1、高動態範圍成像介紹
計算機圖形學和相關行業，特別是涉及電影、遊戲、模擬、虛擬現實和軍事應用的行業，繼續要求在計算機上顯示更真實的圖像，即更精確地匹配它們所要表示的真實場景的合成圖像。這是特別具有挑戰性的，當考慮到圖像的自然世界，目前我們的視覺系統與廣泛的顏色和強度。一個有星光的夜晚的平均亮度水平在0.001cd/m2左右，而日光場景的亮度接近1000000 cd/m2。在任何給定的眼睛適應水平下，人類都可以看到1:10000的區域細節。可能除了電影院，很少有人推動實現更大的動態範圍，因爲常見的顯示器和觀看環境限制了能呈現的範圍，在最小和最大亮度之間大約有兩個數量級。一個精心設計的陰極射線管(CRT)顯示器在黑暗的房間裏可能比這個稍好一些，但最大顯示亮度只有100 cd/m2左右，而在LCD顯示器的情況下，最大亮度可能達到250-500光盤/平方米，這甚至還沒有開始接近日光水平。一個高質量的氙氣電影放映機可能會比這個亮度高几倍，但它仍然離人類感知的最佳亮度差兩個數量級。現在，隨着高動態範圍(HDR)圖像和新穎的HDR捕獲和顯示技術的出現，這一切都在發生變化，爲傳統的成像方法提供了一個臺階式的變化。
在過去的20年裏，HDR成像已經徹底改變了計算機圖形學和其他領域，如攝影、圖像處理、虛擬現實、視覺效果和視頻遊戲產業。現在，真實世界的照明可以被捕獲、存儲、傳輸，並完全用於各種應用程序，而不需要對信號進行線性化並處理固定值。場景中非常暗和亮的區域可以同時記錄圖像和視頻，避免暴露不足和過度暴露的區域;參見圖1.1。傳統的成像方法,另一方面，不使用物理值，並且通常受到技術限制，每個顏色通道每個像素只能處理8位。這種圖像(每個顏色通道不超過8位)通常被稱爲計算機圖形學中的低動態範圍(LDR)圖像。在工業和標準化社區，即， JPEG和MPEG委員會，它通常被稱爲標準動態範圍(SDR)圖像。
圖1.1。同一場景不同曝光時間的圖像，可以捕捉到(a)非常亮的區域和(b)黑暗的區域以及(c)錯誤顏色的對應HDR圖像。
HDR圖像可以通過捕捉同一場景在不同曝光水平下的多幅圖像，並將其合併以重建所捕獲場景的原始動態範圍來生成。有幾種合併LDR圖像的算法;Debevec和Malik的方法[111]就是一個例子。商業實現之一是SpheronVR的SpheronCam HDR[351]，它可以捕獲動態範圍爲6×1000000:1的靜止球面圖像。雖然可以使用本機HDR ccd一次性記錄信息，但傳感器噪聲低的問題通常出現在高分辨率的情況下。
HDR圖像/視頻佔用的內存可能是相應LDR圖像所需內存的四倍。在HDR圖像中，爲了處理全範圍的照明，顏色值使用三個浮點數存儲。這不僅對存儲和傳輸HDR數據有重大影響，而且對處理HDR數據也有重大影響。因此，爲HDR成像開發了高效的浮點數表示，並且對許多經典的壓縮算法(如JPEG和MPEG)進行了調整和擴展，以處理HDR圖像和視頻。
一旦有效地捕獲和存儲了HDR內容，就可以進行用於各種應用程序。一個流行的應用是合成或真實物體的重畫。HDR數據存儲環境的詳細照明信息。這些信息可以用來探測光源，並利用它們來照亮物體;參見圖1.2。這種圖像在增強現實、視覺效果和計算機圖形學等許多領域都非常有用。這是因爲圖像的外觀被轉移到relit對象產生的合成圖像具有高水平的現實主義。
圖1.2。(a) HDR環境圖像的假顏色。(b)從中提取的光源。(c) A relit Stanford 's Happy Buddha model[154]使用(b)中生成的光源。
HDR的另一個重要應用是捕獲雙向反射分佈函數(BRDF)的樣本，該函數描述光線如何與給定的材料相互作用。這些樣品可以用來重建BRDF。HDR數據需要精確重建;參見圖1.3。此外，由於提供了更多的數據，HDR成像可能允許使用LDR圖像的其他應用程序更加健壯和準確例如，在具有明亮光源的具有挑戰性的場景中，可以改進計算機視覺中的視差計算。這是因爲光源中的信息沒有被夾住;因此可以計算光源和反射物體的視差，其精度高於使用夾緊值時的視差[98]。
圖1.3。捕獲Prun stone的不同BRDFs的一個示例[132]:(a)受Tchou等人的啓發，使用HDR技術捕獲BRDFs的設置[365]。(b) (a)中的重建材料來自三次曝光中的每一次64個樣本。
一旦獲得HDR內容，就需要將其可視化。HDR圖像和視頻通常不適合傳統LDR顯示器(如CRT或LCD顯示器)的動態範圍;例如，一個現代的液晶顯示器動態範圍在1到250 cd/m2之間。因此，在使用這些顯示時，必須處理HDR內容，以匹配顯示的可用動態範圍。這種操作稱爲色調映射，在第三章中介紹;參見圖1.4。Seetzen等人[342]提出了HDR顯示的第一個解決方案，該方案可以將HDR內容可視化;第二章對這一主題進行了概述。
圖圖1.4。在LDR監視器上顯示HDR圖像的一個示例:(a) HDR圖像爲假顏色。(b)已處理(a)中的圖像，使明暗區域的細節可視化。這個過程稱爲色調映射。