在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與
電影攝影術(shù)中，高動態(tài)范圍成像是用來實(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)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(jī)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(shí)際上高動態(tài)范圍還有許多其它的應(yīng)用。
當(dāng)用于顯示的時候，高動態(tài)范圍圖像經(jīng)常要進(jìn)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(jì)算機(jī)圖像以逼真地對計(jì)算機(jī)圖形物體進(jìn)行照明與動畫處理。[來源請求]人們普遍認(rèn)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(shí)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(jìn)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?yàn)樗木€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(diǎn)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(jìn)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(shí)際物理單位，所以這種方法可以實(shí)現(xiàn)更加逼真的模型場景表現(xiàn)。這種方法可以模擬真實(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)際上，這是唯一的光源。這種方法實(shí)現(xiàn)了一種前所未有的真實(shí)感效果，為整體照明模型提供了真實(shí)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(jī)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(jìn)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(jī)制，并且爭取在保持真實(shí)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(shí)例可以用來幫助說明高動態(tài)范圍成像的用途。下面的實(shí)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(yùn)動模糊也是同樣的結(jié)果。
[編輯]其他例子
[編輯]參考文獻(xiàn)
- ↑ "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(1198)
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圖形學(xué)