高動態範圍圖像(HDR)淺談

下午3:52 jk 0 Comments

不少人說菲林與數碼最大的分別,就是菲林有非常闊的動態範圍(Dynamic Range, DR,也有人叫作寬容度),彩色負片可以達到18EV(exposure value,曝光值或作曝光等級)左右的DR,黑白負片更可達至21EV左右。相對而言,現今民用最先進之數碼影像傳感器大約只有12-14EV左右,大約與正片相約,這個說法只對了一半,在解釋此個問題前,先了解一下何謂DR。

自然光線其實是由多種不同的單色光組成的一種連續光譜(Continuous Spectrum),此一光譜的光度(Intensity)可以視作為一種灰階分佈。由全黑至全白,在理論上是一個連續的灰階光譜。DR就是指色度灰階由最黑至最白位之間的光度等級有多少。人眼的DR最大可以達至30EV以上,但一般而言相機只有10-20EV左右,因此在高反差場景(場景DR比相機DR要大)下拍攝出來的相片,會出現曝光剪裁的現像,香港攝影界的術語稱為爆光(高光剪裁)/死黑(暗部剪裁)。

要處理好曝光剪裁的問題,安塞爾‧阿當斯(Ansel Adams)與佛瑞德‧R‧阿徹(Fred R. Archer)在黑白攝影的基礎上提出了區域系統(Zone System)作為標準處理曝光的理論。雖然區域系統原來只是用在黑白菲林攝影上,但其曝光技巧在彩色照片或是數碼相片都是通用的理論。

區域系統的11個色階

區域系統提出曝光灰階可等分為11個區域。阿當斯了解到菲林的DR有限,因此希望能在有限的色階內記錄最多訊息,便需要在拍攝場景中作出取捨。菲林所能記錄的最暗位置為第二區(Zone II),最光的區域為第八區(Zone VIII),第五區則為為基準測光點。現代相機的矩陣式測光系統,亦是以此理論為基礎發展而來,在面對高反差場景下便能最大限度地保留細節。

說完DR及測光系統兩個主要的理論,我們再看一看菲林與數碼的反應曲線(Response Curve)。

數碼相機的反應曲線為線性,而菲林的曲線是非線性的,我們可以看到菲林在曝光區域中部(Zone II - Zone VIII)的反應大約為直線,此區以外曲線。由此可能,如果菲林(負片)在正常的曝光之下,第二區至第八區的細節與數碼相機的相差是非常接近,但第0,一,九及十區則比數碼相機能夠保留更多的細節。這樣算來,菲林的DR的確是比數碼更大,但這個高動態範圍圖像(HDR),與數碼相機拍攝得出的HDR,所能保留的細節是有所不同的。

我們甚麼時候才需要動用到HDR的數碼合成功能?在拍攝菲林相片時,由於無法馬上查看相片的光量分布,筆者一般是以點測光(或中央加權測光)對天空及地面分別作測光,然後取兩者的平均值,再稍降1/3級左右,以保留較多高光位置的細節。這並對絕對正確的測光值,但在菲林拍攝上,由於負片的動態範圍較高,因此此方法一般而言沒有太大的問題。其實菲林跟數碼相一樣,可以相距2-3EV作包圍曝光,並用後期合成,但菲林進行包圍曝光合成的成本非常高,所以筆者未曾嘗試,有經驗的朋友不妨多作交流。

數碼相片拍攝的一大好處,就是可以即時查看直方圖(Histogram)。直方圖是最客觀測量一張相片細節保留的工具。上圖指出了過曝與曝光不足時對應的直方圖,以及正確曝光時的直方圖。然而,直方圖的分布有數種不同的類型:

1. 平均分佈型 (常態分佈(Normal Distribution),峰位置中,標準差(standard deviation, s.d.)比較大,出現高光及暗位剪裁)

2. 雙鐘型(Double Bell Shape,兩個常態分佈合成)

3. 集中分佈 (常態分佈,峰位置中,標準差比較小)

4. 低色調 (常態分佈,峰位置左,標準差比較小)

5. 高色調 (常態分佈,峰位置右,標準差比較小)

拍攝風景照片時,如果出現第三種型態的的直方圖,其實是不用進行HDR合成,因為所需要的細節已全數記錄,只需要利用後期軟件調控光暗(正式名稱叫作色調映射)就可以了。如果拍攝時得到的是第四或五型的的色階分布,就先調整曝光值以達至接近第三種的直方圖,才可以更大限度地保留圖像細節。

HDR合成的應用範圍,主要是第一及第二種直方圖分佈。由於相機的動態範圍不足,可見直方圖左右兩方均非接近零的數值。通過包圍曝光(Bracketing Exposure),以2-3EV的曝光區間取得如下的直方圖

利用Photoshop等軟件進行HDR合成,可以得出一個組合直方圖,如此,我們便能得出最多細節的原始圖像。

但此種圖像的對色度是很低的,因此我們可以進行色調映射(Tone Mapping)以令圖像附合顯示器的灰階。其實合成後的HDR直方圖,就是上面第三種的直方分布,因此後期處理的方式基本上是一樣的。色調映射的軟件有很多,當中最有名的就是Photoshop, Lightroom, Photomatix等軟件,而筆者最愛用的是Adobe的Lightroom,因為它與Camera RAW與Photoshop等軟件完美整合,介面及工具亦是專為處理相片光暗而設計,所以是筆者最為推薦之軟件。但以下只會以原理方面入手,其他軟件利用同一技巧亦可做出曝光正確的相片來。

色調映射是甚麼?上面所術相機有其DR,顯示器及相紙都有相對應的DR。一張如上述正確曝光的相片DR比LCD,CRT等設備要高,如果不進行色調映射,顯示的圖像對比度會大幅度下降。因此,我們要將相片對比度轉換至顯示器範圍,同時必須盡量保留顏色及圖像細節以還原圖像。我們常見到一些極高飽和對比的HDR圖像,其實他們未必一定是進行了HDR合成,只是在色調映射時使用了特殊的映射方式。攝影作為藝術創作的一部份,此等圖像的修改筆者是認為可以接受的,但是以傳統風景攝影的角度,筆者的色調映射有如下的原則:

1. 高光及暗位不能出現曝光剪裁,辛辛搞一張HDR相,反而在最後階段時返回最初的腳步?

2. 常態分布盡可能峰值置中

3. 直方圖左右兩邊的值盡可能剛剛好為0

上方三個原則,在圖像學中稱為直方圖均化(Histogram Equalization),是一個常用的圖像處理程序

直方圖均化

直方圖均化的例子,對比度明顯有所提升

在Lightroom的版面上,最強大的功能是四大光暗處理功能,分別為高光(Highlights),陰影(Shadows),白色(Whites)及黑色(Blacks),讀者可以自行調整此四個選項,以進行手動的直方圖均化。順帶一提,曝光(Exposure)及對比(Contrast)對應的直方圖運動是左右移動及平均化,而自動(Auto)功能則是進行自動直方圖均化,但電腦計算時有誤差,還是手動調整最為理想。