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淺談 HDR-視覺的魔術師

作者:花梨.奇跡の狭間│2010-04-22 22:16:33│贊助:6│人氣:7374
前言

最近HDR這個名詞經常出現在我們的身邊,這個東西到底是什麼呢?如果去Google搜尋一下,就可以看到許多的圖片(圖零)。乍看之下,HDR似乎就是指「漂亮的圖片」。當然這也是一種解釋,不過HDR可不是只有這種表現而已。現在就來稍微認識一下這個近來超夯的HDR吧。


圖零:超漂亮的HDR圖片 [2]


認識HDR

HDR為High-Dynamic Range Imaging(高動態範圍成像)的縮寫。它可以擴大曝光的範圍,讓影像的明暗更為明顯。

首先簡單介紹人類眼睛的機制。人類的瞳孔可以控制射入視網膜的光線數量。如果身處暗處,瞳孔會放大,以捕捉更多的光線;身處亮處,瞳孔會縮小,避免過多的光線傷害視網膜上的視神經。根據環境的不同,瞳孔會有不同的反應,但是最後目標都是一樣的:控制光線多寡,讓眼睛以能接受的亮度來看這個世界。


圖一:三種曝光的金屬球和環境 [1]

這裡我們用相機來模擬眼睛-光圈是瞳孔,照片是影像。看看上面這三張照片(圖一):三顆金屬球分別屬於不同的環境。左邊的環境很暗,中間正常,右邊則是光線過強。

如果我們身處左邊的環境,瞳孔會慢慢放大,景象亮度慢慢增高,最後變成中間的景象。

如果我們身處右邊的環境,瞳孔會慢慢縮小,景象亮度慢慢降低,最後變成中間的景象。

值得注意的是,左邊照片因為曝光不足而偏暗,但是高亮度部份(如天空)卻因此而能夠顯現其細節。右邊的影像則是剛好相反:低亮度部份(如樑柱間的陰影)可以顯現其細節。中間的正常影像,雖然亮部和暗部的表現相當平均,但是高亮度部份的細節沒有左圖清楚,低亮度部份的細節也沒有右圖清楚。
這個現象的原因是:人類眼睛感光的動態範圍,比可見光的動態範圍還小。所以,我們用肉眼視物,一定會或多或少損失一些光線的細節。

我們再用下面這張圖片(圖二)來說明:將中間那條由暗轉亮的長條視為真實世界光線的動態範圍,下面的短長條代表人類眼睛感光的動態範圍。根據下面短長條所位於的動態範圍,對應景物的亮度也會隨著改變。

另外,如果人類眼睛感光的動態範圍和現實世界光線的動態範圍一樣大,其景象如下(圖三)。在圖三裡面,亮部和暗部的細節都比原本正常的圖片還要更加清晰。這種影像具有更高的動態範圍,也就是所謂的HDR;相對於HDR,一般影像只有普通的動態範圍,我們就叫它們為LDR(Low-Dynamic Range,低動態範圍)或是SDR(Standard-Dynamic Range,標準動態範圍)。受限於眼睛的結構,肉眼無法直接看見HDR的影像,不過卻可以利用電腦合成技術,將一組具有不同曝光度的幾張普通照片,組合成HDR照片。圖三的HDR照片,就是利用這種方式合成出來的。


圖二:人眼感光動態範圍和景物的關係


圖三:人眼感光動態範圍和現實光線動態範圍相同的影像表現

HDR的實景合成範例

我們再用另一個範例來說明。下面是以不同的光圈大小所拍攝的教堂一景(圖四),照片的光圈由上而下逐漸變大。將這一組照片利用軟體合成後,就能得到下面的HDR照片(圖五)。和一般照片相較,HDR的照片簡直就是繽紛奪目,原本受限於肉眼感光動態範圍而無法看清的暗部和亮部細節,也在這裡一覽無疑。


圖四:各種不同曝光度的照片集合 [2]


圖五:根據圖四所合成出的HDR影像 [2]

HDR是萬靈丹?

