HDR多帧合成技术应用于影视画面的拍摄和制作
H D R多帧合成技术应用于
影视画面的拍摄和制作怎样把两张照片合成一张
华东师范大学传播学院实验中心徐正则
奥森信息技术有限公司周蕊
ʌ摘要ɔ本文首先讲述了H D R的概念和H D R多帧合成技术的原理，并分析了其在影视画面中的几种典型场景及其应用特点㊂之后从前期和后期两个阶段分别介绍了几种H D R影像的拍摄方法，以及后期如何进行H D R画面的创作，并且着重介绍了使用多帧自动合成技术来制作H D R影像画面的方法㊂
ʌ关键词ɔH D R多帧合成技术高动态范围影视画面 H D R自动合成
一、H D R多帧合成技术介绍
H D R(H i g h-D y n a m i cR a n g e)，泛指高动态范围图像，广义上来说，能够提供更多彩细节和更大动态范围的图像都可称为H D R图像㊂与S D R 相比,H D R的域更为深广，彩表现更为丰富,
图1明暗处细节也更为细致，正因为H D R技术在画面显示效果上有这么多的优势，所以现已被广泛应用于影视行业㊂
近年来，越来越多的平板电视采用支持H D R 的显示技术，但这和我们摄制用的H D R合成技术并不完全是一个概念㊂H D R技术让显示设备能够呈现出更广动态范围的亮度和彩的画面，相比普通电视，同样的画面或影像在H D R电视上能够显示的彩和亮度范围更广㊁更丰富(见图1)，强光处或者阴影暗处的细节在普通电视上可能会有缺失或模糊不清，而在H D R电视上却能够比较清晰地显示，画面也更细腻和富有层次感，能够给观者带来更自然和贴近真实的观看体验㊂
严格意义上来说,H D R格式的电影，需要专门能够记录大动态范围数据的摄影摄像器材，后期通过各种参数调整来实现的H D R画面影像，以及支持H D R格式的显示设备，三者缺一不可㊂而要做到这些，就目前来说，技术复杂程度和拍摄制作成本都比较高，实现起来有一定难度，并不是本文阐述的重点㊂
目前在摄制阶段大量应用的H D R更确切地说是一种基于多帧合成方法来实现高动态效果的技术㊂
一般来说，这种技术较适合应用于拍摄对象明暗差距很大的时候㊂比如，当某些相机配备的H D R功
能开启后，会连续拍摄三张(或更多)曝光程度各不相同的照片，分别是曝光不足㊁正常曝光及曝光过度，然后再将三张照片合成一张明暗处曝光都较为合适的照片㊂自然界的光和彩有无数种，而人的眼睛就是一台性能极佳精度极高的高动态范围相机㊂其实相机比人眼的动态范围窄，因为就算是烈日当空之下，人眼亦不会像相机一样看天空时地面变全黑，又或看地面时天空一片白，对比起相机，我
们看到的世界已经是H D R了，一般轻便相机的动态范围大约5至7级，单反大约8至11级，而人眼则达到10至14级[1]㊂而相机比较有限的感光原件宽容度使它不能够像人眼一样一次敏锐地捕捉到所有的光和彩，特别是当拍摄景象明暗差比较大的时候，正常曝光不能很好体现明暗处的细节，曝光不足就会忽略暗处的景象，而曝光过度又会使亮处的景象看起来是一片空白㊂H D R多帧合成技术则在一定意义上弥补了这一不足，合成的照片是选取
图2了每张照片中最能还原拍摄景象的部分组成的，正常亮度画面选取正常曝光部分，较暗处画面选取过度曝光部分，较亮处画面选取欠曝光部分，以此种方式模拟出更大动态范围的图像，从而更丰富㊁更饱满地体现画面细节㊂
图2展示的一组照片是太阳光照比较足的情况下拍摄的，阴暗处的景对比太阳高照的天空，明暗反差非常大㊂左边三张从上到下依次分别是曝光过度㊁曝光不足和正常曝光情况下的照片，欠曝光情况下可以看到蓝天白云但是看不清楚地面上的树木和树叶的细节纹理，过度曝光能看清树木但是蓝天白云都因 过爆 而变成一片白，合成后的右图便能够明暗兼顾㊁两全其美了㊂
本文主要介绍了摄像机拍摄的影像在影视节目的前期拍摄和后期制作过程中应用H D R多帧合成技术的具体方法，并且讨论了影视作品中的典型应用场景及其特点㊂
二、电影画面中的应用场景分析
H D R多帧合成技术是一种拍摄和制作方法，就像光线太暗时拍摄照片需要用闪光灯一样，光线合适的时候则不需要使用这一功能，那么在什么情况下比较适合使用H D R多帧合成技术呢?下面我们从一些运用了该技术的电影画面中来分析这一问题㊂
1.室外强光㊁
室内逆光
图3
这是电影‘非凡任务“中的一个画面(图3)，拍摄角度是在室内并且逆光，近景非常暗，远景则很亮㊂像这样天气晴朗的户外，环境照度值在40000-120000l u x之间，这张画面的前景是被太阳照射的水面，
再加上水面的波光反射，照度值应该在80000l u x以上，而近景室内背光处的照度值大概
是500l u x 左右，从这两个数值能明显感觉到远近景的明暗对比非常强烈㊂就算是人眼从大太阳下的户外看到背光的室内暗处也会有片刻的明适应现象,
更不要说能够容纳的动态范围比人眼小得多的摄像机了㊂在实景的动态范围大大超出摄像机能够容纳的最大范围的情况下，我们看到这幅画面  阳光照在水面上，波光粼粼，没有太阳的室内近景处的画面却并没有因为背光而看不清楚，旁边放置的大缸㊁储物柜㊁储物柜的脚垫㊁挂起的衣服㊁正在转动的电风扇扇叶㊁拖在地板上的电线㊁木门上贴着的一层层胶布㊁人物旁边放置的药瓶㊁人物五官以及表
情都清晰可见㊂没有经过H D R 多帧合成技术的处理很难把这些背光处的人物㊁环境及明亮处波光闪闪的河水和远景融合在一张画面里㊂室外强光㊁室内背光所造成的 大光比 会超越大部分摄像机的动态范围，因此是应用H D R 多帧合成技术最为典型的场景之一㊂
2.
