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無限擴展動態(tài)范圍:全面解讀HDR
編者按:所謂HDR,即“高動態(tài)范圍”照片,并不是一個新鮮的概念,攝影師們在很早以前就已經(jīng)用濾鏡來獲得這種照片了。
關鍵字:動態(tài)范圍 High-Dynamic Range Dynamic Range HDR 動態(tài)范圍 High-Dynamic Range Dynamic Range HDR
近來,網(wǎng)上熱炒一個概念,就是HDR攝影,所謂HDR,是英文High-Dynamic Range的縮寫,意為“高動態(tài)范圍”。
這是一幅所謂的HDR照片,與常見的照片不同,在呈現(xiàn)了教堂室內的細節(jié)的同時,射入強烈陽光的窗口并沒有形成一個慘白的光洞,連玻璃上的彩色花紋都清晰可辨,呈現(xiàn)非常大的“動態(tài)范圍”。
關于HDR,網(wǎng)上見得最多的解釋是說HDR是個來自CG(Computer Graphics電腦繪圖)的概念,是高科技、新技術云云,事實上,HDR的概念由來已久,只不過是最近因電腦游戲圖像的生成應用了HDR渲染技術而被炒熱,進而引起一些攝影愛好者的興趣,將之引入到數(shù)碼照片拍攝與處理處理而已。
關于數(shù)碼照片的動態(tài)范圍
千萬不要以為動態(tài)范圍(Dynamic Range)是數(shù)碼相機特有的一個參數(shù),更不要認為有了CG才有了動態(tài)范圍的概念,嚴格來說,動態(tài)范圍是一個信息工程學概念,存在于任何信號采集、處理與記錄的過程中。如果拋開攝影的藝術價值不談,單就其科學性而言,攝影的過程就是一個光信號采集與記錄的過程,與錄音機記錄聲音是一個道理,同樣存在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄的過程。
動態(tài)范圍不能簡單理解為最大信號與最小信號之間的范圍,而是最大“不失真”信號與噪聲信號的比值。具體到數(shù)碼相機而言,決定動態(tài)范圍大小的環(huán)節(jié)有三個,首先是圖像傳感器(CCD/CMOS)采集光信號時的動態(tài)范圍,表現(xiàn)為可記錄的最亮與最暗信號間的差值范圍;然后是A/D轉換的動態(tài)范圍,表現(xiàn)為進行數(shù)碼采樣時的數(shù)據(jù)位,8bit、12bit、14bit還是16bit等,數(shù)據(jù)位越高,生成數(shù)碼信號的動態(tài)范圍越大;最后是文件記錄時的動態(tài)范圍,是24bit真彩色還是48bit真彩色。
如果原始信號沒有足夠的動態(tài)范圍,A/D轉換精度再高也無濟于事,而如果A/D轉換精度不足,圖像傳感器的豐富信號還是要丟失很多。最終數(shù)碼照片的動態(tài)范圍是取決于三個環(huán)節(jié)中最小的那一個,由于我們最終得到的照片是經(jīng)過A/D轉換之后的記錄,之前圖像傳感器本身的動態(tài)范圍是多少已經(jīng)無從考察,所以,A/D轉換的過程對于動態(tài)范圍的大小至關重要。
關于數(shù)碼圖像處理的A/D轉換
【注:本節(jié)文圖摘自攝影無忌geforcemx的帖子】
要深入理解數(shù)碼照片動態(tài)范圍的概念,不能不先說一下數(shù)碼成像過程中的A/D轉換問題。
