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歷史

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中開(kāi)創(chuàng)高動(dòng)態(tài)范圍成像的先驅(qū)是Paul Debevec，據(jù)說(shuō)Debevec是第一個(gè)使用高動(dòng)態(tài)范圍成像圖生成計(jì)算機(jī)圖像以逼真地對(duì)計(jì)算機(jī)圖形物體進(jìn)行照明與動(dòng)畫處理。人們普遍認(rèn)為Gregory Ward是高動(dòng)態(tài)范圍成像文件格式的奠基人。

與傳統(tǒng)數(shù)字圖像的比較

通常保存在高動(dòng)態(tài)范圍圖像中的信息對(duì)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(dòng)態(tài)范圍圖像格式也經(jīng)常成為“與場(chǎng)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(duì)人類視覺(jué)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(dòng)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(duì)或者絕對(duì)值（gamma 1.0）。

高動(dòng)態(tài)范圍圖像每個(gè)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 {\displaystyle 10^{-4}} 到 10 8 {\displaystyle 10^{8}} 人眼可見(jiàn)亮度范圍甚至是更大范圍的數(shù)值。經(jīng)常使用16位“half precision”或者浮點(diǎn)數(shù)浮點(diǎn)數(shù)表示高動(dòng)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(dòng)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(huì)帶來(lái)任何可見(jiàn)的量化誤差 。

圖像來(lái)源

高動(dòng)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(gè)是Radiance。由于所使用單位都是基于如瓦/球面度/米 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(chǎng)景表現(xiàn)。這種方法可以模擬真實(shí)場(chǎng)景的光照，以及利用這個(gè)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(chǎng)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(dòng)態(tài)范圍輻射圖”的論文。這篇論文描述了按照不同的設(shè)置對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行拍照，然后將這些采用不同的照片組合成高動(dòng)態(tài)范圍圖像。這種高動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)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(chǎng)景：溝通基于圖像的傳統(tǒng)圖形與全局照明以及高動(dòng)態(tài)范圍照片”。在這篇論文中，他使用以前的技術(shù)對(duì)光滑的鉻球照相以生成他所稱作的“l(fā)ight probe”，即本質(zhì)上的高動(dòng)態(tài)范圍環(huán)境圖。然后將這個(gè)light probe用于合成場(chǎng)景的渲染。與普通的環(huán)境圖簡(jiǎn)單地提供反射或者折射信息不同，light probe還提供了場(chǎng)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)。

色調(diào)映射

在查看高動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)候經(jīng)總是會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，CRT、LCD、打印機(jī)以及其它圖像顯示方法只能顯示有限動(dòng)態(tài)范圍的圖像。因此，人們開(kāi)發(fā)了各種將高動(dòng)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(jiǎn)單，這些方法設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍窗口，按照最大值、最小值對(duì)圖像進(jìn)行裁剪。最近出現(xiàn)的方法試圖顯示更大的動(dòng)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(chǎng)景的機(jī)制，并且爭(zhēng)取在保持真實(shí)的顏色與對(duì)比度前提下顯示全部的動(dòng)態(tài)范圍。

例子

Photographs

–4 stops

–2 stops

+2 stops

+4 stops

Merged to HDR then reduced to LDR

Simple contrast reduction

Local tone mapping

一些圖像實(shí)例可以用來(lái)幫助說(shuō)明高動(dòng)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(kù)中著名的Paul Debevec光探頭在Radiance中渲染生成。

同一幅圖像的三種不同效果

在將高動(dòng)態(tài)范圍圖像通過(guò)色調(diào)映射生成用于顯示的低動(dòng)態(tài)范圍圖像的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整展示了高動(dòng)態(tài)范圍圖像。中間的是所期望的，也最有可能是場(chǎng)景正常顯示的效果。左側(cè)較暗圖像使用光圈4，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，可以顯示場(chǎng)景中較暗的部分。

高動(dòng)態(tài)范圍成像的最終效果圖

模糊

這里的高斯模糊展示了高動(dòng)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?cè)谵D(zhuǎn)換成低動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)候通常都要被裁掉。左側(cè)圖像是原始圖像首先經(jīng)過(guò)色調(diào)映射成的低動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍圖像在 pgblur 中進(jìn)行模糊，然后經(jīng)過(guò)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(dòng)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(shí)候，周圍的像素亮度被“拉高”并且在色度映射時(shí)裁剪成最大值，當(dāng)然高亮像素的亮度也會(huì)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(shí)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(duì)于低動(dòng)態(tài)范圍模糊來(lái)說(shuō)，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，看起來(lái)不再非常明亮。

對(duì)于常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)模糊也是同樣的結(jié)果。

其他例子

奧地利維也納HDR圖

某一教堂內(nèi)HDR圖

紐約州伊薩卡的色調(diào)映射HDR

法國(guó)貝爾福附近薩爾伯特堡東炮臺(tái)高動(dòng)態(tài)范圍成像全景圖

參見(jiàn)

高動(dòng)態(tài)光照渲染（用高動(dòng)態(tài)范圍照明計(jì)算渲染虛擬場(chǎng)景，尤其是在計(jì)算機(jī)游戲場(chǎng)合）

OpenEXR

Radiance及其文件格式

Logluv TIFF文件格式

CinePaint圖像編輯器

Pixel image editor

Panoscan

VectorWorks

高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）軟件

攝影

如何生成高動(dòng)態(tài)范圍圖像 - Tutorial Compares Photomatix and Photoshop CS2 Bridge

高動(dòng)態(tài)范圍照相- Photoshop CS2實(shí)現(xiàn)

Photoshop CS2高動(dòng)態(tài)范圍圖像介紹 - 用Photoshop CS2生成32位高動(dòng)態(tài)范圍圖像

Exposure Bracketing Technique for HDR Photography

高動(dòng)態(tài)范圍顯示

/高動(dòng)態(tài)范圍顯示

高動(dòng)態(tài)范圍顯示技術(shù)信息

高動(dòng)態(tài)范圍LCD顯示原理

Studio rendering:

Commercial HDR maps derived from studio lighting setups

Commercial HDR panoramas and viewer.

PixelBox Academy HDRI Tutorial HDRI in PRMan using Image Based Illumination

On rendering

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