論HDR對于立體視覺的增強(qiáng)作用

科技的不斷進(jìn)步推動著攝影擴(kuò)大領(lǐng)域，作為工業(yè)時代的產(chǎn)物，擁有170多年的歷史發(fā)展的傳統(tǒng)式膠片攝影，在近年來的數(shù)字化革命中被重塑了，數(shù)碼攝影因此而生。20世紀(jì)開始，數(shù)碼攝影以新的朝氣和樣貌，帶著速度和效率在在影像制造業(yè)不斷生根發(fā)芽，硬件設(shè)備的跨越式發(fā)展催生了數(shù)字立體攝影。技術(shù)化夢想為可能，如今的數(shù)字立體攝影不僅繼承了傳統(tǒng)攝影所具有的真實(shí)感，更追求青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，在保留傳統(tǒng)拍攝技法的同時引入了數(shù)碼化的硬件設(shè)備，致力于提高虛擬沉浸感。

一、HDR技術(shù)的運(yùn)用原理

HDR——高動態(tài)范圍圖像（ High Dynamic Range） ，能夠提供比普通圖像更廣闊的動態(tài)范圍和更豐富的圖像細(xì)節(jié)。通過采集不同的曝光時間的Low Dynamic Range（LDR）圖像，自不同曝光時間對應(yīng)的LDR圖像采集最佳細(xì)節(jié)，合成HDR圖像，借此模擬真實(shí)環(huán)境中的人眼視覺效果。布魯墨于1987年提出的人眼視覺系統(tǒng)理論表明，在動態(tài)范圍為108的真實(shí)場景下，人眼可觀察到的亮度動態(tài)范圍差異可達(dá)到105。HDR技術(shù)的特點(diǎn)可以概括為更大的色域、高亮度結(jié)合的色度空間、再現(xiàn)高動態(tài)范圍的源圖像。

HDR技術(shù)還能捕捉到更多的動態(tài)范圍。根據(jù)李華對HDR圖像光暈分析光照方向進(jìn)行的測算實(shí)驗(yàn)，可得實(shí)物光暈信息的輻射點(diǎn)對比量的具體數(shù)據(jù)。使用HDR技術(shù)拍攝的實(shí)物攝影球，比在同一角度下用不同曝光時間拍攝的實(shí)物中光照信息含量更豐富，輻射化像素點(diǎn)的反射信息范圍量也更多，進(jìn)而證明HDR技術(shù)可以捕捉到更多的動態(tài)范圍。

二、借助HDR增強(qiáng)人眼感知舒適度

在傳統(tǒng)膠片攝影中，為降低過大的光比，攝影師用漸變灰濾鏡壓制亮度過高的區(qū)域，而在數(shù)字立體攝影中，HDR技術(shù)在記錄大光比的場景方面擁有改善視覺感知體驗(yàn)、提高立體視覺舒適度的優(yōu)勢。人眼視覺感知系統(tǒng)包含了一系列感知、處理過程，圖像通過眼球中的光學(xué)系統(tǒng)聚焦在視網(wǎng)膜之上，刺激感光細(xì)胞、令其發(fā)出神經(jīng)脈沖信號，進(jìn)而形成視覺感知。在復(fù)雜的人眼視覺系統(tǒng)中，圖像所輸入的信息并非平均地獲取視覺系統(tǒng)的注意力，而是在其對比度敏感特性、掩蓋效應(yīng)和視覺興趣性、多通道結(jié)構(gòu)、視覺非線性定律等特點(diǎn)的共同作用下被視覺系統(tǒng)有選擇地感知，相關(guān)研究者在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了評價視覺敏感度、感知能力的標(biāo)準(zhǔn)。

對比度敏感可理解為人眼視覺在背景灰度值適中時感知能力較強(qiáng)，而對過高或者過低的灰度值缺乏敏銳的感知。Weber對比感知度描述了被描述位置相對于背景區(qū)域亮度的局部變化。實(shí)驗(yàn)證明亮度在2～1096cd/m2之間時，人眼能分辨出亮度的差異。根據(jù)Weber-Frecher定理，人眼對于亮度、光強(qiáng)變化的響應(yīng)是非線性的。從對比度敏感延伸出去，掩蓋效應(yīng)也包含對比度掩蓋。在小范圍的圖樣中，若區(qū)域亮度劇烈變化，該區(qū)域的可見性、可感知度會更強(qiáng)，亮度變化微弱的區(qū)域則更容易在視覺上被忽略。

人眼視覺系統(tǒng)所出現(xiàn)的光適應(yīng)性現(xiàn)象在立體攝影實(shí)踐中可以得到應(yīng)用。首先，從畫面的視覺感知角度出發(fā)，大范圍的高亮或暗部區(qū)域會拉低區(qū)域內(nèi)部的Weber對比感知度，傳達(dá)大量低頻信息，無法令視覺感知獲取足夠有效視覺信息。其次，過大的光比引起視覺上的不舒適感，如白晝里直視烈日，影響了周邊暗部信息的獲取。采用HDR技術(shù)所拍攝制作的立體影像則規(guī)避過大的光比，通過符合人眼視覺系統(tǒng)的影像調(diào)整，模擬人眼真實(shí)的生理變化，對于對比度過大的區(qū)域進(jìn)行針對性的亮度調(diào)整，使其滿足差異可分辨的亮度標(biāo)準(zhǔn)，避免出現(xiàn)區(qū)域性大范圍高亮或過暗，改善觀看體驗(yàn)，進(jìn)而增強(qiáng)立體視覺的沉浸感。