數(shù)碼感光元件的基本單位—像素(感光二極管)可以把光子轉換為電子,電子信號由電荷電壓轉換器轉換成電壓,然后由A/D轉換器——ADC(Analog to Digital Converter,模數(shù)轉換器)采樣,把模擬的電壓信號轉換成數(shù)字信號。由于在電腦中采用一系列由0和1組成的二進制代碼來記錄色彩和灰度,這組代碼的位數(shù)就決定了能表示的色彩和灰度的數(shù)量。
一個1位的ADC僅僅能夠記錄兩種色彩,白和黑。(2^1=2,二進制上為黑色“0” 和白色“1”)
這樣的圖像是沒有色彩過渡的,除了全白和全黑,沒有一點中間的過渡,在影調上是不連續(xù)的。
一個2位的ADC將能夠產生4種影調,除了全白和全黑,還多了兩種中間的灰度。(2^2=4,黑色“00”,白色“11”,兩種灰色“01,10”)
一個4位的ADC將會產生16種色調(2^4=16),圖像看起來已經(jīng)過渡的比較連續(xù)了,一些高光和暗部的細節(jié)已經(jīng)顯露出來。
當ADC采用8位記錄色彩灰度信息時,我們將得到256(2^8=256)種不同的明暗梯度,而這僅僅是一條色彩通道,當我們考慮這個像素最終產生的是3條色彩通道的圖像,我們就得到了256x256x256=16777216種色彩組合,也就是我們常說的24位色(每通道8位,3條通道一共24位),也就是所謂的真彩色。
ADC的作用就是把連續(xù)變化的大小不同的電壓信號,根據(jù)一定的精度劃分成一系列不連續(xù)的梯度,并以二進制的數(shù)字方式記錄下來。當采樣的精度不高時,也就是能夠分辨的電壓差比較大時,得到的灰度梯度數(shù)量會比較少,畫面也會不夠連續(xù)。
對于上面一組圖像,當灰度過渡達到256級時,我們已經(jīng)不能分辨出相鄰兩個不同灰度之間的差異(實際上對于最下面一個灰度條,每個灰度還是大約兩個像素的豎條),而成為連續(xù)過渡變化的,這是我們的眼睛能夠分辨的極限。
而對于彩色的圖像,每一個色彩都是由紅綠藍三種色調按照不同的比例混合而成,因此需要記錄紅綠藍三個通道的灰度值。在24位色的情況下,(255,0,0)代表的就是飽和的純紅色,因為紅色通道數(shù)值為255,而藍綠色通道都為0,同理(0,255,0)為飽和的純綠色,(0,0,255)為飽和的純藍色,而中間的色調都介于(0,0,0)黑色和(255,255,255)白色之間。這樣得到的就是前面提到的1千6百多萬的色彩組合,也是我們眼睛能夠分辨的極限,這樣的畫面我們將不會發(fā)覺有不連續(xù)的banding出現(xiàn),也就是所謂的真彩色。
一般消費級別的數(shù)碼相機都配備了8位的ADC,也就是可以產生每通道256種灰度梯度。而高級一些的數(shù)碼單反相機,由于配備了更精確以及動態(tài)范圍更大的感光元件,能夠記錄更多的高光、暗部和中間色調的細微色調變化,因此為了配合能夠記錄的微小電壓差異,常常選用10位(1024級/通道)甚至12位(4096級/通道)的ADC以精確的區(qū)分色調過渡。這些信息可以由RAW等格式記錄下來,方便后期的進一步處理,而JPEG格式由于僅支持8位/通道的數(shù)據(jù)格式,顯然無法記錄全部的影調過渡信息,將丟失層次。
“真HDR”和“偽HDR”
明白了A/D轉換的位數(shù)問題,回過頭來再談HDR就比較明白了。
大家注意到,在本文開頭,在談到HDR照片時我用了“所謂”兩個字,因為A/D轉換和圖像文件的數(shù)據(jù)位已經(jīng)限定了數(shù)碼照片動態(tài)范圍的大小,對于只能記錄24位圖像信息的JPEG格式圖像文件而言,是不可能有更“高動態(tài)范圍”的,真正的HDR只存在于RAW文件和高數(shù)據(jù)位的TIFF文件,以及專有格式文件之中。
