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2.3 HDR可視化（Advanced High Dynamic Range Imaging ）
2.3 HDR可視化（Advanced High Dynamic Range Imaging ）
現在可以使用無需使用TMO即可本地顯示HDR圖像和視頻的顯示技術。 第一個這樣的設備是HDR查看器[218,408]，它受經典立體鏡的啓發； 在19世紀至20世紀初用於顯示3D圖像的設備。 儘管此設備可以實現10,000：1的動態範圍，但是它非常有限。 實際上，它只能顯示打印的靜態HDR靜態圖像，且打印成本很高，即50美元。HDR監視器[342]是第一臺可視化HDR內容的顯示器。 表2.2概述了這些早期設備。 在這些設備上顯示內容的方法都將HDR圖像分爲具有顏色的細節層和對第一層進行反調製的亮度層。
2.3.1 HDR監視器
Seetzen等。 [342]開發了第一個HDR監視器。 這些基於兩種技術：數字光處理（DLP）投影儀和發光二極管（LED）。 有一個調製光源可以增強編碼細節和顏色的前層的動態範圍。 DLP和LED HDR監視器都使用LCD來顯示前層。
DLP投影機驅動的HDR顯示器是這些技術中的第一個。該系統使用DLP投影儀來調製光；參見圖2.14。爲了在此設備上顯示HDR內容，需要對一個圖像/幀進行預處理，以獲得光調製器（在這種情況下爲DLP投影儀）和前面板（在此爲LCD監視器）的輸入案件）。處理方法如圖2.15所示，它創建了兩個圖像。第一個調製光源的方法是通過隨後對原始圖像的亮度施加平方根和投影儀的逆響應來創建的。通過將HDR圖像除以調製一個（在考慮了投影儀的PSF之後）並應用LCD面板的反向響應，可以生成第二個圖像，該圖像位於要調製的圖像的前面。請注意，雖然前面的圖像對顏色和細節進行編碼，但是背面的圖像用於調製並編碼全局亮度分佈。
15.1英寸投影機驅動的原型監視器的動態範圍測得爲50,000：1，其中最大亮度爲2700 cd / m2，最小亮度爲0.054 cd / m2。 對於此顯示器，LCD面板是動態範圍爲300：1的15.1英寸Sharp LQ150X1DG0，而投影儀是對比度爲800：1的Optoma DLP EzPro737。 但是，此技術在大多數情況下都不切實際。 投影機所需的光路很大，對於15.1英寸的顯示器來說約爲1m，這對於家庭娛樂和更寬的顯示器來說是不實際的。 而且，由於用於均勻亮度值的菲涅耳透鏡在寬視角具有巨大的落差，因此視角非常小。 最後，投影機需要非常明亮，這會導致高功耗和大量發熱量。
圖2.16。 基於LCD和LED技術的HDR顯示器：（a）顯示器側面部分的方案（b）顯示器正面部分的方案（c）第一款商用HDR顯示器， SIM2 Grand CinemaTM SOLAR47。（照片是在Giuseppe Valenzise和Fredederic Dufaux的幫助下拍攝的。）
基於LED的技術使用低分辨率LED面板來調製光。 參見圖2.16（a）和圖2.16（b）。 用於LED和LCD面板的圖像生成的處理算法與用於DLP設備的算法相似。 主要區別是增加了一個步驟，在該步驟中，根據降採樣後的平方根亮度確定每個LED的亮度到LED面板的分辨率，並迭代求值，並採用LED的點擴散函數的重疊方式 考慮到[369]。
LED的主要型號是DR-37p，這是一款具有200,000：1動態範圍的37英寸HDR顯示器，其中測得的最大和最小亮度分別爲3,000 cd / m2和0.015 cd / m2。 對於此顯示器，在對比度爲250：1的37英寸奇美電子V370H1L01 LCD面板後方安裝了1,380個首爾半導體PN-W10290 LED [76]。
