不再一拍即成，手持拍攝高品質(zhì)HDR照片的黑科技

無(wú)論是使用手機(jī)還是相機(jī)拍攝，你可能都遇到過(guò)這樣的問(wèn)題：光線太暗拍出的照片噪點(diǎn)太多;海邊日出，明暗差異極大，難以捕捉天空的細(xì)節(jié);烈日當(dāng)頭，想拍一個(gè)逆光的自己結(jié)果發(fā)現(xiàn)辦不到，等等。要解決這些問(wèn)題，就會(huì)涉及到高動(dòng)態(tài)范圍圖像（HDR）技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用多張曝光不同的照片組合成一張畫質(zhì)更好、動(dòng)態(tài)范圍更大的照片。而在計(jì)算攝影的時(shí)代，HDR技術(shù)已經(jīng)走得更遠(yuǎn)了。

谷歌HDR+技術(shù)

我們先來(lái)說(shuō)用手機(jī)實(shí)現(xiàn)更高動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)于手機(jī)上的攝像頭來(lái)說(shuō)，其進(jìn)光量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相機(jī)，希望在手機(jī)中獲取更高品質(zhì)的圖片不是一件輕而易舉的事。尤其是在室內(nèi)或夜間拍攝中，光線不足對(duì)手機(jī)攝影是非常大的限制。經(jīng)典的解決方案是應(yīng)用模擬或數(shù)字增益（粗暴提高感光度），此時(shí)雖然傳感器對(duì)于光線更加敏感了，但相關(guān)的噪聲也被等比放大了。而如果通過(guò)延長(zhǎng)曝光時(shí)間解決，震動(dòng)或拍攝對(duì)象移動(dòng)很可能導(dǎo)致發(fā)生運(yùn)動(dòng)模糊。

HDR+基本原理?HDR+對(duì)比效果，左圖和中圖為普通模式下的兩種拍攝，右圖為HDR+模式拍攝

怎么辦呢？在使用相機(jī)拍攝時(shí)，增加進(jìn)光量的方法有采用大光圈鏡頭、光學(xué)防抖、包圍曝光或閃光燈，而換做以簡(jiǎn)單、快速為主要賣點(diǎn)的手機(jī)攝影來(lái)說(shuō)，每種方法都有致命缺點(diǎn)：大光圈鏡頭又大又厚，手機(jī)裝不下;光學(xué)防抖同樣會(huì)增加鏡頭模組的體積和成本，同時(shí)如果被攝對(duì)象在抖動(dòng)，光學(xué)防抖也是無(wú)能為力的;采用包圍曝光，手持拍攝時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同照片無(wú)法對(duì)齊的情況，最終畫面里會(huì)出現(xiàn)重影、鬼影;手機(jī)閃光燈作用距離有限，只能在特殊環(huán)境下進(jìn)行補(bǔ)救，例如逆光自拍。

HDR+正是在這樣一種復(fù)雜約束的攝影創(chuàng)作需求中應(yīng)運(yùn)而生的。HDR+對(duì)于計(jì)算攝影的巨大貢獻(xiàn)，不僅大幅提升照片的最終畫質(zhì)，也直接推動(dòng)了全行業(yè)的快速進(jìn)步。

該怎么理解HDR+呢？如果拍攝過(guò)星野、銀河的朋友應(yīng)該知道，當(dāng)我們?cè)谂臄z夜景銀河時(shí)，通常會(huì)采用同樣的曝光參數(shù)拍攝多張，后期通過(guò)攝影堆棧的方式來(lái)提升畫質(zhì)、降低噪點(diǎn)。這個(gè)核心思想和HDR+如出一轍，不同的是，HDR+允許手機(jī)攝影用戶在手持拍攝的情況下，同時(shí)完成圖片堆棧，避免產(chǎn)生任何的重影和鬼影。

