HDR多帧合成技术的应用研究

温佳宝

（中国传媒大学 播音主持艺术学院，北京 100024）

0 引 言

近几年，影视技术更新换代的速度有所提升，作为辅助影视拍摄与制作的基础，高动态范围（High Dynamic Range，HDR）技术逐渐被人们所熟知。由于不同拍摄方案对画面色彩、光线及动态范围所提出的要求通常存在一定的差异，只有采用不同技术才能保证拍摄效果达到预期，因此，围绕HDR技术的应用范围及应用要点展开讨论很有必要。

1 HDR多帧合成技术介绍

1.1 定 义

HDR所描述的对象是高动态图像，简单来说，就是动态范围较大，同时色彩细节丰富的图像[1]。相较于标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR），HDR的特点主要表现在色彩丰富、色域深广以及细节处理精细等方面。HDR现已在影视行业得到了极为广泛的应用。

1.2 算 法

使用HDR技术合成图像的步骤如下：

第一步，图像配准，以图像处于运动状态为前提，对输入图像进行精确配准；

第二步，对曝光不同的图像进行处理，获得对应辐射度图像；

第三步，分别对各辐射度图像的权重值进行计算，根据权重值合成图像。

曝光时长、CMOS灰度与辐照度的对应关系，可通过以下公式进行描述：

式中：E(i,j)代表图像i对应像素点j的辐照度，T(i)代表曝光时长。

1.3 应用原理

HDR技术的特点体现在色域方面，具有十分深广的色域，可被用来对不同照明度下的画面细节进行突出。现阶段，该技术主要被用来对客体存在明显光影差异的画面进行拍摄。例如，利用相机连续拍摄某客体，通常会获得曝光度存在一定差异的多张照片，在此基础上，应用HDR技术对拍摄所获得照片进行合成处理，便可获得具有广泛色域的图像[2]。

2 影视拍摄中HDR多帧合成的应用要点

作为一种拍摄并制作影像的方法，HDR技术多应用在拍摄环节和后期制作环节。本文选择从该技术所具有的特性出发，对应用场景及要点进行说明。

2.1 明暗交替

图1所示为某电影画面截图，其中夜景画面由烛火灯光、暗夜构成，明暗反差明显，使得该画面呈现出了极强的立体感与层次感，既没有因烛灯的存在而出现画面整体泛白的情况，又巧妙地弱化了夜晚拍摄所造成的影响，有效规避了画面晦涩暗淡的问题。虽然亭台上部与天空相连，却没有出现混沌不清的情况，人们能够清晰地勾勒出亭台的形状。之所以能够达到这样的效果，主要是因为工作人员应用了HDR技术，通过还原真实细节的方式，使画面拥有了更广的动态范围和更理想的质感。

图1 电影截图

2.2 强光特写

对人物进行摄录时，多数摄影师均不会使用HDR技术，这是因为，过于细腻的面部表情会在一定程度上放大人物面部的缺陷，进而使人们的观看体验受到影响[3]。现阶段，HDR技术主要被用来对强光特写镜头进行处理，这是因为人类的面部存在多个转折面，在灯光、阳光的照射下，极易出现一侧炫光、另一侧阴影的情况。应用HDR技术，可将炫光以及阴影消除，使面部特征更加自然、和谐。如果情节需要对角色进行突出，摄影师往往会采取扩大光圈的做法，虽然这样做能够凸显背景细节，却会造成面部过度曝光的情况，反之，缩小光圈能够避免面部过曝，但又会弱化画面所具有的冲击力。此时应用HDR技术，既能够保留细节，又可以避免画面背景明暗失调，强化角色所具有的立体感。

2.3 宏大风景

对宏大风景进行拍摄时，HDR技术主要被用来弥补海洋与天空、天空与陆地间所存在的反差。电影《楚门的世界》有这样的一幕画面：在阳光的映射下，海面所反射的光线、太阳以及海面近景三者之间表现出了巨大反差。若不使用HDR技术，传统设备摄录通常无法获得理想的画面，无法在保证近景帆船、海面和人物表情得到展现的前提下，对远景太阳、云层状态进行勾勒。照射在海面上的光线并没有出现绚白的情况，而是以极为自然且和谐的状态与海面进行了融合。由此可见，对色彩、光线变化极为复杂的宏大场景而言，仅凭借常规设备进行拍摄，极易受到光影对比的影响，导致无法有效捕捉细节。应用HDR技术，有利于色彩、光线的展现。基于此所获得的影像作品，通常能够达到光线均匀、画面细腻的要求。

