论HDR对于立体视觉的增强作用

科技的不断进步推动着摄影扩大领域，作为工业时代的产物，拥有170多年的历史发展的传统式胶片摄影，在近年来的数字化革命中被重塑了，数码摄影因此而生。20世纪开始，数码摄影以新的朝气和样貌，带着速度和效率在在影像制造业不断生根发芽，硬件设备的跨越式发展催生了数字立体摄影。技术化梦想为可能，如今的数字立体摄影不仅继承了传统摄影所具有的真实感，更追求青出于蓝而胜于蓝，在保留传统拍摄技法的同时引入了数码化的硬件设备，致力于提高虚拟沉浸感。

一、HDR技术的运用原理

HDR——高动态范围图像（ High Dynamic Range） ，能够提供比普通图像更广阔的动态范围和更丰富的图像细节。通过采集不同的曝光时间的Low Dynamic Range（LDR）图像，自不同曝光时间对应的LDR图像采集最佳细节，合成HDR图像，借此模拟真实环境中的人眼视觉效果。布鲁墨于1987年提出的人眼视觉系统理论表明，在动态范围为108的真实场景下，人眼可观察到的亮度动态范围差异可达到105。HDR技术的特点可以概括为更大的色域、高亮度结合的色度空间、再现高动态范围的源图像。

HDR技术还能捕捉到更多的动态范围。根据李华对HDR图像光晕分析光照方向进行的测算实验，可得实物光晕信息的辐射点对比量的具体数据。使用HDR技术拍摄的实物摄影球，比在同一角度下用不同曝光时间拍摄的实物中光照信息含量更丰富，辐射化像素点的反射信息范围量也更多，进而证明HDR技术可以捕捉到更多的动态范围。

二、借助HDR增强人眼感知舒适度

在传统胶片摄影中，为降低过大的光比，摄影师用渐变灰滤镜压制亮度过高的区域，而在数字立体摄影中，HDR技术在记录大光比的场景方面拥有改善视觉感知体验、提高立体视觉舒适度的优势。人眼视觉感知系统包含了一系列感知、处理过程，图像通过眼球中的光学系统聚焦在视网膜之上，刺激感光细胞、令其发出神经脉冲信号，进而形成视觉感知。在复杂的人眼视觉系统中，图像所输入的信息并非平均地获取视觉系统的注意力，而是在其对比度敏感特性、掩盖效应和视觉兴趣性、多通道结构、视觉非线性定律等特点的共同作用下被视觉系统有选择地感知，相关研究者在实验的基础上提出了评价视觉敏感度、感知能力的标准。

对比度敏感可理解为人眼视觉在背景灰度值适中时感知能力较强，而对过高或者过低的灰度值缺乏敏锐的感知。Weber对比感知度描述了被描述位置相对于背景区域亮度的局部变化。实验证明亮度在2～1096cd/m2之间时，人眼能分辨出亮度的差异。根据Weber-Frecher定理，人眼对于亮度、光强变化的响应是非线性的。从对比度敏感延伸出去，掩盖效应也包含对比度掩盖。在小范围的图样中，若区域亮度剧烈变化，该区域的可见性、可感知度会更强，亮度变化微弱的区域则更容易在视觉上被忽略。

人眼视觉系统所出现的光适应性现象在立体摄影实践中可以得到应用。首先，从画面的视觉感知角度出发，大范围的高亮或暗部区域会拉低区域内部的Weber对比感知度，传达大量低频信息，无法令视觉感知获取足够有效视觉信息。其次，过大的光比引起视觉上的不舒适感，如白昼里直视烈日，影响了周边暗部信息的获取。采用HDR技术所拍摄制作的立体影像则规避过大的光比，通过符合人眼视觉系统的影像调整，模拟人眼真实的生理变化，对于对比度过大的区域进行针对性的亮度调整，使其满足差异可分辨的亮度标准，避免出现区域性大范围高亮或过暗，改善观看体验，进而增强立体视觉的沉浸感。

三、HDR对于图像细节效果的增强

HDR不仅能增强人眼舒适度而且在人眼观察图像的过程中也发挥着作用。其中，色调映射对图像的细节效果有显著的增强。作为一种贴于现实的图像处理方式，它通过设备解析视频中的色彩处理，在视觉上减少图像内容的损失从而实现“逼真”。当下的学者为了把技术更好地普及到生活，将色调映射的算法分为两个大类：局部色调映射和全局色调映射。色调映射算法分裂下有着诸多细分，不同的映射方式各有优缺，但皆为在自身的侧重上保留图像信息点及增强图像显示的“真实性”这一目的。以下几个研究案例可以证实其在图像细节上的诸多成效：

