高动态范围成像

高动态范围成像（HDRI，HDR图像，“具有高动态范围的图像”）或高对比度图像是指用于记录和再现具有1：1000左右的大亮度差异的图像的各种技术。 经典图像如果要与 HDR 区分开来，则称为低动态范围图像或 LDR 图像。

HDR 图像可以由许多相机直接捕捉，从具有正常动态范围（低动态范围，LDR）的照片包围曝光生成或直接计算为 3D 计算机图形。 在标准 (TFT) 屏幕和媒体上和/或在环境光下，它们只能在有限的范围内直接显示 - 它们必须降低亮度对比度才能显示。 这个过程称为动态压缩（色调映射）。 尽管如此，从HDR图像开始，可以避免曝光过度和曝光不足，可以更好地保留图像细节，并可以进行更深远的图像处理。 不仅摄影和计算机图形，医学或虚拟现实等应用程序也利用了这些优势。

HDR 照片的表现形式从非常自然和不引人注目的表现形式到具有夸张色彩和明显光晕的印象派或人工制品丰富的艺术照片。

大多数数字图像的每个红色、绿色和蓝色通道仅使用 256 级亮度（8 位）。 这种颜色深度通常不足以再现自然场景中出现的亮度差异。 很少使用更高的颜色深度，因为屏幕和印刷媒体无论如何都无法显示它们。

相机或观众可见的环境通常具有大约 10,000:1 的动态范围（最大和最小亮度之比）。 当光源可见时，或者当室内和阳光照射的室外区域都可见时，动态范围会显着增大。 人类视觉感知能够适应近十个数量级（10 倍）的光照条件； 在一个场景中最多可以同时看到大约五个数量级。

与视觉感知相反，使用传统数码相机拍摄的照片经常会出现曝光过度和曝光不足的问题。 借助高动态范围成像，创建的图像文件具有动态范围，可以更好地捕捉自然界中出现的整体亮度水平。 像素值与实际亮度成正比。 只有在显示 HDR 图像时，其亮度范围才会适当降低。 即使几乎所有屏幕的亮度范围仍然很低，HDR 图像也能提供优势； 例如，从 HDR 图像开始，极暗和极亮区域的细节都得以保留。

基于物理的图像合成（“渲染”）可能是 HDR 图像的xxx个应用。 Greg Ward Larson 于 1985 年开发的渲染软件 Radiance 使用内部浮点数来存储亮度值。 为了能够在不丢失亮度信息的情况下保存渲染图像，Ward 开发了 Radiance HDR 格式。 Paul Debevec 在保存高动态范围移动高光以模拟计算机动画中的运动模糊时，也探索了 HDR 技术。 早在 1968 年，奥本海姆等人就在不同的背景下发表了xxx个色调映射算子； 那里提出的原则已被一些最近的运营商重新发现。

高动态范围成像的应用涵盖以下领域：

• 图像合成。 对于基于物理的渲染器，亮度值必须用高动态范围表示，以便正确计算高对比度 3D 场景中光和材质的相互作用。 在建筑模拟等应用中，还必须计算xxx辐射值，以便正确评估照明条件。 还可以从 HDR 图像（基于图像的照明）照亮 3D 场景。 较新的显卡可以实时处理基本的 HDRI，这对计算机游戏来说尤其重要。

• 数码摄影。 在数码摄影中，HDR 图像避免过度曝光和曝光不足，并允许无问题的基于软件的白平衡。 尽管制造商随着时间的推移增加了图像传感器的动态范围，但 HDR 图像的动态范围迄今为止只有少数特殊相机才能实现。 到 HDR 图像使用传统相机，需要额外的工作。

• 图像编辑。 某些图像编辑程序的较新版本可以直接编辑 HDR 图像。 这允许在不牺牲饱和像素值的情况下进行亮度、对比度和颜色更改。 模糊等效果和滤镜在 HDR 图像中显得更加逼真，尤其是高光部分。

• 数字电影和视频。 中等动态范围的数字电影放映是可以预见的； 但是，此类电影的制作和剪辑将采用 HDR 格式。 已经提出了用于 HDR 视频数据的 MPEG-4 兼容编码。 另请参阅高动态范围视频。

• 虚拟现实。 通过万维网加载和交互式探索的传统全景图像和虚拟环境尤其容易出现曝光过度和曝光不足的问题。 如果全景图可用作 HDR 图像，则可以动态压缩在特定时间点可见的图像部分，从而创建更自然的图像效果。

• 监控系统和计算机视觉。 同时显示建筑物内部和外部图像细节的能力对于监控摄像机特别有用。 HDR 相机在极端光照条件下的稳健性也是机器视觉的一个优势。

• 医学。 在内窥镜检查中，需要尽可能小的图像传感器，即使在低光照条件下也能提供高质量的图像。 例如，作为欧洲 IVP 项目的一部分开发的传感器原型可提供超过 100 dB 的动态范围和最小尺寸。 正在为眼科开发人造视网膜，它可以刺激视障人士的视网膜视细胞，并且还具有高动态范围。

• 建筑和照明设计。 即使没有光度校准，HDRI 也可以相当准确地表示场景中的光分布。 通过拍摄真实比例的建筑模型，可以对规划建筑中的亮度条件做出定量说明。

对 HDR 图像中的像素值进行设备独立编码的常用方法有两种。 理想情况下，HDR 编码将眼睛的非线性感官印象近似于亮度级别。 这避免了图像中的不同亮度级别以看似不同的精度进行编码，并且避免了可见的颜色渐变。

HDR 数据也可以使用尾数和指数（作为浮点数）的组合进行编码。 连续的浮点数不具有恒定的比例，而是遵循锯齿曲线。 为了使颜色量化保持不可见，相对灰度（两个连续亮度值之差除以该值）不得超过 1%。

除了相对层次之外，HDR 编码的其他属性是色彩空间和色彩深度。 xxx亮度（单位为 cd/m²）的存储通常被省略。

所使用的图形格式决定了嵌入实际图像数据的附加数据结构，必须与像素值的编码区分开来。 一些 HDR 格式支持多种编码。

大多数程序支持的 HDR 格式都是无损压缩的。 但是，还开发了用于小文件大小的有损存储的 JPEG 格式的扩展。 此“JPEG-HDR”图像将 HDR 图像的动态范围压缩版本保存为普通 JFIF 文件，但在对 HDR 信息进行编码的附加标记中添加了比率图像。 与 HDR 图像的其他 JPEG 格式（例如柯达的 ERI-JPEG 或全景工具软件使用的 FJPEG）一样，JPEG-HDR 目前（2009 年）不是很常见。