什麼是高動態範圍?

hdr

要了解高動態範圍,首先先要知道低動態範圍。

所謂低動態範圍,就是過亮的地方一片白,過暗的地方一片黑。

而這個最暗到最亮的的大小,就是動態範圍。

為什麼稱之為動態?

因為人眼或機器,會依據測光的得到的環境亮度,決定瞳孔或光圈要開多大。

從而決定了 最大最小 的範圍是在哪裡。

 

從另外一個說法而言,

對取像機器來說,電腦螢幕全白,和太陽光照射,亮度都是一樣的。

但是實際上,核融合為能源的太陽,是家庭用電所發出的電腦螢幕的光,的好幾萬倍能量。

所以事實上,相機是把超出某個亮度的都標為絕對白,低於某個亮度的都標為絕對黑。

  

 lh  

我們來看看以上這兩張照片

左邊是低動態範圍,右邊是高動態範圍

你會覺得,為什麼右邊那張一片黑?

實則不是一片黑,

而是因為動態範圍廣,亮的地方只要過亮,其他部分就會相對地顯得很暗,

高動態範圍雖然沒辦法討好視覺,

卻可以忠實的呈現畫面真實的情況。

 

目前HDR的議題

有一派是把低動態轉高動態,讓照片能夠忠實呈現動態範圍,

另一派則是讓影像轉成顯示器和人眼能夠接受的最佳樣態,也就是暗部和亮部都變得清清楚楚。


以下主要提供一些可以達成、模擬出類似效果的作法


Histogram Equalization

使用常見的直方圖等化,就可以把影像暗部變得清晰可見。

優點:簡單易用

缺點:亮度分布不自然、過亮過暗的部分仍然救不回來。

local gamma  

 hist  

 

Gamma Correction

有的時候動態範圍的問題,是在於照片的亮度取得不好,

導致亮的過亮,暗的過暗,

而Gamma值的調整,可以在照片像素不失真的情況下,

只改變照片亮度。

因此我們可以用測光的方法,來做Global Gamma Correction;

或者我們可以依據畫素的明暗程度製作Masking,來做Local Gamma Correction

優點:顏色失真較不嚴重,不丟失影像資訊

缺點:過亮過暗的部分仍然救不回來,在Local Gamma Correction的情況下甚至會有Halo Effect

local gamma   

halo  


Fusion

曝光值低的部分,可以看到的影像內容比較少,但是影像的細節較為銳利。

曝光值高的部分,可以把影像看得清楚,但是因為光學的特性關係,影像的細節較為模糊。

因此,我們或許可以以曝光較為適當的那張作為基準點,

超過特定亮度的,就取暗的照片的像素,

低於特定亮度的,就取亮的照片的像素。


Optical Method

使用一些光學的方法來達成,

這個方法是希望將原始的真正明暗度忠實呈現。

lh  

使用Glare Encoding和Tomography的方式,

先用濾鏡將光線處理,作為編碼,方便後續解碼,

主要是先取得Glare,這要使用特殊針織濾鏡
filter   

然後做以下的假設:
Glare = encode(intrinsic highlights)
Intrinsic highlights = decode(glare) 

ib  

 


Reference

1. http://dev.gameres.com/Program/Visual/3D/HDRTutorial/HDRTutorial.htm

2. Glare Encoding of High Dynamic Range Images (CVPR 2011)
Mushfiqur Rouf (University of British Columbia), Rafal Mantiuk (Bangor University), Wolfgang HeidrichMatthew Trentacoste (University of British Columbia), Cheryl Lau (University of British Columbia)


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