色调映射与HDR成像

高动态范围成像捕捉并呈现场景中光线的完整范围，而色调映射则压缩该范围，使其能够在对比度有限的显示器和打印件上显示。

Definition

HDR成像是指在完整范围内获取和表示场景亮度，而色调映射是将HDR值转换为输出设备有限范围的过程。

Scope

本主题涵盖通过组合不同曝光的照片来恢复HDR辐射图、HDR图像的编码和存储，以及全局和局部色调再现运算符，这些运算符将高范围值映射到可显示范围，同时保留细节和视觉印象。

Core questions

• 如何捕捉场景的完整亮度范围？
• 如何将不同曝光的图像组合成一张HDR图像？
• 如何在低范围显示器上显示高范围图像？
• 在整体对比度被压缩的同时，如何保留局部细节？

Key concepts

• 动态范围
• 多重曝光捕捉
• 相机响应恢复
• HDR图像编码
• 全局和局部色调映射
• 细节保留

Key theories

从多重曝光中恢复HDR

通过对场景进行多次曝光拍摄并恢复相机响应曲线，可以重建超出任何单次曝光范围的真实场景辐射，从而生成高动态范围图像。

色调再现运算符

将HDR值映射到显示器需要压缩对比度；全局运算符对所有像素应用一个曲线，而局部运算符则适应邻域以保留细节，这借鉴了摄影和感知原理。

Clinical relevance

色调映射和HDR是数码摄影和智能手机摄影、HDR显示器和电视、基于物理渲染输出以及视觉效果中基于图像照明的核心技术。

History

Debevec和Malik于1997年提出的从照片中恢复HDR辐射的方法催生了HDR成像；2000年代出现了一系列色调再现运算符，随后HDR捕捉和显示成为标准的消费级功能。

Key figures

• Paul Debevec
• Jitendra Malik
• Erik Reinhard

Seminal works

• debevec1997
• reinhard2002

Frequently asked questions

如果场景以HDR格式捕捉，为什么还需要色调映射？

真实场景的亮度范围远超显示器或打印件所能显示，因此必须通过色调映射压缩捕捉到的高范围值，以适应输出设备，同时保持图像的自然观感。

如何用普通相机制作HDR照片？

对同一场景拍摄几张不同曝光的照片，然后软件将它们组合起来，利用亮曝光捕捉阴影细节，利用暗曝光捕捉高光细节，从而生成一张高动态范围图像。