高動態范圍成像

高動態范圍成像（HDRI，HDR圖像，“具有高動態范圍的圖像”）或高對比度圖像是指用于記錄和再現具有1：1000左右的大亮度差異的圖像的各種技術。 經典圖像如果要與 HDR 區分開來，則稱為低動態范圍圖像或 LDR 圖像。

HDR 圖像可以由許多相機直接捕捉，從具有正常動態范圍（低動態范圍，LDR）的照片包圍曝光生成或直接計算為 3D 計算機圖形。 在標準 (TFT) 屏幕和媒體上和/或在環境光下，它們只能在有限的范圍內直接顯示 - 它們必須降低亮度對比度才能顯示。 這個過程稱為動態壓縮（色調映射）。 盡管如此，從HDR圖像開始，可以避免曝光過度和曝光不足，可以更好地保留圖像細節，并可以進行更深遠的圖像處理。 不僅攝影和計算機圖形，醫學或虛擬現實等應用程序也利用了這些優勢。

HDR 照片的表現形式從非常自然和不引人注目的表現形式到具有夸張色彩和明顯光暈的印象派或人工制品豐富的藝術照片。

大多數數字圖像的每個紅色、綠色和藍色通道僅使用 256 級亮度（8 位）。 這種顏色深度通常不足以再現自然場景中出現的亮度差異。 很少使用更高的顏色深度，因為屏幕和印刷媒體無論如何都無法顯示它們。

相機或觀眾可見的環境通常具有大約 10,000:1 的動態范圍（最大和最小亮度之比）。 當光源可見時，或者當室內和陽光照射的室外區域都可見時，動態范圍會顯著增大。 人類視覺感知能夠適應近十個數量級（10 倍）的光照條件； 在一個場景中最多可以同時看到大約五個數量級。

與視覺感知相反，使用傳統數碼相機拍攝的照片經常會出現曝光過度和曝光不足的問題。 借助高動態范圍成像，創建的圖像文件具有動態范圍，可以更好地捕捉自然界中出現的整體亮度水平。 像素值與實際亮度成正比。 只有在顯示 HDR 圖像時，其亮度范圍才會適當降低。 即使幾乎所有屏幕的亮度范圍仍然很低，HDR 圖像也能提供優勢； 例如，從 HDR 圖像開始，極暗和極亮區域的細節都得以保留。

基于物理的圖像合成（“渲染”）可能是 HDR 圖像的第一個應用。 Greg Ward Larson 于 1985 年開發的渲染軟件 Radiance 使用內部浮點數來存儲亮度值。 為了能夠在不丟失亮度信息的情況下保存渲染圖像，Ward 開發了 Radiance HDR 格式。 Paul Debevec 在保存高動態范圍移動高光以模擬計算機動畫中的運動模糊時，也探索了 HDR 技術。 早在 1968 年，奧本海姆等人就在不同的背景下發表了第一個色調映射算子； 那里提出的原則已被一些最近的運營商重新發現。

高動態范圍成像的應用涵蓋以下領域：

• 圖像合成。 對于基于物理的渲染器，亮度值必須用高動態范圍表示，以便正確計算高對比度 3D 場景中光和材質的相互作用。 在建筑模擬等應用中，還必須計算絕對輻射值，以便正確評估照明條件。 還可以從 HDR 圖像（基于圖像的照明）照亮 3D 場景。 較新的顯卡可以實時處理基本的 HDRI，這對計算機游戲來說尤其重要。

• 數碼攝影。 在數碼攝影中，HDR 圖像避免過度曝光和曝光不足，并允許無問題的基于軟件的白平衡。 盡管制造商隨著時間的推移增加了圖像傳感器的動態范圍，但 HDR 圖像的動態范圍迄今為止只有少數特殊相機才能實現。 到 HDR 圖像使用傳統相機，需要額外的工作。

• 圖像編輯。 某些圖像編輯程序的較新版本可以直接編輯 HDR 圖像。 這允許在不犧牲飽和像素值的情況下進行亮度、對比度和顏色更改。 模糊等效果和濾鏡在 HDR 圖像中顯得更加逼真，尤其是高光部分。

• 數字電影和視頻。 中等動態范圍的數字電影放映是可以預見的； 但是，此類電影的制作和剪輯將采用 HDR 格式。 已經提出了用于 HDR 視頻數據的 MPEG-4 兼容編碼。 另請參閱高動態范圍視頻。

• 虛擬現實。 通過萬維網加載和交互式探索的傳統全景圖像和虛擬環境尤其容易出現曝光過度和曝光不足的問題。 如果全景圖可用作 HDR 圖像，則可以動態壓縮在特定時間點可見的圖像部分，從而創建更自然的圖像效果。

• 監控系統和計算機視覺。 同時顯示建筑物內部和外部圖像細節的能力對于監控攝像機特別有用。 HDR 相機在極端光照條件下的穩健性也是機器視覺的一個優勢。

• 醫學。 在內窺鏡檢查中，需要盡可能小的圖像傳感器，即使在低光照條件下也能提供高質量的圖像。 例如，作為歐洲 IVP 項目的一部分開發的傳感器原型可提供超過 100 dB 的動態范圍和最小尺寸。 正在為眼科開發人造視網膜，它可以刺激視障人士的視網膜視細胞，并且還具有高動態范圍。

• 建筑和照明設計。 即使沒有光度校準，HDRI 也可以相當準確地表示場景中的光分布。 通過拍攝真實比例的建筑模型，可以對規劃建筑中的亮度條件做出定量說明。

對 HDR 圖像中的像素值進行設備獨立編碼的常用方法有兩種。 理想情況下，HDR 編碼將眼睛的非線性感官印象近似于亮度級別。 這避免了圖像中的不同亮度級別以看似不同的精度進行編碼，并且避免了可見的顏色漸變。

HDR 數據也可以使用尾數和指數（作為浮點數）的組合進行編碼。 連續的浮點數不具有恒定的比例，而是遵循鋸齒曲線。 為了使顏色量化保持不可見，相對灰度（兩個連續亮度值之差除以該值）不得超過 1%。

除了相對層次之外，HDR 編碼的其他屬性是色彩空間和色彩深度。 絕對亮度（單位為 cd/m2）的存儲通常被省略。

所使用的圖形格式決定了嵌入實際圖像數據的附加數據結構，必須與像素值的編碼區分開來。 一些 HDR 格式支持多種編碼。

大多數程序支持的 HDR 格式都是無損壓縮的。 但是，還開發了用于小文件大小的有損存儲的 JPEG 格式的擴展。 此“JPEG-HDR”圖像將 HDR 圖像的動態范圍壓縮版本保存為普通 JFIF 文件，但在對 HDR 信息進行編碼的附加標記中添加了比率圖像。 與 HDR 圖像的其他 JPEG 格式（例如柯達的 ERI-JPEG 或全景工具軟件使用的 FJPEG）一樣，JPEG-HDR 目前（2009 年）不是很常見。