在成爲完整的消費類產品之前，這種顯示技術確實需要解決一些問題。第一個是質量。在增加動態範圍的同時，與投影儀技術相比，具有較低的反向調製分辨率的圖像質量也會降低。第二個是LED，這些LED在設備問世時非常昂貴，消耗了大量功率（1,680 W），並需要冷卻。散熱是使用風扇和基於液體的系統進行的，但這會導致很大的噪音。 Wetzstein等。 [416]引入了一種層析成像方法，以利用多層顯示器來解決視場的可視化問題。此方法也可以用於顯示HDR內容。他們表明，他們的層析成像求解器和雙層分解[342]在質量上是相似的。表示雙層HDR顯示接近最佳。但是，他們的解決方案可以增加動態範圍，但對於所有空間頻率而言效果卻不盡相同。這是一個重要的結果，對於雙層HDR顯示器也是有效的，因爲它表明只有在不分離層的情況下才能實現最佳性能。儘管在實踐中很難做到這一點。
2007年2月，杜比（Dolby）收購了HDR顯示器先驅Brightside生產商，這些生產商是上面討論過的15.1英寸投影機驅動的原型顯示器和DR-37p的製造商。 這項HDR技術獲得了意大利公司SIM2的許可，該公司於2009年發佈了首款商用HDR顯示器Solar 47。 參見圖2.16（c）。 SIM2 HDR監視器的最新商業版本是HDR47ES6MB，它在1920×1080像素分辨率下具有超過6,000 cd / m2的白峯，背光面板中有2202個LED。 在2016年9月於阿姆斯特丹舉行的IBC活動上，SIM2展示了10,000 cd / m2的原型顯示器。 鑑於高亮度輸出，這些設備適用於研究，高質量的家庭體驗和工業可視化。
請注意，雙層HDR顯示器的色度校準[342]比傳統顯示器在色度表徵方面面臨更多挑戰，因爲這些設備可能具有要校準的4D空間。 即LED（或投影儀）和LCD。 不過，可以通過使用查找表和適當的轉換來得出顯示3D色彩空間中已校準內容的一般解決方案[338]。 最近，劉等。 [230]表明，基於覆蓋整個輸出色域的樣本，使用薄板樣條和3D八叉樹森林可以減少顏色再現期間的誤差。
2.3.2 HDR打印
儘管智能手機和平板電腦已經成爲我們社會中顯示媒體的主要形式之一，但印刷媒體仍然可以發揮重要作用。 例如，醫生仍然喜歡使用X射線膠片進行檢查，而照片打印輸出對於博物館和傢俱擺設起着重要作用。 因此，使用經典介質（例如紙質照片）提供HDR體驗很重要。
第一種嘗試是通過將紙疊（或電子紙顯示器）疊加到投影圖像上來增強其效果[63]。 第一步，打印輸出和投影圖像需要通過相機進行幾何定位[361]。 然後，對攝影機-投影儀系統進行光度校準[77]以進行線性化； 這也適用於打印機的傳輸功能。 最後，使用類似於Seetzen等人的分割技術計算要打印的圖像IA和要投影的圖像IB。 [342]。
圖2.17。HDR打印的一個例子:(a)改變打印方向。(b)改變打印照明。
爲了獲得比HDR疊加更輕巧，更不受約束的設置，Dong等人（2002年） [114]建議在要打印的圖像的不同動態範圍區域使用不同的光澤油墨打印HDR圖像。請注意，有光澤的油墨可能會在不同的照明和觀看條件下改變外觀。從黑暗到高光的變化。通過更改打印方向或更改其光照條件，用戶可以享受HDR體驗。參見圖2.17。第一步，他們對不同光澤油墨的BRDF進行了表徵。然後，給定輸入的HDR圖像，該算法將確定所有像素的墨水組合以及所有查看條件的曝光設置。這是通過最小化最小二乘優化來最小化打印的HDR圖像外觀（對於給定的照明條件或視圖）與輸入HDR圖像在相應曝光下的外觀之間的差異。儘管設置不是麻煩的，即外部光源，但是它要求觀看環境沒有其他強光源。
2.3.3總結
HDR管道最近已經成熟。 有幾種方法可以以不同的成本獲取HDR靜態圖像和HDR視頻，這些方法也可以以令人滿意的質量提供給消費者。 現在，這些內容也可以有效地存儲在網絡上並流式傳輸。 有關此主題的更多信息，請參見第8章和第9章。 儘管色調映射一直是體驗HDR內容的主要方式，但請參見第3章和第5章，但HDR內容的本地可視化正在迅速出現在市場中，並且可能會成爲下一個十年觀看HDR的主要方法。