依目前的技術指標,計算機顯卡在表示圖象的時候是用8bit(256)級或16bit(65536)處理圖像的,即使有所謂的HDR圖像,也無法通過顯示器呈現(xiàn)出與普通照片的區(qū)別。CG技術的HDR是以直接對應的方式記錄亮度信息,記錄了圖片環(huán)境中的照明信息,因此我們可以使用這種圖象來“照亮”場景,在“生成”圖像的時候加入亮度信息,而HDR照片,事實上是凡是以JPG文件形式出現(xiàn)的,應該都說是一種“偽HDR”,只不過是將原來超出照片動態(tài)范圍,被丟棄的那部分信息,映射疊加到8bit的范圍之內而已。
仍以文章開頭的照片為例,真實場景中,窗花的亮度與墻壁的亮度差別何止百倍,而照片中兩者的亮度竟然相當接近,這顯然不是現(xiàn)場明暗的真實記錄,只不過是將窗花部分本來應該慘白的圖像壓暗到可以顯示其細節(jié)而已,所以,這是一種“偽HDR”照片。
事實上在數(shù)碼相機出現(xiàn)之前,風光攝影們早就在利用技術手段創(chuàng)造“偽HDR”照片了,“作偽”的手段就是漸變灰濾鏡。直到今天,許多風光攝影仍隨身攜帶漸變灰濾鏡,如果現(xiàn)場光線的光比過大,超出了膠片或數(shù)碼相機可記錄的動態(tài)范圍,攝影師就用漸變灰濾鏡來壓暗亮度過高的部位,使其細節(jié)能夠被相機所記錄?,F(xiàn)在所謂的HDR只不過用數(shù)碼技術代替了漸變灰濾鏡而已。
HDR照片的獲得
由前面的介紹我們已經(jīng)知道,真正的HDR照片只能通過硬件性能的提升來獲得,而且必須記錄成高數(shù)據(jù)位的文件格式,如果硬件的動態(tài)范圍達不到或者軟件環(huán)境不支持,都只能是空談,我們這里所討論的只能是“偽HDR”照片。
獲得偽HDR照片途徑有三種,一種是前面提到的使用濾鏡,在拍攝的時候就將過于明亮的部分壓暗;另一種是拍攝的時候采用包圍曝光法,獲得同一場景的一組曝光量不同的照片,然后利用Photoshop或者專門的軟件如Photomatix Pro(可到本站下載頻道下載:《Photomatix Pro 2.2》)等進行疊合;再一種就是利用數(shù)碼相機的RAW文件,以不同的曝光補償輸出,然后進行疊合。
這幅照片就是用第三種方式獲得的,具體步驟在《一幅風光作品的誕生》一文中已經(jīng)有詳細介紹。
這幅照片,使用的也是同樣的方法。
“偽HDR”的真實性
盡管這是一種徹頭徹尾的“偽”HDR照片,但在某種意義上卻接近人眼的實際觀察效果,因為人眼在觀察這樣的場景時并非“一次曝光”,而是隨著注視點的移動逐漸調整對光線的敏感度的,在觀察壁畫時適應室內的亮度,在觀察窗口時,又會很快適應窗口的亮度,所以在最終印象中,各個部位細節(jié)都能觀察到,正是由于這個原因,這種“偽HDR”照片有其真實的一面,尤其在風光攝影領域,彌補了器材的不足。
以這幅“HDR照片”為例,這明顯是一幅逆光的照片,如果要拍出古堡墻壁的細節(jié),就要按古堡的亮度曝光,那么照片中天空肯定一片明亮,看不到任何細節(jié),但事實上如果在現(xiàn)場,人是既能看到古堡的細節(jié)又能看到天空中的云絲的,所以這種“偽HDR”照片在某種意義上更接近“真實”。
這是一個主體明亮,而背景比較暗的例子。
需要指出的是,HDR并非適合所有攝影題材,一般用于風光攝影。因為HDR破壞了畫面原有的光影效果,如果用于其他題材反而顯得很假,照片中有些細節(jié)事實上是要刻意隱藏的,否則會破壞主題。
HDR攝影作品欣賞
(作品選自www.digiart.cn以及www.pingmag.jp)
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