HDR多幀合成技術(shù)的應(yīng)用研究

溫佳寶

（中國(guó)傳媒大學(xué) 播音主持藝術(shù)學(xué)院，北京 100024）

0 引 言

近幾年，影視技術(shù)更新?lián)Q代的速度有所提升，作為輔助影視拍攝與制作的基礎(chǔ)，高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）技術(shù)逐漸被人們所熟知。由于不同拍攝方案對(duì)畫(huà)面色彩、光線及動(dòng)態(tài)范圍所提出的要求通常存在一定的差異，只有采用不同技術(shù)才能保證拍攝效果達(dá)到預(yù)期，因此，圍繞HDR技術(shù)的應(yīng)用范圍及應(yīng)用要點(diǎn)展開(kāi)討論很有必要。

1 HDR多幀合成技術(shù)介紹

1.1 定 義

HDR所描述的對(duì)象是高動(dòng)態(tài)圖像，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是動(dòng)態(tài)范圍較大，同時(shí)色彩細(xì)節(jié)豐富的圖像[1]。相較于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR），HDR的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在色彩豐富、色域深廣以及細(xì)節(jié)處理精細(xì)等方面。HDR現(xiàn)已在影視行業(yè)得到了極為廣泛的應(yīng)用。

1.2 算 法

使用HDR技術(shù)合成圖像的步驟如下：

第一步，圖像配準(zhǔn)，以圖像處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為前提，對(duì)輸入圖像進(jìn)行精確配準(zhǔn)；

第二步，對(duì)曝光不同的圖像進(jìn)行處理，獲得對(duì)應(yīng)輻射度圖像；

第三步，分別對(duì)各輻射度圖像的權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)權(quán)重值合成圖像。

曝光時(shí)長(zhǎng)、CMOS灰度與輻照度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可通過(guò)以下公式進(jìn)行描述：

式中：E(i,j)代表圖像i對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)j的輻照度，T(i)代表曝光時(shí)長(zhǎng)。

1.3 應(yīng)用原理

HDR技術(shù)的特點(diǎn)體現(xiàn)在色域方面，具有十分深廣的色域，可被用來(lái)對(duì)不同照明度下的畫(huà)面細(xì)節(jié)進(jìn)行突出?，F(xiàn)階段，該技術(shù)主要被用來(lái)對(duì)客體存在明顯光影差異的畫(huà)面進(jìn)行拍攝。例如，利用相機(jī)連續(xù)拍攝某客體，通常會(huì)獲得曝光度存在一定差異的多張照片，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用HDR技術(shù)對(duì)拍攝所獲得照片進(jìn)行合成處理，便可獲得具有廣泛色域的圖像[2]。

2 影視拍攝中HDR多幀合成的應(yīng)用要點(diǎn)

作為一種拍攝并制作影像的方法，HDR技術(shù)多應(yīng)用在拍攝環(huán)節(jié)和后期制作環(huán)節(jié)。本文選擇從該技術(shù)所具有的特性出發(fā)，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景及要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 明暗交替

圖1所示為某電影畫(huà)面截圖，其中夜景畫(huà)面由燭火燈光、暗夜構(gòu)成，明暗反差明顯，使得該畫(huà)面呈現(xiàn)出了極強(qiáng)的立體感與層次感，既沒(méi)有因燭燈的存在而出現(xiàn)畫(huà)面整體泛白的情況，又巧妙地弱化了夜晚拍攝所造成的影響，有效規(guī)避了畫(huà)面晦澀暗淡的問(wèn)題。雖然亭臺(tái)上部與天空相連，卻沒(méi)有出現(xiàn)混沌不清的情況，人們能夠清晰地勾勒出亭臺(tái)的形狀。之所以能夠達(dá)到這樣的效果，主要是因?yàn)楣ぷ魅藛T應(yīng)用了HDR技術(shù)，通過(guò)還原真實(shí)細(xì)節(jié)的方式，使畫(huà)面擁有了更廣的動(dòng)態(tài)范圍和更理想的質(zhì)感。

圖1 電影截圖

2.2 強(qiáng)光特寫(xiě)

