技术科普丨逆光也清晰-HDR

概念简介

﹁

逆光也清晰，照亮你的美~

﹂

夕阳西下，那人缓缓转过身，咔擦~~梦幻的瞬间定格为永恒。

同学们不甘示弱，纷纷表示：我也有！！

打开手机相册，看到的却都是这样的照片。

天呐，怎么这么黑？

难道有人对我们的相册做了手脚？！

当然不是，那是因为摄像头的曝光能力远没有人眼那么智能，无法对一副图片中的暗处（背光场景，阴影等）和亮处（阳光，灯光等）进行智能识别并加以调节，导致暗处太暗或亮处太亮，上面的人造小太阳或者黑脸女朋友就出现啦……

怎么办？怎么办？怎么办？

朋友们，请举起你们的手机，

一起来召唤HDR吧！

﹁

正在使用HDR成像技术中……

﹂

叮咚！完成！

这简直太Coooool了，车灯、暗室、人脸全部都拍出来了！

当拍摄背对阳光的人物像，室内室外亮度差别大，背光场景等，我们都可以打开HDR（High Dynamic Range,高动态范围）功能，扩大图像动态范围，提高图像质量。

HDR手机端实现原理

做HDR之前，相机要拍两到三幅不同的照片。

有什么显而易见的差异吗？

小明

小明同学发言：“老师我知道，这3张图叫H图，D图，R图。”

错！HDR之前解释过了奥。

现在还请往下听：

▶ 左边这张是欠曝图，曝光时间较短，可以看到关于太阳的细节表现得很好。

▶ 中间这张是正常曝光图，曝光时间中等，此时天空整体层次表现正常。

▶ 右边这张是过曝图，曝光时间较长，山景和地面等暗处区域变得清晰可见。

手机要做的就是取长补短，通过算法把3张照片中明暗表现优秀的部分提取出来，融合成一张新的图像。

Duang! HDR图就这样形成了~~

有没有觉得So easy，觉得自己也可以成为研发大佬？

上面讲的是基于手机平台端的HDR实现方式，也可以称为帧序列HDR，需要借助其他硬件或者手机处理器来完成。

比如之前G公司采用10张照片高速连拍内堆栈处理后的HDR+技术，声称能够达到14EV的惊艳HDR效果，也就是采用这种技术。

14EV最大动态范围，还原眼之所见

HDR的应用

有同学又要问了：既然HDR效果这么好，岂不是只用它啦？走到哪拍到哪，随手一按都是大片？

当然不是！

少年还是图样图森破，HDR虽好，但是也存在很多应用限制，让我们逐一分析HDR技术面临的实际挑战。

鬼影问题

传统HDR技术是根据多张不同曝光图像来合成一张，而“敌不动，我不动”的理想拍摄情景毕竟少有，手持拍照可能会抖，被拍摄物体运动太快，拍下来的三张图片可能会有所不同，强行合成后就会造成如下鬼影现象。

▲HDR鬼影实例手掌像一棵海草随波飘摇~~

没人想在正常的照片里长出三头六臂， HDR技术开始寻求新的解决方案。于是芯片端HDR技术腾空出世，推出了DOL(Digital overlap)-HDR与Staggered-HDR技术，其原理大体相似。

以Staggered-HDR技术为例，在一次完整曝光的过程中，sensor分别在短、中等和长曝光时读出一次数据，数据进行芯片外处理以得到HDR图像。

由于三组数据来源于同一曝光过程，时间偏移很小，该技术能很好的避免鬼影现象的产生。

即时性问题

上述提到的HDR技术，都需要拍下照片后再算法处理。无法在预览模式实时显示HDR，需要拍照后才能看到效果，景物-屏幕-照片三者没有贯通，无法做到“所见即所得”，用户体验不好。

针对该问题，芯片厂再改进HDR技术，称作BME(Binned multiplexed exposure)，也叫iHDR。

如右边图案所示，在传感器上间隔两行分别使用长短曝光设置，最终合成一帧行数减半的图像。

该技术的帧缓存很短，图像融合较快，可以实现实时预览HDR。

但它的缺点也很明显， binned（二合一）的读出方式让图像分辨率减少了一半，该技术主要适用于对分辨率要求不高的预览或录像HDR。

分辨率损失问题

千辛万苦研究提升的分辨率怎么能说降就降呢？不甘心啊~

芯片厂商又研发了新的方案，称作SME(Spatially multiplexed exposure) ，或叫做Zig-zag （Z字形）HDR。

图如其名，长短曝光分别呈现“Z”字型，每一行像素既有长曝光也有短曝光。据称只要算法足够优秀，该方案就能够输出接近全像素的HDR照片，并且可以用作实时预览。

综合应用方案

综上所述，HDR领域至今还没一位十全十美的王者出现。

但是锲而不舍的工程师从未放弃，一个技术不行，那我们用两个！

下面就是一例综合应用的方案。

传感器端3-Exposure HDR是基于近年流行的4Cell芯片。

在4合1模式下，2x2像素区域内分别设置长(L)、中等(M)、短(S)三级曝光，将 4个像素合并为一个输出，称之为3-Exposure HDR。该方法可用作于图像预览。

采用三曝光实现实时HDR预览，拍照时采用传统帧序列HDR方法，抓取三张不同曝光的图像进行平台端算法处理。

预览和拍照都可以HDR，真正做到了所见即所得。

Tips

聊到这儿，相信你已经对HDR有了更深入的理解。

感兴趣的同学们，可以掏出手机亲身实践下，打开HDR功能，给夕阳下的女朋友(男朋友)拍张美美的照片吧~~前提当然是你得有~

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