HDR：创造沉浸体验式“真”影像——兼论光与影像的关系

张宁

业界对HDR的关注点本质上可以概括为“所拍即所见”，毕竟摄影的首要问题是“忠实”的记录，然后才是艺术处理使之更加“悦目”。HDR被热捧还在于它是下一代影像标准中的关键词，观众的期待聚焦在对影调更加逼真的再现。

人类对光的感受与人眼的进化密切相关，人眼借助瞳孔调节有惊人的视觉成像能力，可以捕获1012：1的亮度范围。无瞳孔调节时的人眼视觉参数也能达到光比105：1，相当于16.7档光圈的宽容度。16+档的HDR是数字影像追求的终极目标，如果从记录、制作到最终显示，整个传递过程都能达到这个目标，将会是再一次影像质量的“工业革命”。

在这个“所见即所得”的年代，还有几个打心底里认同摄影是“用光书写”这句话？对光的精确控制随着图像监看的数字化似乎已经变得“无足轻重”，实际上影视创作的天平已经过度向设备制造商倾斜，越来越方便的摄制流程和越来越强大的自动化控制，彻底颠覆了数字时代的创作生态。

可喜的是倾斜的天平的确把影像的质量提升了一大步，哪怕是一个初出茅庐的非专业人士，也能凭借设备的自动功能获得较高质量的作品；可悲的是对于一些不求甚解的专业影视从业者来说，本应借助强大的数字再现能力完成超越胶片的高品质影像，却因对智能设备的“盲从”，影像质量乏善可陈，停留在“胶片感”的自我满足中。

胶片的时代创造出了许多伟大的作品，100多年来胶片电影一直是高品质影像的代名词。然而自2010年后，数字影像技术的关键突破一下子激活了影像制造业的潜质，借助于新材料科学的强有力支撑，短短的5年时间数字影像的跨越式发展就彻底超越了按比例结构还原的胶片感，朝着沉浸式体验的真实影像技术迈进。其中最关键的核心技术是对数伽马和HDR1，要想彻底厘清这个问题，还要从“光”本身以及“光”与影像的关系说起。

1.光与人眼的进化

光是宇宙之源，蕴含着超乎想象的巨大能量。太阳并不算什么威力巨大的恒星，在银河系中都排不上号。但即使如此，每秒钟太阳只使用了它不到0.00000004%的能量就照耀了地球。在相距太阳1.5亿公里人类赖以生存的这颗蓝色星球上，透过大气层的能量过滤，我们看到的直射阳光还高达10亿尼特。如果嫌数字不够感性，可以想象一下把10亿支烛光的亮度汇聚成一点的情形。当然把这么高的亮度记录下来是绝无可能也没有必要的，因为人眼的极限是2～10万尼特。超过这个限度，眼睛就再也分辨不出任何亮度变化了，10万尼特以上的阳光普照给人们白晃晃的感受非常直观的说明了这一点。

在人类长期的进化过程中，物种竞争优化了人眼结构，有利于提高生存几率的机能不断得到加强。自然万物绝大多数属于漫反射表面，并且反射率都在90%至1%之间，人类非常好的适应了这部分光线亮度。在人眼看来，这部分景物亮度适中，层次变化丰富。（图1）

一张普通的A4打印纸在北京9月下午2点晴朗阳光的垂直照射下，它的亮度能达到27000尼特，这就是柯达定义的90%白。超过90%的超白部分一直到100%的假想白（理想白）很少见，是由夹杂着部分镜面反射颗粒的漫反射物体制造的，像亮晶晶的白雪等。這部分超白亮度很大，接近人类眼睛的阈值上限，虽能被识别但层次感微弱。

漫反射表面不能制造超过假想白的高光，高光主要是光滑表面和镜面反射制造的，像波光、汽车漆面定向反射等。对于人眼来说，这些光线全部被“消波”，推断其原因，无非是在狩猎等生存进化中极少被用到，进而退化或从未进化出这部分能力。

1%～90%的漫反射物体在阳光直射下，亮度为约300～27000尼特。100%也就是30000尼特进入了人眼的阈值极限范围，那在它之上的部分人眼是否能感受到其亮度变化呢？不同亮度的高光都会被“消波”，值得注意的是，虽然人眼对这部分高光没有分辨其细节层次的能力，却仍能根据光线对眼睛的刺痛程度比较其强弱。

人眼难道只能看到1%漫反射表面的亮度吗？而且是300尼特？现今家庭液晶电视的亮度在200～400尼特之间，把液晶电视放在直射的阳光下时影像是绝对看不清楚的。据科学实验证实，人眼的阈值下限的确可以达到更低，但这是在瞳孔调节到最大并且没有更强的光线干扰的情况下才有效。

晴朗的白天，在1%黑以下，也就是300尼特以下是散射光照明，尤其是茂密的树林，深邃的树荫、山洞等，其亮度可低至几尼特，甚至零点几尼特。不借助瞳孔调节，在明亮环境下人眼识别光线亮度的阈值下限是0.3尼特，相当于0.001%的漫反射表面的亮度。

有了具体的数据，就能准确的计算出人眼的宽容度。在瞳孔调节不介入的情况下，人眼可以识别的亮度范围是0.3～30000尼特，约为105：1，换算成宽容度达到了16.7档光圈。参考标准观察者实验的方法，用DSCLabs 17档灰阶测试卡实验，人眼能够分辨18级灰阶的层次变化。人眼借助瞳孔调节还有惊人的暗视觉能力，最低能看到10-6尼特亮度。计算下来人眼的成像能力可以达到1012：1，相当于40档光圈的宽容度，非常惊人。（图2）