明暗交错的夜景
图4
这个夜景画面出自电影‘少年派的奇幻漂流“(图4
)，但不是一片漆黑，而是暗夜和烛火灯光相互辉映的夜景，烛火灯光和没被光照到的地方又形成了一个强烈的明暗反差㊂这幅画面看起来层次感和立体感很强，没有因为烛灯的亮度过曝从而显得泛白，也没有因为是在夜晚拍摄而使画面看起来暗淡晦涩㊂水面上的亭台下部被光亮环绕，上面顶部从这个拍摄角度看似乎是和夜空连接，但却并未因此看上去混沌不清，我们可以很清楚看到它的形状，也能看到上面一个个栩栩如生的雕刻形象㊂这便是H D R 多帧合成技术运用的巧妙之处
最大范围地把真实画面的细节还原，带来动态范围更广㊁细节更丰富的高质感画面㊂
3.
场面宏大的风景
图5
在拍摄场面宏大的画面时，天空和陆地或者海洋之间的巨大反差又需要H D R 技术来大显身手了㊂电影‘少年派的奇幻漂流“的这副画面中(图5)，斜阳照射在蓝的海面上，太阳和其照在海面上的光与没有光照射的近景㊁远景海面形成强烈的对比,
没有H D R 多帧合成技术，是很难直接拍摄出如此完美的影像画面㊂海面上的波纹㊁船的纹理㊁老虎的形态㊁派在自制小筏上的动作，这些细节都没有缺失的同时，还能够看到天海连接处太阳和周边云彩的状态㊂照射在海面上的光也没有因为太亮看上去是一道炫白，而是非常自然和谐地和海面融为一体㊂
4.
强光照射下的人脸特写
图6
人物的拍摄，一般不使用H D R 进行处理，因
为面部细节如果过于细致，反而会突显脸部一些缺陷，当然如果拍摄的宗旨在于突出脸部细节，比如
为了体现老人面部皱纹，可以考虑使用H D R技术进行处理㊂
但是拍摄强光下的人物还是比较适合用H D R 技术的，因为人脸不是一个平面而是有轮廓的，特别是西方人面部轮廓更加棱角分明，如果灯光或阳光斜照在人脸上，会造成脸上部分出现炫光，另一部分出现暗影，人脸就又事实上形成了高动态的明暗比例㊂经过H D R的处理，可以消除这些不和谐的因素，使人物脸部看起来更加自然㊂当为了突出主体人物时，背景很暗，光打在主体人物的脸上(图6，出自电影‘比利㊃林恩的中场战事“)，此时如果光圈开大，可以看清暗处背景，但是人物面部就会过曝，如果光圈开小，会使画面整体显得暗淡，不能够突出主体人物，使用H D R多帧合成，可以在细节不缺失的前提下保持背景较暗从而更加突出灯光下的主体人物㊂
综上所述，影片中适合使用H D R多帧合成技术进行处理的典型场景有：强光背景下的昏暗画面(室外强光㊁室内逆光)，明暗交错的夜晚(暗夜与烛火灯光相互辉映)，户外宏大场景的风景画面(天空和陆地或海洋之间存在强烈的反差)，以及强光照射下的人物特写等㊂从以上几个应用案例可以看出, H D R的成像特点可以概括为:1.亮的地方可以非常亮而不溢出;2.暗的地方可以非常暗而不死黑;
3.亮部和暗部的细节都可以很清楚[2]㊂
三、H D R多帧合成制作方法
前文讨论了H D R多帧合成技术在影视画面中的典型应用场景和影像效果，再来介绍下该技术的具体制作方法㊂在实际应用过程中有几种不同的方法，从原理上来说，这些方法都是基于利用多幅画面来进行合成的基本思路，只是具体操作方式略有细微差异而已，其制作流程可以分为前期拍摄和后期制作两个阶段㊂
前期拍摄实现的方法目前主要有三种:
1.双(多)机H D R拍摄
这种方法是利用两台设置了不同曝光参数的摄像机同时拍摄录制影像，这两组曝光参数一般会设置为欠曝和过曝，后期再将两组不同曝光参数的影像制作成H D R影像㊂因为是两台机器同时拍摄，由于前期拍摄使用的立体支架在物理上的不稳定性，半透反光镜片㊁三棱镜自身不可避免的光学畸变，导致两组未经处理的不同曝光影像是不重合的[3]，因此后期合成过程中还要先将两组影像进行调整达到完全重合的效果，操作也是比较麻烦的㊂
2.一台摄像机设置两个视频轨道
两个轨道分别设置过曝和欠曝两组不同的曝光参数，然后进行拍摄录制，后期再将两组拍摄影像合并