三、HDR對于圖像細(xì)節(jié)效果的增強(qiáng)

HDR不僅能增強(qiáng)人眼舒適度而且在人眼觀察圖像的過程中也發(fā)揮著作用。其中，色調(diào)映射對圖像的細(xì)節(jié)效果有顯著的增強(qiáng)。作為一種貼于現(xiàn)實(shí)的圖像處理方式，它通過設(shè)備解析視頻中的色彩處理，在視覺上減少圖像內(nèi)容的損失從而實(shí)現(xiàn)“逼真”。當(dāng)下的學(xué)者為了把技術(shù)更好地普及到生活，將色調(diào)映射的算法分為兩個大類：局部色調(diào)映射和全局色調(diào)映射。色調(diào)映射算法分裂下有著諸多細(xì)分，不同的映射方式各有優(yōu)缺，但皆為在自身的側(cè)重上保留圖像信息點(diǎn)及增強(qiáng)圖像顯示的“真實(shí)性”這一目的。以下幾個研究案例可以證實(shí)其在圖像細(xì)節(jié)上的諸多成效：

亮度是衡量圖像細(xì)節(jié)效果的指標(biāo)。在亮度上，通過人眼感知的舒適度就可知：人眼感知的最小亮度閾值和背景亮度有著明顯規(guī)律，且主要在作用區(qū)向飽和區(qū)域范圍發(fā)展。陸許民等人在研究中借助這一點(diǎn)，估算出亮度標(biāo)準(zhǔn)差來切補(bǔ)圖像的照度直方圖，達(dá)到壓縮不失去細(xì)節(jié)的映射方式。其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可證明原始亮度直方圖的拍攝和截切補(bǔ)償后的圖像像素?fù)p失數(shù)量極少，取原直方圖中段的像素數(shù)平均值位于1250間時，切補(bǔ)后的直方圖僅略高于1250值。原最高點(diǎn)為2000以上的過飽和曝光部分經(jīng)過切補(bǔ)到1500個像素數(shù)，適應(yīng)了人眼的感知范圍。經(jīng)亮度自適應(yīng)算法后的圖像和原圖相比，高亮處壓暗，暗部區(qū)域的圖像的陰影細(xì)節(jié)豐富有層次。圖像層次更加鮮明逼真。這證實(shí)了HDR色調(diào)映射的方式在圖像亮度上保留有著顯著成效。

細(xì)節(jié)是展現(xiàn)實(shí)際效果的關(guān)鍵所在。在細(xì)節(jié)上，張尚偉等人對色調(diào)映射細(xì)節(jié)保留和色彩恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)中，將圖像的亮度信息分為反射層和光照層，經(jīng)雙邊濾波提取出兩邊的細(xì)節(jié)和基本信息，整合并校正還原出圖像的色彩效果。該算法處理過的圖像光影信息比只經(jīng)過雙邊濾波處理得到的高出8.5%，像素數(shù)曲線分布的更為穩(wěn)定平均，信息量高出9.4%。多種色調(diào)映射方式均對圖像的細(xì)節(jié)效果有所增強(qiáng)且愈加接近真實(shí)場景的色彩效果和明暗光影。

HDR技術(shù)在圖像上的增強(qiáng)除了實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)，在生活中也有諸多運(yùn)用實(shí)例。17年央視的元宵晚會的現(xiàn)場錄制中采用HDR live。借助HDR監(jiān)視器錄制的畫面展現(xiàn)出更多的層次細(xì)節(jié)，帶給觀者不同于傳統(tǒng)錄制、更為直觀細(xì)膩的視覺感受。而且，它在圖像細(xì)節(jié)上的增強(qiáng)也有助于增加立體視覺攝影作品等方面的表現(xiàn)力。可見，HDR技術(shù)的運(yùn)用之廣。

四、未來展望

HDR的色調(diào)映射技術(shù)在圖像質(zhì)量以及裸眼舒適度有著顯著成效，其應(yīng)用不拘于圖像上的立體增強(qiáng)，于影視、燈光投影、3D體驗(yàn)等領(lǐng)域中也可發(fā)揮所長。于17年俄羅斯的圣彼得堡就舉行了大型裸眼3D立體燈光秀，以東宮建筑的外墻為熒幕來投射介紹俄羅斯歷史事跡的影片。影片的多方式、多維度的運(yùn)用，為HDR技術(shù)的發(fā)展方向拓寬了視野。于17年國慶期間，峨眉山七里坪景區(qū)開設(shè)國內(nèi)首個裸眼3D沉浸式全景體驗(yàn)劇場。漫游影片借助2700塊的LED顯示屏來全方位地展示七里坪的秀麗風(fēng)光。根據(jù)人眼特性，利用3D技術(shù)、實(shí)景VR、全景數(shù)字影像多媒體等技術(shù)合成視頻，讓觀眾通過近大遠(yuǎn)小的畫面效果來裸眼暢游景區(qū)。

HDR的色調(diào)映射為展現(xiàn)出更好的立體視覺效果打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)，諸多創(chuàng)新的科技實(shí)踐也為HDR技術(shù)的運(yùn)用邁出了新的一步，為HDR技術(shù)的發(fā)展拓寬了更大的發(fā)展空間。HDR技術(shù)作為新技術(shù)、新趨勢，必然能夠逐步發(fā)展、逐步完備，從而真正達(dá)到沉浸式的立體視覺，將“虛”化“實(shí)”。

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