2.4 逆光+强光

电影《非凡任务》有大量室内镜头均使用了逆光拍摄手法，其特点是远景亮、近景暗。在晴朗的户外，环境照度值约为40 000～120 000 lux，如图2 的电影画面所示，前景为水面，受太阳照射、波光反射影响，对应环境照度值可达80 000 lux，背光照度仅有500 lux，远近景对比明显，实景动态范围较摄像机所能容纳的范围更大[4]。没有利用HDR技术进行处理时，工作人员往往无法做到将亮处的河水等远景与背光的环境及人物充分融合。室内逆光、室外强光所形成的光比数值比现有摄像机所规定的动态范围略大，应用HDR技术是必然选择。

图2 《非凡任务》截图

3 HDR多帧合成在画面制作中的应用研究

3.1 双视频轨道

对画面进行后期制作的常规方法是在将双视频轨道参数调整为过曝、欠曝的基础上，设置相应的人物与场景，随后通过合成不同影像的方式得到最终画面。采用这种方法，面临一些问题，主要是现有摄录设备中具备双视频轨道的设备占比较小，在制作资金有限的情况下，多数剧组都会选择使用传统设备完成摄录、制作影片的工作。然而，双轨功能与同时摄录不同，该功能强调以AB轨交错为前提，拍摄处于静止或缓慢运动状态的对象，若摄录对象存在快速移动的情况，极易使画面出现模糊或重影的问题，此时便需要工作人员进行手动调整，以保证画面可达到拍摄要求。

3.2 双机位拍摄

双机位拍摄的重点是同时使用参数不同的两组设备进行录制。在实际操作环节，工作人员通常将两组设备的状态设置成过曝、欠曝，通过后期制作的方式，对曝光系数不同的两组图像进行合成，获得相应的HDR图像。同时使用两组设备进行录制，录制支架所需的稳定性难以得到保证，反光镜片、三棱镜出现光学畸变的情况难以避免，这使得影像完全重合的难度较高。鉴于此，有关人员提出，应在后期制作时分别对两组影像进行调整，保证二者能够完全重合。该技术存在合成质量不稳定、拍摄步骤烦琐的缺陷，随着影视行业的进步，该技术已逐渐退出历史舞台。

3.3 更改拍摄格式

利用RAW格式进行拍摄，可解决上述方法所存在的问题。RAW格式的特点是不对文件进行压缩处理，保证拍摄信息及元数据可得到完整记录。作为记录利用CCD/CMOS对光信号进行转换所对应电平高低的载体，RAW格式可以被简单地理解为对摄影元件所获得的电信号进行处理所获得的文件。应用RAW格式，设备通常会自动生产涵盖白平衡、饱和度及对比度的文件，最大限度地保留图像信息，为影视画面的制作提供便利。

要充分发挥RAW格式的优势，关键是要掌握具体的拍摄方法。影像制作有手动制作、自动制作两种方法。手动制作是先对各特殊区域进行遮罩处理，再通过手动调节参数的方式完成细节处理工作，该方法需要对画面进行逐帧处理，工作量大，工作难度高[5]。随着计算机算法的持续优化，自动合成算法应运而生，既能够减轻工作人员的负担，又可以保证处理效果达到预期。

以RAW拍摄前期影像、HDR合成后期画面为例，自动合成的步骤如下。

第一步，拍摄曝光正常的RAW影像，获得分别存储音频及视频数据的文件夹，根据各场景的拍摄需求，对DNG图像进行选择。

第二步，利用RAW软件对DNG图像进行处理，获得对应过曝、欠曝图像，酌情调整曝光参数，确保在过曝情况下，仅凭借人眼便能准确辨别暗处细节，同时在欠曝情况下，人们能够看清亮处细节。

第三步，在调色软件内导入过曝、正常及欠曝照片，自动生成动态范围较高的图像。

使用这种方法，工作人员仅需调整某场景的单帧画面，便可通过批量处理的方式获得相应的合成图像。

4 结 语

将HDR技术用于影视制作，可使常规制作技术较易出现的光影问题迎刃而解，通过对影像细节进行全面展示的方式，充分满足人们的观影需求。在具体应用中，工作人员应了解该技术所适用的场景，只有将其应用于适宜的场景，才能使技术优势得到充分发挥。可以预见的是，随着科技的进步，HDR技术必然会朝着更加精准且高效的方向前进，其应用潜力巨大。