對(duì)人物進(jìn)行攝錄時(shí)，多數(shù)攝影師均不會(huì)使用HDR技術(shù)，這是因?yàn)?，過(guò)于細(xì)膩的面部表情會(huì)在一定程度上放大人物面部的缺陷，進(jìn)而使人們的觀看體驗(yàn)受到影響[3]。現(xiàn)階段，HDR技術(shù)主要被用來(lái)對(duì)強(qiáng)光特寫(xiě)鏡頭進(jìn)行處理，這是因?yàn)槿祟惖拿娌看嬖诙鄠€(gè)轉(zhuǎn)折面，在燈光、陽(yáng)光的照射下，極易出現(xiàn)一側(cè)炫光、另一側(cè)陰影的情況。應(yīng)用HDR技術(shù)，可將炫光以及陰影消除，使面部特征更加自然、和諧。如果情節(jié)需要對(duì)角色進(jìn)行突出，攝影師往往會(huì)采取擴(kuò)大光圈的做法，雖然這樣做能夠凸顯背景細(xì)節(jié)，卻會(huì)造成面部過(guò)度曝光的情況，反之，縮小光圈能夠避免面部過(guò)曝，但又會(huì)弱化畫(huà)面所具有的沖擊力。此時(shí)應(yīng)用HDR技術(shù)，既能夠保留細(xì)節(jié)，又可以避免畫(huà)面背景明暗失調(diào)，強(qiáng)化角色所具有的立體感。

2.3 宏大風(fēng)景

對(duì)宏大風(fēng)景進(jìn)行拍攝時(shí)，HDR技術(shù)主要被用來(lái)彌補(bǔ)海洋與天空、天空與陸地間所存在的反差。電影《楚門的世界》有這樣的一幕畫(huà)面：在陽(yáng)光的映射下，海面所反射的光線、太陽(yáng)以及海面近景三者之間表現(xiàn)出了巨大反差。若不使用HDR技術(shù)，傳統(tǒng)設(shè)備攝錄通常無(wú)法獲得理想的畫(huà)面，無(wú)法在保證近景帆船、海面和人物表情得到展現(xiàn)的前提下，對(duì)遠(yuǎn)景太陽(yáng)、云層狀態(tài)進(jìn)行勾勒。照射在海面上的光線并沒(méi)有出現(xiàn)絢白的情況，而是以極為自然且和諧的狀態(tài)與海面進(jìn)行了融合。由此可見(jiàn)，對(duì)色彩、光線變化極為復(fù)雜的宏大場(chǎng)景而言，僅憑借常規(guī)設(shè)備進(jìn)行拍攝，極易受到光影對(duì)比的影響，導(dǎo)致無(wú)法有效捕捉細(xì)節(jié)。應(yīng)用HDR技術(shù)，有利于色彩、光線的展現(xiàn)?；诖怂@得的影像作品，通常能夠達(dá)到光線均勻、畫(huà)面細(xì)膩的要求。

2.4 逆光+強(qiáng)光

電影《非凡任務(wù)》有大量室內(nèi)鏡頭均使用了逆光拍攝手法，其特點(diǎn)是遠(yuǎn)景亮、近景暗。在晴朗的戶外，環(huán)境照度值約為40 000～120 000 lux，如圖2 的電影畫(huà)面所示，前景為水面，受太陽(yáng)照射、波光反射影響，對(duì)應(yīng)環(huán)境照度值可達(dá)80 000 lux，背光照度僅有500 lux，遠(yuǎn)近景對(duì)比明顯，實(shí)景動(dòng)態(tài)范圍較攝像機(jī)所能容納的范圍更大[4]。沒(méi)有利用HDR技術(shù)進(jìn)行處理時(shí)，工作人員往往無(wú)法做到將亮處的河水等遠(yuǎn)景與背光的環(huán)境及人物充分融合。室內(nèi)逆光、室外強(qiáng)光所形成的光比數(shù)值比現(xiàn)有攝像機(jī)所規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍略大，應(yīng)用HDR技術(shù)是必然選擇。

圖2 《非凡任務(wù)》截圖

3 HDR多幀合成在畫(huà)面制作中的應(yīng)用研究

3.1 雙視頻軌道

對(duì)畫(huà)面進(jìn)行后期制作的常規(guī)方法是在將雙視頻軌道參數(shù)調(diào)整為過(guò)曝、欠曝的基礎(chǔ)上，設(shè)置相應(yīng)的人物與場(chǎng)景，隨后通過(guò)合成不同影像的方式得到最終畫(huà)面。采用這種方法，面臨一些問(wèn)題，主要是現(xiàn)有攝錄設(shè)備中具備雙視頻軌道的設(shè)備占比較小，在制作資金有限的情況下，多數(shù)劇組都會(huì)選擇使用傳統(tǒng)設(shè)備完成攝錄、制作影片的工作。然而，雙軌功能與同時(shí)攝錄不同，該功能強(qiáng)調(diào)以AB軌交錯(cuò)為前提，拍攝處于靜止或緩慢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的對(duì)象，若攝錄對(duì)象存在快速移動(dòng)的情況，極易使畫(huà)面出現(xiàn)模糊或重影的問(wèn)題，此時(shí)便需要工作人員進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，以保證畫(huà)面可達(dá)到拍攝要求。