成H D R影像㊂这种方法的不足之处是不是所有的摄像机都有这样的功能，可以设置两个视频轨道同时进行拍摄；其次，因为这两个轨道并不是严格意义上同时进行拍摄的，而是A B A B轨相互快速交错拍摄，对于拍摄静止或者运动速度较慢的对象没有问题，但是对于快速移动的拍摄对象，可能会有重影的现象，后期还要对此进行调整㊂
3.使用R A W格式拍摄录制
这是目前较为主流的一种拍摄方法，能够避开前两种方法的不足之处，后文介绍的也是这种方法的具体操作㊂R AW格式文件是未经压缩和处理的文件，能够完整地记录拍摄时的原始信息和元数据㊂R AW格式是C C D/C MO S将光信号转换为电信号时的电平高低的原始记录，它是单纯地将数码相机内部没有进行任何处理的图像数据，即C C D/ C MO S等摄影元件直接得到的电信号进行数字化处理而得到的[4]㊂使用R AW格式时设备会生成一个包括饱和度㊁对比度㊁白平衡等原始信息的文件，因此在拍摄过程中,R AW格式的影像文件保留了最为丰富的图像信息，可以为后期制作提供最大的调整余地㊂
以B l a c k m a g i cP r o d u c t i o nC a m e r a4K摄影机为例,R AW格式拍摄的影像所生成的文件是一个视㊁音频分离的文件夹，视频信息是由D N G格式的R AW图像序列组成的㊂因为原本地保留了原始信息和数据，制作人员后期可以根据需要大幅度调整各项参数来最终获得大动态范围的效果㊂
后期H D R影像制作主要有两种方式:
可以通过手动和自动两种方式来实现㊂手动方
式可以通过为每个特殊区域设置遮罩，然后手工调节各项参数来对每个细节进行细致地处理，但是要逐帧地对画面的每个部分进行分别处理，工作量极大㊂随着计算机算法的不断改进,H D R 自动合成方式不仅方便，而且也能达到使人满意的处理效果,
具有很大发展潜力㊂未来在影视画面中大量应用H D R 合成技术是一个必然的发展趋势㊂
这里详细介绍下这种前期录制过程中采用R AW 格式进行拍摄，后期用调软件来完成H D R 多帧自动合成的制作方法:
首先，我们需要拍摄一段曝光正常的R AW 格
式影像，生成一个视㊁音频分离的文件夹，影像是由D N G 格式的R AW 图像序列组成的，之后为每一个场景选取一张D N G 图像(
图7)㊂图7
然后，用R AW 处理软件把这张D N G 图像再
生成两张(或多张)分别为欠曝和过曝的D N G 图像(图8，左图为欠曝，右图为过曝)，欠曝和过曝的参数可以根据实际需要进行调整，要保证欠曝时能看清楚高光处的细节，过曝时可以看清暗处的细节
㊂
图8
最后，将正常曝光㊁曝光不足和曝光过度的三张照片导入到调软件中进行H D R 自动合并，便生成一张高动态范围的图像(图9)㊂这个过程主要分两个步骤：第一步是曝光混合，也就是把欠曝时的高光画面和过曝时的阴影处画面混合在一个画面里；第二步是调映射，这一步旨在保存暗处和亮处的细节；最后根据需要在此基础上对某些参数进行调整以达到更加理想的效果，有时候创作出的影像还会具有某种超现实主义彩㊂使用这种方法，制作人员只需对同一个场景视频的单帧画面进行调整，然后再对整个图像序列应用批处理就可以了
㊂
图9
四、结语
本文首先讲述了H D R 的概念和H D R 多帧合成
技术的原理，并分析了其在影视画面中的几种典型场景及其应用特点㊂之后分别介绍了几种H D R 影像的前期拍摄方法，以及后期如何进行H D R 画面的创作㊂
随着影视技术的发展，人们对影视画面的要求
也越来越高,H D R 多帧合成技术的使用，使影视画面能够呈现更高的动态范围，画面域范围更广,
细节纹理更加丰富㊁完整，更精准细腻地为观众传递影视语言，所以目前掀起的一股H D R 潮流其实也是人们追求更高影视画面质量的一个体现㊂当然这种技术也必须要用在合适的场景中才能体现它的优势㊂不断进步的计算机图形图像算法和H D R 技术的结合使得H D R 多帧自动合成技术越来越精准
且方便高效，因此有很大的潜力在专(下转第12页)

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