HDR：創造沉浸體驗式“真”影像——兼論光與影像的關系

張寧

業界對HDR的關注點本質上可以概括為“所拍即所見”，畢竟攝影的首要問題是“忠實”的記錄，然后才是藝術處理使之更加“悅目”。HDR被熱捧還在于它是下一代影像標準中的關鍵詞，觀眾的期待聚焦在對影調更加逼真的再現。

人類對光的感受與人眼的進化密切相關，人眼借助瞳孔調節有驚人的視覺成像能力，可以捕獲1012：1的亮度范圍。無瞳孔調節時的人眼視覺參數也能達到光比105：1，相當于16.7檔光圈的寬容度。16+檔的HDR是數字影像追求的終極目標，如果從記錄、制作到最終顯示，整個傳遞過程都能達到這個目標，將會是再一次影像質量的“工業革命”。

在這個“所見即所得”的年代，還有幾個打心底里認同攝影是“用光書寫”這句話？對光的精確控制隨著圖像監看的數字化似乎已經變得“無足輕重”，實際上影視創作的天平已經過度向設備制造商傾斜，越來越方便的攝制流程和越來越強大的自動化控制，徹底顛覆了數字時代的創作生態。

可喜的是傾斜的天平的確把影像的質量提升了一大步，哪怕是一個初出茅廬的非專業人士，也能憑借設備的自動功能獲得較高質量的作品；可悲的是對于一些不求甚解的專業影視從業者來說，本應借助強大的數字再現能力完成超越膠片的高品質影像，卻因對智能設備的“盲從”，影像質量乏善可陳，停留在“膠片感”的自我滿足中。

膠片的時代創造出了許多偉大的作品，100多年來膠片電影一直是高品質影像的代名詞。然而自2010年后，數字影像技術的關鍵突破一下子激活了影像制造業的潛質，借助于新材料科學的強有力支撐，短短的5年時間數字影像的跨越式發展就徹底超越了按比例結構還原的膠片感，朝著沉浸式體驗的真實影像技術邁進。其中最關鍵的核心技術是對數伽馬和HDR1，要想徹底厘清這個問題，還要從“光”本身以及“光”與影像的關系說起。

1.光與人眼的進化

光是宇宙之源，蘊含著超乎想象的巨大能量。太陽并不算什么威力巨大的恒星，在銀河系中都排不上號。但即使如此，每秒鐘太陽只使用了它不到0.00000004%的能量就照耀了地球。在相距太陽1.5億公里人類賴以生存的這顆藍色星球上，透過大氣層的能量過濾，我們看到的直射陽光還高達10億尼特。如果嫌數字不夠感性，可以想象一下把10億支燭光的亮度匯聚成一點的情形。當然把這么高的亮度記錄下來是絕無可能也沒有必要的，因為人眼的極限是2～10萬尼特。超過這個限度，眼睛就再也分辨不出任何亮度變化了，10萬尼特以上的陽光普照給人們白晃晃的感受非常直觀的說明了這一點。

在人類長期的進化過程中，物種競爭優化了人眼結構，有利于提高生存幾率的機能不斷得到加強。自然萬物絕大多數屬于漫反射表面，并且反射率都在90%至1%之間，人類非常好的適應了這部分光線亮度。在人眼看來，這部分景物亮度適中，層次變化豐富。（圖1）

一張普通的A4打印紙在北京9月下午2點晴朗陽光的垂直照射下，它的亮度能達到27000尼特，這就是柯達定義的90%白。超過90%的超白部分一直到100%的假想白（理想白）很少見，是由夾雜著部分鏡面反射顆粒的漫反射物體制造的，像亮晶晶的白雪等。這部分超白亮度很大，接近人類眼睛的閾值上限，雖能被識別但層次感微弱。

漫反射表面不能制造超過假想白的高光，高光主要是光滑表面和鏡面反射制造的，像波光、汽車漆面定向反射等。對于人眼來說，這些光線全部被“消波”，推斷其原因，無非是在狩獵等生存進化中極少被用到，進而退化或從未進化出這部分能力。