HDR的絢麗程度無庸置疑。藉由現代電腦設備的普及,HDR的影像可以輕易製作出來。加上HDR的優質表現潛力,令許多的創作者們趨之若鶩,都想讓他們的作品具有絢麗的風貌。拿新海誠為例,像是天空和壯觀的遠景,搭配炫目的光線效果,漂亮得教人嘆為觀止(圖六)。當然,毫無疑問是受到HDR的影響。筆者最近準備介紹的插畫家ALPHONSE也是一樣,作品用色光鮮亮麗,教人大飽眼福,直呼過癮(圖七)。

不過,HDR的作品具有一個相當大的缺點:違反自然。前面有說過,人的肉眼無法呈現HDR景色,只能用合成的方式來「做」出HDR的畫面。也就是說,HDR的影像會給觀眾一種不自然的感受。雖然剛開始會覺得美輪美奐,但是看久以後難免會感覺不舒服、很假、很做作。打個比方來說,就算把你丟到五星級的總統套房生活,一陣子以後你也會懷念著樸實自然的生活環境;多喝幾次冷飲店的綠茶後,你也會想回去喝傳統的茶葉泡出來的綠茶。

HDR就像調味料,巧妙的使用可以增添食物的滋味,過度使用則會有反效果。

圖六:新海誠《秒速5センチメートル》的劇照

HDR3D遊戲的作用

HDR出現於3D遊戲也有好一陣子,但是受限於硬體和技術的限制,直到最近才開始普遍。HDR可以模擬肉眼適應光線的變化,讓場景更加逼真,提升遊戲的真實感。同時也讓景色更加鮮明,陰暗和明亮部份的細節也能更清楚地呈現。以下面的影片一為例,當子彈打破建築物的玻璃後,強烈的光線讓玩家感到炫目,畫面也受到影響而呈現高亮度,得花個幾秒讓瞳孔縮小以適應強光的影響。一但視角轉回陰暗的室內,縮小的瞳孔又無法適應這昏暗的環境,得花個幾秒才能讓瞳孔放大,昏暗的視線才能逐漸回復正常。HDR的機制忠實地模擬肉眼面對光線變化的反應,帶給玩家另一種層次的體驗。

影片一:《戰慄時空 2:消失的海岸線》的HDR效果展示

HDR的簡化模仿物:Bloom

HDR有個很類似的表親:Bloom(光暈)。Bloom就如同字面上的意義,可以讓3D物件發出光暈。在硬體實現HDR的實作前,就是以Bloom來模擬HDR的效果。但是BloomHDR主要不同的地方在於:HDR是藉由光源產生的,強度、顏色等方面可以動態控制;Bloom效果則是物體本身發出的光源,無法動態控制。換言之,HDR是活的,而Bloom是死的。

我們再以下面這個影片二為例:HDR的版本中,遠端的山巒景致會被落日的光線以及湖面的反光所影響,至於Bloom的版本,落日和湖面反光的光暈不會影響其餘的物件和景觀,使得整個場景看起來就是假假的。

影片二:《上古卷軸 4:遺忘之都》針對HDR(左)和Bloom(右)的效果比較

結語

HDR替這個世界的創作更添美麗的丰采。無論是CG、照片或是3D遊戲,HDR都讓我們能看見超越視覺限制的景色,見識到更為璀璨的視覺感受。或許以後會根據HDR原理,產生新技術或是新的視覺表現,讓我們對HDR的未來拭目以待吧。

引用網址:https://home.gamer.com.tw/TrackBack.php?sn=871196
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留言共 11 篇留言

憬息
好文 推!!!

04-24 00:01

Chris
看完HDR的缺點真是一語道出啊..正因為太美反而覺得不自然

04-24 03:31

漁築
GP~

05-23 11:45

神父
標籤真有趣

08-18 01:18

冷鋒過境
感謝祥解

09-08 18:49

真空虛幻

09-08 23:18

勝~海舟
HDR超美的...好文推

09-08 23:29

小粽子
之前有看過攝影HDR的後製教學..XD
原來在3D遊戲上已經有運用到這樣子的技術啊XD

09-09 13:48

夜囈語
解釋的真好~~推推~~

01-10 02:27

Meio
好美~

03-22 09:40

tonyyoung
不過我玩遊戲的時候沒必要的話通常都不會開就是了…
一來可以保護眼睛不被閃瞎…二來可以增進遊戲效能…
大部分遊戲的HDR都是又閃又很耗資源的…~ 3 ~a

12-18 19:57

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