全面解读HDR

所谓HDR，是英文High-Dynamic Range的缩写，意为“高动态范围”。

关于数码照片的动态范围

　　千万不要以为动态范围（Dynamic Range）是数码相机特有的一个参数，更不要认为有了CG才有了动态范围的概念，严格来说，动态范围是一个信息工程学概念，存在于任何信号采集、处理与记录的过程中。如果抛开摄影的艺术价值不谈，单就其科学性而言，摄影的过程就是一个光信号采集与记录的过程，与录音机记录声音是一个道理，同样存在数据采集、数据处理、数据记录的过程。
　　动态范围不能简单理解为最大信号与最小信号之间的范围，而是最大“不失真”信号与噪声信号的比值。具体到数码相机而言，决定动态范围大小的环节有三个，首先是图像传感器（CCD/CMOS）采集光信号时的动态范围，表现为可记录的最亮与最暗信号间的差值范围；然后是A/D转换的动态范围，表现为进行数码采样时的数据位，8bit、12bit、14bit还是16bit等，数据位越高，生成数码信号的动态范围越大；最后是文件记录时的动态范围，是24bit真彩色还是48bit真彩色。
　　如果原始信号没有足够的动态范围，A/D转换精度再高也无济于事，而如果A/D转换精度不足，图像传感器的丰富信号还是要丢失很多。最终数码照片的动态范围是取决于三个环节中最小的那一个，由于我们最终得到的照片是经过A/D转换之后的记录，之前图像传感器本身的动态范围是多少已经无从考察，所以，A/D转换的过程对于动态范围的大小至关重要。

关于数码图像处理的A/D转换

      要深入理解数码照片动态范围的概念，不能不先说一下数码成像过程中的A/D转换问题。
　　数码感光元件的基本单位—像素（感光二极管）可以把光子转换为电子，电子信号由电荷电压转换器转换成电压，然后由A/D转换器——ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）采样，把模拟的电压信号转换成数字信号。由于在电脑中采用一系列由0和1组成的二进制代码来记录色彩和灰度，这组代码的位数就决定了能表示的色彩和灰度的数量。
　　一个1位的ADC仅仅能够记录两种色彩，白和黑。（2^1=2，二进制上为黑色“0” 和白色“1”）。当ADC采用8位记录色彩灰度信息时，我们将得到256（2^8=256）种不同的明暗梯度，而这仅仅是一条色彩通道，当我们考虑这个像素最终产生的是3条色彩通道的图像，我们就得到了256x256x256=16777216种色彩组合，也就是我们常说的24位色（每通道8位，3条通道一共24位），也就是所谓的真彩色。

      ADC的作用就是把连续变化的大小不同的电压信号，根据一定的精度划分成一系列不连续的梯度，并以二进制的数字方式记录下来。当采样的精度不高时，也就是能够分辨的电压差比较大时，得到的灰度梯度数量会比较少，画面也会不够连续。

       当灰度过渡达到256级时，我们已经不能分辨出相邻两个不同灰度之间的差异（实际上对于最下面一个灰度条，每个灰度还是大约两个像素的竖条），而成为连续过渡变化的，这是我们的眼睛能够分辨的极限。

“真HDR”和“伪HDR”

　　明白了A/D转换的位数问题，回过头来再谈HDR就比较明白了。
　　大家注意到，在本文开头，在谈到HDR照片时我用了“所谓”两个字，因为A/D转换和图像文件的数据位已经限定了数码照片动态范围的大小，对于只能记录24位图像信息的JPEG格式图像文件而言，是不可能有更“高动态范围”的，真正的HDR只存在于RAW文件和高数据位的TIFF文件，以及专有格式文件之中。
　　依目前的技术指标，计算机显卡在表示图象的时候是用8bit(256)级或16bit(65536)处理图像的，即使有所谓的HDR图像，也无法通过显示器呈现出与普通照片的区别。CG技术的HDR是以直接对应的方式记录亮度信息，记录了图片环境中的照明信息，因此我们可以使用这种图象来“照亮”场景，在“生成”图像的时候加入亮度信息，而HDR照片，事实上是凡是以JPG文件形式出现的，应该都说是一种“伪HDR”，只不过是将原来超出照片动态范围，被丢弃的那部分信息，映射叠加到8bit的范围之内而已。

　　而对于彩色的图像，每一个色彩都是由红绿蓝三种色调按照不同的比例混合而成，因此需要记录红绿蓝三个通道的灰度值。在24位色的情况下，（255，0，0）代表的就是饱和的纯红色，因为红色通道数值为255，而蓝绿色通道都为0，同理（0，255，0）为饱和的纯绿色，（0，0，255）为饱和的纯蓝色，而中间的色调都介于（0，0，0）黑色和（255，255，255）白色之间。这样得到的就是前面提到的1千6百多万的色彩组合，也是我们眼睛能够分辨的极限，这样的画面我们将不会发觉有不连续的banding出现，也就是所谓的真彩色。
　　一般消费级别的数码相机都配备了8位的ADC，也就是可以产生每通道256种灰度梯度。而高级一些的数码单反相机，由于配备了更精确以及动态范围更大的感光元件，能够记录更多的高光、暗部和中间色调的细微色调变化，因此为了配合能够记录的微小电压差异，常常选用10位（1024级/通道）甚至12位（4096级/通道）的ADC以精确的区分色调过渡。这些信息可以由RAW等格式记录下来，方便后期的进一步处理，而JPEG格式由于仅支持8位/通道的数据格式，显然无法记录全部的影调过渡信息，将丢失层次。
　　事实上在数码相机出现之前，风光摄影们早就在利用技术手段创造“伪HDR”照片了，“作伪”的手段就是渐变灰滤镜。直到今天，许多风光摄影仍随身携带渐变灰滤镜，如果现场光线的光比过大，超出了胶片或数码相机可记录的动态范围，摄影师就用渐变灰滤镜来压暗亮度过高的部位，使其细节能够被相机所记录。现在所谓的HDR只不过用数码技术代替了渐变灰滤镜而已。