“光比105：1，16.7档光圈的宽容度”，获得无瞳孔调节的人眼视觉参数最重要，因为这才是数字影像追求的终极目标。从记录到制作，最终到显示，也就是光——电——光（ADA）的整个传递过程都能够达到16+档的HDR，创造沉浸式体验的“真”影像，为数字影像技术的发展指明了方向。

2.按比例结构还原的胶片感

前些年被炒得沸沸扬扬的胶片感已经淡出历史舞台，作为技术发展的特定阶段，胶片感的确引导了传统感光材料向数字感光材料的转变，其中核心的基础框架是Cineon10规范2。

综合胶片的感光性能（片基灰雾等）和人眼的关注范围，柯达把自然景物中能反射1%黑色漫反射表面作为影调范围的起点——黑；把最亮的漫反射表面大约是能反射90%光线的白色物体，像白墙、白衬衫等，定义为白；把超过90%的发光体或者耀眼的反射面，像太阳、灯光、水面反光等，定义为超白。这样在视觉的亮度范围内就有了三个参照：1%的黑、90%的白和太阳。于是，视亮度3范围分成了两个区域：1%黑至90%白之间，称之为“正常视亮度”；大于90%的白，称之为“超白”。正常视亮度范围内的物品包括自然界大部分景物和日常用品，像衣服、皮肤、建筑物、动物等。虽然漫反射表面的“正常视亮度”的亮度范围只占极小的一部分，但是人眼和胶片的非线性对数响应拉伸了这个范围，同时压缩了亮部。（图3）

模拟量之间的转换遵循着宇宙通行的法则。胶片和人眼都有两个超级的能力，第一个是都有巨大的动态范围（人眼比彩色负片多4.7档），既可以记录暗的物体，又可以捕获差不多要亮数千倍的超白物体。第二个是在暗部具有非常丰富的细节，但对于非常明亮的物体，则只保留越来越少的细节。

在还原现实世界的道路上，胶片的伟大贡献在于它以仿对数的特性放大了人眼的“关注范围”（Area of Interest）。图4是时任柯达旗下电影制作者办事处的高级合成师和技术总监STEVE WRIGHT关于关注范围的精彩说明，其中X轴是亮度的绝对值，等比例变化。Y轴是不透明度，以百分比来表示。随着光线强度（数量）的递增，胶片的不透明度也随之增加，但并没有像光线一样等比例变化，而是变化的幅度在100以后迅速变缓。这正是物理感光材料的特性，随着乳剂层未感光的颗粒变少，光化学反应迅速衰减直至停止。从100至1000，占比光量90%的内容对于视觉来说并没有那么重要，在长期的进化中，人类的视觉系统压缩了对这部分光线的反应，而强化了1-100之间占比10%代表地面景物的光线亮度范围，毫无疑问，这部分“关注范围”对一个物种的生存至关重要。

改造图4的显示方式，图5以对数的形式匹配人眼的非线性特点，更有助于理解胶片在与人眼保持感知一致性方面的优势。“关注范围”得以放大，“定向高光”受到压缩，胶片影调值的特性和人的视觉特性高度匹配。几乎可以从中总结出一个哲理：模拟量对模拟量的再现天然符合自然定律。

借助于这条响应曲线，影视工业流程逐渐确定了创作的规范，摄影部门在拍摄时要先进行定光的工作。即先确定光圈值，记作N，在影调结构中数值是0.0Stops（0档）。以此位置为基准设定场景标准中灰的亮度，然后通过照明手段，使各要素成像后的亮度按照創作需要合理分布在特性曲线上。

N点（0点）称为曝光点或定光点，摄影曝光控制的中心工作就是围绕N点，把灯光照明和所使用的摄影胶片特性精密结合，有目的的取舍，以最高的影像质量满足“故事”的讲述对形式的内在需求。

定光点上3档到4档是基准白，再往上3档留给超白。定光点下5档留给大部分中间调和所有暗部。

遗憾的是，商用的彩色负片宽容度“定格”在了12档。相比人眼的16.7档，只占不到十六分之一。而现在的数字摄影机通过改造传感器自身的直线性特性，以对数的方式已经能够实现15+档的宽容度。随着显示技术的突破，很快便能匹配与人眼的感知一致性，在还原真实世界的道路上更进一步。

1.高动态范围图像（High-Dynamic Range，简称HDR），相比普通的图像，可以提供更多的动态范围和图像细节，根据不同的曝光时间的LDR（Low-Dynamic Range）图像，利用每个曝光时间相对应最佳细节的LDR图像来合成最终HDR图像，能够更好的反映出真实环境中的视觉效果。

2.Cineon系统是一个突破性的基于计算机的数字电影系统，上世纪90年代柯达创建的。它由胶片扫描仪、胶片记录仪和工作站组成（硬件和软件），合称为Cineon数字电影工作站，用于合成、特效、影像复原和色彩管理。

作为4K的端到端，10比特的数字电影制作解决方案，该系统超越了它的时代。该系统的三大组成部分（扫描仪，工作站软件，和记录仪）都获得了单独的电影艺术与科学学院的科学技术奖。

Cineon系统项目还负责设计数字电影的画面处理，也即是著名的Cineon10，它是一个10比特对数格式，已经推出统治电影视效领域十余年，并成为SMPTE数字图像交换格式DPX的基础框架。

3.我国行业标准《建筑照明术语标准》（JGJT199—98）对视亮度定义为：“人眼知觉一个区域所发射光的多寡的视觉属性”，视亮度是更多地从心理物理量和生理物理量的角度去研究光环境。

4.《Digital Compositing for Film and Video》，第三版，出版日期： 2010年5月3日，出版社： Focal Press，作者【美】STEVE WRIGHT，作者曾任柯达旗下电影制作者办事处的高级合成师和技术总监。

5.同4。