亮度是衡量图像细节效果的指标。在亮度上，通过人眼感知的舒适度就可知：人眼感知的最小亮度阈值和背景亮度有着明显规律，且主要在作用区向饱和区域范围发展。陆许民等人在研究中借助这一点，估算出亮度标准差来切补图像的照度直方图，达到压缩不失去细节的映射方式。其中实验数据可证明原始亮度直方图的拍摄和截切补偿后的图像像素损失数量极少，取原直方图中段的像素数平均值位于1250间时，切补后的直方图仅略高于1250值。原最高点为2000以上的过饱和曝光部分经过切补到1500个像素数，适应了人眼的感知范围。经亮度自适应算法后的图像和原图相比，高亮处压暗，暗部区域的图像的阴影细节丰富有层次。图像层次更加鲜明逼真。这证实了HDR色调映射的方式在图像亮度上保留有着显著成效。

细节是展现实际效果的关键所在。在细节上，张尚伟等人对色调映射细节保留和色彩恢复的实验中，将图像的亮度信息分为反射层和光照层，经双边滤波提取出两边的细节和基本信息，整合并校正还原出图像的色彩效果。该算法处理过的图像光影信息比只经过双边滤波处理得到的高出8.5%，像素数曲线分布的更为稳定平均，信息量高出9.4%。多种色调映射方式均对图像的细节效果有所增强且愈加接近真实场景的色彩效果和明暗光影。

HDR技术在图像上的增强除了实验上的证实，在生活中也有诸多运用实例。17年央视的元宵晚会的现场录制中采用HDR live。借助HDR监视器录制的画面展现出更多的层次细节，带给观者不同于传统录制、更为直观细腻的视觉感受。而且，它在图像细节上的增强也有助于增加立体视觉摄影作品等方面的表现力。可见，HDR技术的运用之广。

四、未来展望

HDR的色调映射技术在图像质量以及裸眼舒适度有着显著成效，其应用不拘于图像上的立体增强，于影视、灯光投影、3D体验等领域中也可发挥所长。于17年俄罗斯的圣彼得堡就举行了大型裸眼3D立体灯光秀，以东宫建筑的外墙为荧幕来投射介绍俄罗斯历史事迹的影片。影片的多方式、多维度的运用，为HDR技术的发展方向拓宽了视野。于17年国庆期间，峨眉山七里坪景区开设国内首个裸眼3D沉浸式全景体验剧场。漫游影片借助2700块的LED显示屏来全方位地展示七里坪的秀丽风光。根据人眼特性，利用3D技术、实景VR、全景数字影像多媒体等技术合成视频，让观众通过近大远小的画面效果来裸眼畅游景区。

HDR的色调映射为展现出更好的立体视觉效果打下了坚实的基础，诸多创新的科技实践也为HDR技术的运用迈出了新的一步，为HDR技术的发展拓宽了更大的发展空间。HDR技术作为新技术、新趋势，必然能够逐步发展、逐步完备，从而真正达到沉浸式的立体视觉，将“虚”化“实”。

[1]卡洛琳·M·布鲁墨.视觉原理[M].北京大学出版社，1987.

[2]陈红.4K HDR高动态范围制作技术[J].影视制作，2017，23（7）：16-28.

[3]陆佳元.数字摄影新手法——HDR摄影[J].电影评介，2011（4）：67-68.

[4]丁绪星，朱日宏，李建欣.一种基于人眼视觉特性的图像质量评价[J].中国图象图形学报，2004（02）：65-69.

[5]孙乐.基于HVS（Human Visual System）的H.264/AVC码率控制算法研究[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所），2014.

[6]陆许明，朱雄泳，李智文，麦建业，谭洪舟.一种亮度可控与细节保持的[J].《自动化学报》，2015，41（6）：1080-1092.

[7]张尚伟，曾平，罗雪梅，郑海红.具有细节补偿和色彩恢复的多尺度Retinex色调映射算法[J].《西安交通大学学报》，2012，46（4）：32-37.