1%～90%的漫反射物體在陽光直射下，亮度為約300～27000尼特。100%也就是30000尼特進入了人眼的閾值極限范圍，那在它之上的部分人眼是否能感受到其亮度變化呢？不同亮度的高光都會被“消波”，值得注意的是，雖然人眼對這部分高光沒有分辨其細節層次的能力，卻仍能根據光線對眼睛的刺痛程度比較其強弱。

人眼難道只能看到1%漫反射表面的亮度嗎？而且是300尼特？現今家庭液晶電視的亮度在200～400尼特之間，把液晶電視放在直射的陽光下時影像是絕對看不清楚的。據科學實驗證實，人眼的閾值下限的確可以達到更低，但這是在瞳孔調節到最大并且沒有更強的光線干擾的情況下才有效。

晴朗的白天，在1%黑以下，也就是300尼特以下是散射光照明，尤其是茂密的樹林，深邃的樹蔭、山洞等，其亮度可低至幾尼特，甚至零點幾尼特。不借助瞳孔調節，在明亮環境下人眼識別光線亮度的閾值下限是0.3尼特，相當于0.001%的漫反射表面的亮度。

有了具體的數據，就能準確的計算出人眼的寬容度。在瞳孔調節不介入的情況下，人眼可以識別的亮度范圍是0.3～30000尼特，約為105：1，換算成寬容度達到了16.7檔光圈。參考標準觀察者實驗的方法，用DSCLabs 17檔灰階測試卡實驗，人眼能夠分辨18級灰階的層次變化。人眼借助瞳孔調節還有驚人的暗視覺能力，最低能看到10-6尼特亮度。計算下來人眼的成像能力可以達到1012：1，相當于40檔光圈的寬容度，非常驚人。（圖2）

“光比105：1，16.7檔光圈的寬容度”，獲得無瞳孔調節的人眼視覺參數最重要，因為這才是數字影像追求的終極目標。從記錄到制作，最終到顯示，也就是光——電——光（ADA）的整個傳遞過程都能夠達到16+檔的HDR，創造沉浸式體驗的“真”影像，為數字影像技術的發展指明了方向。

2.按比例結構還原的膠片感

前些年被炒得沸沸揚揚的膠片感已經淡出歷史舞臺，作為技術發展的特定階段，膠片感的確引導了傳統感光材料向數字感光材料的轉變，其中核心的基礎框架是Cineon10規范2。

綜合膠片的感光性能（片基灰霧等）和人眼的關注范圍，柯達把自然景物中能反射1%黑色漫反射表面作為影調范圍的起點——黑；把最亮的漫反射表面大約是能反射90%光線的白色物體，像白墻、白襯衫等，定義為白；把超過90%的發光體或者耀眼的反射面，像太陽、燈光、水面反光等，定義為超白。這樣在視覺的亮度范圍內就有了三個參照：1%的黑、90%的白和太陽。于是，視亮度3范圍分成了兩個區域：1%黑至90%白之間，稱之為“正常視亮度”；大于90%的白，稱之為“超白”。正常視亮度范圍內的物品包括自然界大部分景物和日常用品，像衣服、皮膚、建筑物、動物等。雖然漫反射表面的“正常視亮度”的亮度范圍只占極小的一部分，但是人眼和膠片的非線性對數響應拉伸了這個范圍，同時壓縮了亮部。（圖3）

模擬量之間的轉換遵循著宇宙通行的法則。膠片和人眼都有兩個超級的能力，第一個是都有巨大的動態范圍（人眼比彩色負片多4.7檔），既可以記錄暗的物體，又可以捕獲差不多要亮數千倍的超白物體。第二個是在暗部具有非常豐富的細節，但對于非常明亮的物體，則只保留越來越少的細節。