3.2 雙機(jī)位拍攝

雙機(jī)位拍攝的重點(diǎn)是同時(shí)使用參數(shù)不同的兩組設(shè)備進(jìn)行錄制。在實(shí)際操作環(huán)節(jié)，工作人員通常將兩組設(shè)備的狀態(tài)設(shè)置成過(guò)曝、欠曝，通過(guò)后期制作的方式，對(duì)曝光系數(shù)不同的兩組圖像進(jìn)行合成，獲得相應(yīng)的HDR圖像。同時(shí)使用兩組設(shè)備進(jìn)行錄制，錄制支架所需的穩(wěn)定性難以得到保證，反光鏡片、三棱鏡出現(xiàn)光學(xué)畸變的情況難以避免，這使得影像完全重合的難度較高。鑒于此，有關(guān)人員提出，應(yīng)在后期制作時(shí)分別對(duì)兩組影像進(jìn)行調(diào)整，保證二者能夠完全重合。該技術(shù)存在合成質(zhì)量不穩(wěn)定、拍攝步驟煩瑣的缺陷，隨著影視行業(yè)的進(jìn)步，該技術(shù)已逐漸退出歷史舞臺(tái)。

3.3 更改拍攝格式

利用RAW格式進(jìn)行拍攝，可解決上述方法所存在的問(wèn)題。RAW格式的特點(diǎn)是不對(duì)文件進(jìn)行壓縮處理，保證拍攝信息及元數(shù)據(jù)可得到完整記錄。作為記錄利用CCD/CMOS對(duì)光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)電平高低的載體，RAW格式可以被簡(jiǎn)單地理解為對(duì)攝影元件所獲得的電信號(hào)進(jìn)行處理所獲得的文件。應(yīng)用RAW格式，設(shè)備通常會(huì)自動(dòng)生產(chǎn)涵蓋白平衡、飽和度及對(duì)比度的文件，最大限度地保留圖像信息，為影視畫(huà)面的制作提供便利。

要充分發(fā)揮RAW格式的優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵是要掌握具體的拍攝方法。影像制作有手動(dòng)制作、自動(dòng)制作兩種方法。手動(dòng)制作是先對(duì)各特殊區(qū)域進(jìn)行遮罩處理，再通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的方式完成細(xì)節(jié)處理工作，該方法需要對(duì)畫(huà)面進(jìn)行逐幀處理，工作量大，工作難度高[5]。隨著計(jì)算機(jī)算法的持續(xù)優(yōu)化，自動(dòng)合成算法應(yīng)運(yùn)而生，既能夠減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，又可以保證處理效果達(dá)到預(yù)期。

以RAW拍攝前期影像、HDR合成后期畫(huà)面為例，自動(dòng)合成的步驟如下。

第一步，拍攝曝光正常的RAW影像，獲得分別存儲(chǔ)音頻及視頻數(shù)據(jù)的文件夾，根據(jù)各場(chǎng)景的拍攝需求，對(duì)DNG圖像進(jìn)行選擇。

第二步，利用RAW軟件對(duì)DNG圖像進(jìn)行處理，獲得對(duì)應(yīng)過(guò)曝、欠曝圖像，酌情調(diào)整曝光參數(shù)，確保在過(guò)曝情況下，僅憑借人眼便能準(zhǔn)確辨別暗處細(xì)節(jié)，同時(shí)在欠曝情況下，人們能夠看清亮處細(xì)節(jié)。

第三步，在調(diào)色軟件內(nèi)導(dǎo)入過(guò)曝、正常及欠曝照片，自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)范圍較高的圖像。

使用這種方法，工作人員僅需調(diào)整某場(chǎng)景的單幀畫(huà)面，便可通過(guò)批量處理的方式獲得相應(yīng)的合成圖像。

4 結(jié) 語(yǔ)

將HDR技術(shù)用于影視制作，可使常規(guī)制作技術(shù)較易出現(xiàn)的光影問(wèn)題迎刃而解，通過(guò)對(duì)影像細(xì)節(jié)進(jìn)行全面展示的方式，充分滿足人們的觀影需求。在具體應(yīng)用中，工作人員應(yīng)了解該技術(shù)所適用的場(chǎng)景，只有將其應(yīng)用于適宜的場(chǎng)景，才能使技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，隨著科技的進(jìn)步，HDR技術(shù)必然會(huì)朝著更加精準(zhǔn)且高效的方向前進(jìn)，其應(yīng)用潛力巨大。