利用谷歌HDR+技術(shù)拍攝的樣張

利用谷歌HDR+技術(shù)拍攝的樣張

HDR+的實(shí)現(xiàn)方法

這些年，在每臺(tái)手機(jī)之中你幾乎都能找到HDR+的蹤跡。計(jì)算攝影的一大特征就是圖像不再是一拍即成，往往是拍攝很多張影像后，通過(guò)計(jì)算融合后得到的一張更高品質(zhì)的圖片。這個(gè)計(jì)算過(guò)程，讀者并不需要完全理解，因?yàn)樗请[形存在的。但是，通過(guò)對(duì)于其技術(shù)的解讀，一定能夠幫助我們更好地把HDR+的功效發(fā)揮到極致。

具體來(lái)講，HDR+處理高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景拍攝的方法包括三個(gè)步驟：

1.在拍攝照片時(shí)故意曝光不足，保留高光細(xì)節(jié)，攝影中我們也稱之為向右曝光;

2.捕獲多個(gè)畫面（幀）以減少暗部影像的噪聲;

3.使用本地色調(diào)映射壓縮動(dòng)態(tài)范圍（色調(diào)映射指在有限的動(dòng)態(tài)范圍媒介上近似顯示高動(dòng)態(tài)范圍圖像的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，不同的場(chǎng)景會(huì)搭配不同的色調(diào)映射曲線，谷歌針對(duì)近5000個(gè)場(chǎng)景單獨(dú)適配色調(diào)映射曲線——編者注）。

我們簡(jiǎn)單解釋下這三個(gè)步驟。首先，之所以故意欠曝進(jìn)行拍攝，是為了保留足夠多的高光細(xì)節(jié)，同時(shí)攝影者能以更快的快門速度來(lái)降低運(yùn)動(dòng)模糊的幾率，并利用多張合成的堆棧增強(qiáng)暗光部分畫質(zhì)。其次，多張合成的過(guò)程中，盡管采用同完全相同的曝光參數(shù)連拍多個(gè)影像，但小幅曝光變化也可能會(huì)導(dǎo)致堆棧對(duì)齊失敗進(jìn)而產(chǎn)生鬼影，所以需要設(shè)計(jì)一種可以去鬼影的算法來(lái)改善這個(gè)問(wèn)題。通常做法是在堆棧過(guò)程中選擇某一張圖作為參考圖，其他的圖片在進(jìn)行語(yǔ)義分割后向像參考圖進(jìn)行對(duì)齊，然后再分區(qū)進(jìn)行堆棧融合。通過(guò)對(duì)齊和合并多個(gè)幀畫面，可以生成了具有更高位深度、更高動(dòng)態(tài)范圍的一張圖片。再次，第三個(gè)步驟中要增加陰影，保留局部對(duì)比度，調(diào)整全局對(duì)比度，獲得一張觀感自然又不失視覺沖擊力的照片。

利用谷歌HDR+技術(shù)拍攝的樣張

利用谷歌HDR+技術(shù)拍攝的樣張

使用谷歌Pixel 4手機(jī)利用HDR+技術(shù)拍攝的星空

還要說(shuō)明的是，HDR+處理過(guò)程需要連拍影像，具體應(yīng)該采用幾連拍，是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和折衷得出來(lái)的。通常來(lái)講，在動(dòng)態(tài)范圍很高的場(chǎng)景中，我們希望有更多的畫面（幀）來(lái)提高信噪比，但是這也需要更多的時(shí)間和內(nèi)存來(lái)捕獲、緩沖和處理。而在明亮的場(chǎng)景中，盡管通常仍然可以使用更多圖像對(duì)抗相機(jī)抖動(dòng)模糊，但捕獲2張圖像已足夠。實(shí)際上，谷歌將連拍次數(shù)限制為2～8張。

HDR+的出現(xiàn)給手機(jī)攝影帶來(lái)十分驚艷的結(jié)果，谷歌公司也十分慷慨地向世人公開了幾乎所有技術(shù)細(xì)節(jié)，從而推動(dòng)了全行業(yè)的快速進(jìn)步。

