浅谈：HDR-视觉的魔术师

tayuzheng

认识HDR

HDR为High-Dynamic Range Imaging（高动态范围成像）的缩写。它可以扩大曝光的范围，让影像的明暗更为明显。听不懂？没关系，我们用一个范例来说明，您就会有概念了。

首先简单介绍人类眼睛的机制。人类的瞳孔可以控制射入视网膜的光线数量。如果身处暗处，瞳孔会放大，以捕捉更多的光线；身处亮处，瞳孔会缩小，避免过多的光线伤害视网膜上的视神经。根据环境的不同，瞳孔会有不同的反应，但是最后目标都是一样的：控制光线多寡，让眼睛以能接受的亮度来看这个世界。

图一：三种曝光的金属球和环境 [1]

这里我们用相机来模拟眼睛－光圈是瞳孔，照片是影像。看看上面这三张照片（图一）：三颗金属球分别属于不同的环境。左边的环境很暗，中间正常，右边则是光线过强。

如果我们身处左边的环境，瞳孔会慢慢放大，景象亮度慢慢增高，最后变成中间的景象。

如果我们身处右边的环境，瞳孔会慢慢缩小，景象亮度慢慢降低，最后变成中间的景象。

值得注意的是，左边照片因为曝光不足而偏暗，但是高亮度部份（如天空）却因此而能够显现其细节。右边的影像则是刚好相反：低亮度部份（如梁柱间的阴影）可以显现其细节。中间的正常影像，虽然亮部和暗部的表现相当平均，但是高亮度部份的细节没有左图清楚，低亮度部份的细节也没有右图清楚。

这个现象的原因是：人类眼睛感光的动态范围，比可见光的动态范围还小。所以，我们用肉眼视物，一定会或多或少损失一些光线的细节。

我们用下面这张图片来说明：我们将中间那条由暗转亮的长条视为真实世界光线的动态范围，下面的短长条代表人类眼睛感光的动态范围。根据下面短长条所位于的动态范围，对应景物的亮度也会随着改变。



图二：人眼感光动态范围和景物的关系


如果人类眼睛感光的动态范围和现实世界光线的动态范围一样大，那会是什么样的情形呢？看看下面这张照片（图三）就知道了：



图三：人眼感光动态范围和现实光线动态范围相同的影像表现

在图三里面，亮部和暗部的细节都比原本正常的图片还要更加清晰。这种影像具有更高的动态范围，也就是所谓的HDR；相对于HDR，一般影像只有普通的动态范围，我们就叫它们为LDR（Low-Dynamic Range，低动态范围）或是SDR（Standard- Dynamic Range，标准动态范围）。

受限于眼睛的结构，肉眼无法直接看见HDR的影像，不过却可以利用电脑合成技术，将一组具有不同曝光度的几张普通照片，组合成HDR照片。上面那颗金属球的HDR照片，就是利用这种方式合成出来的。

我们再用另一个范例来说明。这是花莲富里乡的六十石山（图四），照片的光圈由左而右逐渐变大。将这一组照片利用软体合成后，就能得到下面的HDR照片（图五）：




图四：花莲富里乡的六十石山，各种不同曝光度的照片集合[2]

图五：根据图四所合成出的HDR影像 [2]

HDR于3D游戏中的作用

3D游戏里面所谈到的HDR（高动态光照渲染），一样是High-Dynamic Range的缩写，原理和用途都也和上面我们讨论的HDR相同。其实HDR的理论出现也有好一阵子，但是受限于硬体和技术的限制，直到最近才开始普遍。 HDR可以模拟肉眼适应光线的变化，让场景更加逼真，提升游戏的真实感。同时也让景色更加鲜明，阴暗和明亮部份的细节也能更清楚地呈现。以下面的影片一为例，当手枪打破建筑物的玻璃后，强烈的光线让玩家的瞳孔收缩，四周原本的影像也暗了下来。一但视角转回阴暗的室内，过了一两秒，眼睛适应了黑暗，瞳孔慢慢放大，眼前昏暗的视线就逐渐亮了起来。

影片一：《战栗时空2：消失的海岸线》的HDR效果展示
http://www.youtube.com/watch?v=GGZcauihEww


HDR的简化模仿物：Bloom

HDR有个很类似的表亲：Bloom。 Bloom就如同字面上的意义，可以让3D物件发出光晕，模拟HDR的效果。在硬体实现HDR的实作前，Bloom被拿来模拟HDR的效果。但是Bloom和HDR主要不同的地方在于：HDR是藉由光源产生的，强度、颜色等方面可以动态控制；Bloom效果则是物体本身发出的光源，游戏无法动态控制Bloom的效果。换言之，HDR是活的，而Bloom是死的。

我们再以下面这个影片二为例：HDR的版本中，远端的山峦景致会被落日的光线以及湖面的反光所影响。但是Bloom的版本却不会，落日和湖面反光的光晕不会影响其余的物件和景观，使得整个场景看起来就是假假的。

《上古卷轴4：遗忘之都》针对HDR（左）和Bloom（右）的效果比较
http://www.youtube.com/watch?v=1WOqTReFDdI

HDR是万灵丹？

HDR的绚丽程度无庸置疑。藉由现代电脑设备的普及，HDR的影像可以轻易制作出来。加上HDR的优质表现潜力，令许多的创作者们趋之若鹜，都想让他们的作品具有绚丽的风貌。拿新海诚为例，像是天空和壮观的远景，搭配炫目的光线效果，简直漂亮得教人叹为观止（图六）。当然，毫无疑问是受到HDR的影响。笔者最近准备介绍的插画家ALPHONSE也是一样，作品用色光鲜亮丽，教人大饱眼福，直呼过瘾（图七）。

不过，HDR的作品具有一个相当大的缺点：违反自然。前面有说过，人的肉眼无法呈现HDR的景色，只能用合成的方式来「做」出HDR的画面。也就是说，HDR的影像会给观众一种不自然的感受。虽然刚开始会觉得美轮美奂，但是看久以后难免会感觉不舒服、很假、很做作。打个比方来说，就算把你丢到五星级的总统套房生活，一阵子以后你也会怀念着朴实自然的生活环境；多喝几次冷饮店的绿茶后，你也会想回去喝传统的茶叶泡出来的绿茶。

HDR就像调味料，巧妙的使用可以增添食物的滋味，过度使用则会有反效果。

图六：新海诚《秒速5センチメートル》的剧照

图七：ALPHONSE的作品《轨道》[3]

结语

HDR替这个世界的创作更添美丽的丰采。无论是CG、照片或是3D游戏，HDR都让我们能看见超越视觉限制的景色，见识到更为璀璨的视觉感受。或许以后会根据HDR原理，产生新技术或是新的视觉表现，让我们对HDR的未来拭目以待吧。

taotao19860626

我有好几个朋友看不习惯hdr，因为光暗变得明显了，不过个人感觉还好。

尘世巨蟒

我很喜欢这种科普贴，这个一定要顶