在還原現實世界的道路上，膠片的偉大貢獻在于它以仿對數的特性放大了人眼的“關注范圍”（Area of Interest）。圖4是時任柯達旗下電影制作者辦事處的高級合成師和技術總監STEVE WRIGHT關于關注范圍的精彩說明，其中X軸是亮度的絕對值，等比例變化。Y軸是不透明度，以百分比來表示。隨著光線強度（數量）的遞增，膠片的不透明度也隨之增加，但并沒有像光線一樣等比例變化，而是變化的幅度在100以后迅速變緩。這正是物理感光材料的特性，隨著乳劑層未感光的顆粒變少，光化學反應迅速衰減直至停止。從100至1000，占比光量90%的內容對于視覺來說并沒有那么重要，在長期的進化中，人類的視覺系統壓縮了對這部分光線的反應，而強化了1-100之間占比10%代表地面景物的光線亮度范圍，毫無疑問，這部分“關注范圍”對一個物種的生存至關重要。

改造圖4的顯示方式，圖5以對數的形式匹配人眼的非線性特點，更有助于理解膠片在與人眼保持感知一致性方面的優勢。“關注范圍”得以放大，“定向高光”受到壓縮，膠片影調值的特性和人的視覺特性高度匹配。幾乎可以從中總結出一個哲理：模擬量對模擬量的再現天然符合自然定律。

借助于這條響應曲線，影視工業流程逐漸確定了創作的規范，攝影部門在拍攝時要先進行定光的工作。即先確定光圈值，記作N，在影調結構中數值是0.0Stops（0檔）。以此位置為基準設定場景標準中灰的亮度，然后通過照明手段，使各要素成像后的亮度按照創作需要合理分布在特性曲線上。

N點（0點）稱為曝光點或定光點，攝影曝光控制的中心工作就是圍繞N點，把燈光照明和所使用的攝影膠片特性精密結合，有目的的取舍，以最高的影像質量滿足“故事”的講述對形式的內在需求。

定光點上3檔到4檔是基準白，再往上3檔留給超白。定光點下5檔留給大部分中間調和所有暗部。

遺憾的是，商用的彩色負片寬容度“定格”在了12檔。相比人眼的16.7檔，只占不到十六分之一。而現在的數字攝影機通過改造傳感器自身的直線性特性，以對數的方式已經能夠實現15+檔的寬容度。隨著顯示技術的突破，很快便能匹配與人眼的感知一致性，在還原真實世界的道路上更進一步。

1.高動態范圍圖像（High-Dynamic Range，簡稱HDR），相比普通的圖像，可以提供更多的動態范圍和圖像細節，根據不同的曝光時間的LDR（Low-Dynamic Range）圖像，利用每個曝光時間相對應最佳細節的LDR圖像來合成最終HDR圖像，能夠更好的反映出真實環境中的視覺效果。

2.Cineon系統是一個突破性的基于計算機的數字電影系統，上世紀90年代柯達創建的。它由膠片掃描儀、膠片記錄儀和工作站組成（硬件和軟件），合稱為Cineon數字電影工作站，用于合成、特效、影像復原和色彩管理。

作為4K的端到端，10比特的數字電影制作解決方案，該系統超越了它的時代。該系統的三大組成部分（掃描儀，工作站軟件，和記錄儀）都獲得了單獨的電影藝術與科學學院的科學技術獎。

Cineon系統項目還負責設計數字電影的畫面處理，也即是著名的Cineon10，它是一個10比特對數格式，已經推出統治電影視效領域十余年，并成為SMPTE數字圖像交換格式DPX的基礎框架。

3.我國行業標準《建筑照明術語標準》（JGJT199—98）對視亮度定義為：“人眼知覺一個區域所發射光的多寡的視覺屬性”，視亮度是更多地從心理物理量和生理物理量的角度去研究光環境。

4.《Digital Compositing for Film and Video》，第三版，出版日期： 2010年5月3日，出版社： Focal Press，作者【美】STEVE WRIGHT，作者曾任柯達旗下電影制作者辦事處的高級合成師和技術總監。

5.同4。