Kandao Raw+

雖然谷歌非?？犊毓_了HDR+的軟件技術(shù)細(xì)節(jié)，使得其他手機(jī)廠商也可以采用類似的技術(shù)去提升自己的畫質(zhì)，但是傳統(tǒng)相機(jī)廠商并未能從中受益，因?yàn)镠DR+是一項(xiàng)綜合技術(shù)，需要結(jié)合相機(jī)自身的硬件去進(jìn)行精確適配。但傳統(tǒng)相機(jī)的硬件設(shè)計(jì)并不開放，因而鮮有廠商去跟進(jìn)。而KandaoRaw+這個(gè)計(jì)算攝影的軟件利器，讓所有傳統(tǒng)相機(jī)也能享受到先進(jìn)的計(jì)算攝影成果。如果說(shuō)HDR+是一套軟硬件結(jié)合的拍攝體系，那么Raw+則是把其中最為精華的智能堆棧降噪部分推廣到了所有相機(jī)。

Raw+的基本原理

使用Raw+前后的畫質(zhì)對(duì)比

使用Raw+前后的畫質(zhì)對(duì)比

谷歌的HDR+技術(shù)和Raw+技術(shù)的原理是一樣的，但后者更容易讓人接受，因?yàn)樗且粋€(gè)可以在電腦上運(yùn)行的圖像處理軟件。

Raw+的精妙之處在于通過(guò)連拍RAW格式照片，借助電腦一鍵智能對(duì)齊并且堆棧降噪，生成更高質(zhì)量的DNG文件，提升暗部細(xì)節(jié)表現(xiàn)力，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，還不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)包圍曝光HDR所帶來(lái)的鬼影。堆棧處理的操作很簡(jiǎn)單，將連拍的所有照片直接導(dǎo)入Raw+軟件，選定最精彩的一張作為參考圖，然后點(diǎn)擊渲染即可。由于Raw+運(yùn)行在計(jì)算資源更加豐富的PC/MAC端，因此其內(nèi)部可采用更加完美的堆棧降噪算法以提升降噪質(zhì)量，同時(shí)還能夠保證敏捷和快速。

具體應(yīng)用時(shí)，我們只需手持相機(jī)連拍獲得12bit或者14bit位深的RAW格式原始圖片，通過(guò)Raw+提升成為16bit的DNG圖片，后期處理的空間一下子拓展得很寬。更直觀地說(shuō)，我在出門旅游拍攝夜景的時(shí)候，已經(jīng)可以不帶三腳架了，只需帶一臺(tái)輕巧的卡片機(jī)，通過(guò)欠曝連拍配合Raw+堆棧，不但能夠得到高品質(zhì)的夜景照片，夜間流水和人流的表現(xiàn)力也是超出以往想象的。

借助Raw+這個(gè)圖像處理工具，固然可以借鑒谷歌的思想，采用欠曝的方式進(jìn)行拍攝，通過(guò)盡可能提升單張照片的有效位寬來(lái)得到一張高品質(zhì)的圖片。但是我們還可以走得更遠(yuǎn)，比如充分利用相機(jī)的寬容度，通過(guò)兩組不同曝光值的連拍圖片序列，在Raw+里面得到兩張曝光不同的高品質(zhì)圖片。再通過(guò)這兩張曝光值不相同的照片的融合得到一張高動(dòng)態(tài)范圍的、畫質(zhì)更極致的圖片。這種處理本質(zhì)上是把自動(dòng)包圍曝光的思想與攝影堆棧的方法進(jìn)行結(jié)合，其結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出HDR+。

使用小尺寸傳感器全景相機(jī)拍攝經(jīng)Raw+處理得到的照片，郭育青 攝

使用小尺寸傳感器全景相機(jī)拍攝經(jīng)Raw+處理得到的照片，郭育青 攝

最后需要說(shuō)明的是，不同于手機(jī)拍攝HDR+照片，KandaoRaw+不能幫你完成所有的操作。通過(guò)智能堆棧之后得到的仍是RAW格式文件，仍然需要去做調(diào)色修飾。只不過(guò)，智能堆棧增強(qiáng)了RAW格式照片的品質(zhì)，使得后期調(diào)整空間變得更大，調(diào)色的起點(diǎn)也會(huì)更高。

使用理光GRIII拍攝、Raw+處理得到的夜景照片，郭育青 攝