "Perception-motivated High Dynamic Range Video Encoding" from Informatik
[編輯]外部鏈接
[編輯]高動態(tài)范圍顯示
Studio rendering:
[編輯]On rendering
posted on 2008-01-01 07:44
姚明 閱讀(1180)
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圖形學