２０１０全国计算机网络与通信学术会议 基于ＨＤＲ技术的数字图像渲染 刘金碹秦家水 （西安科技大学理学院，西安７１００５４） （西安科技大学计算机学院，西安７１００５４） 摘要：随着ＧＰＵ可编程硬件的发展，用户对数字图像质量的要求日益提高，高动 态范围（ＨＤＲ）技术随之产生与发展。本文分析和讨论了ＨＤＲ技术的特点与原理， 重点实现了ＨＤＲ技术对数字图像进行渲染。实验表明，基于ＨＤＲ技术的数字图 像渲染，所显示的场景更加细致，细节更加丰富，图像的质量更加鲜亮、逼真，提 高了数字图像质量。 关键字：高动态范围： 色调映射；图像渲染 中图法分类号：ＴＰ３９１．４１文献标示码：Ａ ＨＤＲ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍ ａｇｅ ＬＩＵ ｊｉｎ．ｘｕａｎ ＱＩＮ ｊｉａ－ｓｈｕｉ １（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＢａｓｉｃ Ｃｏｕｒｓｅｓ，Ｘｉ’ａｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４） （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ ｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ＧＰＵ，ｕｓｅｒｓ’ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅｓ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｄ，ＨＤＲ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｆｅａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ（ＨＤＲ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ＨＤＲ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅｓ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ＨＤＲ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ， ｔｈｅ ｓｃｅｎｅ ｓｈｏｗｎ ｉｎ ｇｒｅａｔｅｒ ｄｅｔａｉｌ，ｂｒｉｇｈｔｅｒ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ，ｒｅａｌｉｓｔｉｃ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ；ｔｏｎｅ ｍａｐｐｉｎｇ；ｉｍａｇｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ １概述 在计算机技术的飞速发展的如今，不论是软件还是硬件都已经发展到一个很高的水 平，但对于用户更高品质的追求，计算机的发展是无止境的，特别是计算机图像图像方 面。为了更好的表现图像的质量，ＨＤＲ技术出现了。 在日常生活中我们经常遇到这样的情况：突然从黑暗的房问中走到阳光下，眼睛会 无法睁开；清晨阳光会穿透窗帘像光柱般照射入房间；反光度较高的物在强光下会在周 围产生光晕。以上这些生话中随处可见的现象以前无法在３Ｄ世界中呈现，最大的原因 就在我们使用８．１６ｂｉｔ整数数据，图像精度丢失。 ＨＤＲ的全称是ＨｉｇｈＤｙｎａｍｉｃＲａｎｇｅ（高动态范围）。动态范围是指图像亮度的最亮 值与最暗值的相对比值，最高光强度与最低光强度的相对比值。比值越大，动态范围越 广，显示的亮度级别就越多，色彩空间就越广。图像的动态范围的表示方法： Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ＝ＭａｘＩｎｔｅｎｓｉｔｙ／ＭｉｎＩｎｔｅｎｓｉｔｙ ＿＿（１） 式中ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ是指光强度，最大光强值度与最低光强度的比值，得到的结果就是动 态范围。 ６５ ２０１０全国计算机网络与通信学术会议 ２ ＨＤＲ特点 计算机在显示图象的时候是用８ｂｉｔ（２５６级）或１６ｂｉｔ（６５５３６级）来区分图象的亮度的， 但这几百或几万的亮度级无法再现真实自然场景。目前普通的图片都是由三原色—— 红、绿组成的，这是针对ＣＲＴ显示器显示的图像而制定的规范，通过这三种颜色按一 定的比例进行组合来模拟，任何颜色都可以在屏幕上显示出来，颜色的强度等级在２５６ 个灰度单位以内，普通的图形文件每个象素只有０－２５５的灰度范围。 计算机在对图像的处理过程中一般都取整数进行运算，即使像素的原始数据为浮点 数，也会在运算前自动转化为整数然后处理，这样虽然节约了计算资源，但是却降低了 生成虚拟图像的真实性。 ＨＤＲ真正的巨大变革来自于浮点数据的引入。采用浮点方式来处理和存放亮度数 据，抛弃不准确的整数数据，引入了Ｆｌｏａｔｉｎｇ－ｐｏｉｎｔ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ（浮点算法）、Ｆｌｏａｔｉｎｇ－ｐｏｉｎｔ ｓｈａｄｅｒ ｔａｒｇｅｔ（浮点渲染目标）、Ｆｌｏａｔｉｎｇ—ｐｏｉｎｔ ｂｌｅｎｄｉｎｇ（浮点混合）、Ｆｌｏａｔｉｎｇ—ｐｏｉｎｔ ｔｅｘｔｕｒｅ（浮 点纹理）、Ｆｌｏａｔｉｎｇ．ｐｏｉｎｔ ｉｆｌｔｅｒ（浮点过滤）等技术，同时计算机在引入浮点数据来存储象素 的各个参数并且在运算的全过程都使用浮点数据，这样就可以有效的提高数据的精确 度，更好的提高画面的质量。 ３ ＨＤＲ渲染 ＨＤＲ是一种图像后处理技术，是超越普通的光照的颜色和强度的光照技术，是一 种表达超过了显示器所能表现的亮度范围的图像映射技术。高动态范围技术能够很好地 再现现实生活中丰富的亮度级别，产生逼真的效果。通常，显示器能够显示Ｒ、Ｇ、Ｂ 分量在『０，２５５］之间的像素值。而２５６个不同的亮度级别显然不能表示自然界中光线的亮 度情况。比如，太阳的亮度可能是一个白炽灯亮度的几千倍，是一个被白炽灯照亮的桌 面的亮度的几十万倍，这远远超出了显示器的亮度表示能力。如何在有限的亮度范围内 显示如此宽广的亮度范围，这种研究称为色调映射（Ｔｏｎｅ Ｍａｐｐｉｎｇ）或色阶重建『１］（Ｔｏｎｅ Ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ），正是ＨＤＲ技术所要解决的问题。 ＨＤＲ渲染包含两个步骤，一是色调映射，即将高动态范围的图像映射到一个低范 围巾。既屏幕能够显示的（０，１ 的范围内，使之能显示在低动态范围的普通显示设备，还 要尽可能的保留原图像的核心信息及视觉效果。二是对于特别亮的部分实现光晕的效 果。其中色调映射是ＨＤＲ渲染的核心环节，光晕效果对表现高亮的像素起了重要的作 用。其渲染和目标如图１所示： 图像 色调映射 ／一 ， 阳 光晕效果 ●－－＿＿－＿＿＿＿＿＿＿—— ＨＤＲ渲染 视觉效 现实世界观察／一 ， 阳 ６６ ２０１０全国计算机网络与通信学术会议 色调映射算法分为两种类型：（１）全局动态范围压缩算法［２—３］或者叫空域不变 （Ｓｐａｔｉａｌｌｙ Ｉｎｖａｒｉａｎｔ），该类算法对图像进行动态范围变换时，对每个像素上进行相同变换， 变换方程可以预先指定或根据图像的内容获取。优点：简便且运算效率高，缺点：在于 同一条变换方程不能自适应图像的不同区域，且变换方程必须是一对一的、单调的，结 果导致图像在细节、颜色、明亮程度上有损失。（２）局部动态范围压缩算法【４—６】或者叫 空域变化（Ｓｐａｔｉａｌ Ｖａｒｉａｎｔ）。该类算法对图像进行动态范围变换时，对图像的不同区域进 行不同的变换。优点：增强了图像的局部对比度，保留更多的图像信息，缺点：算法的 复杂度大大的增加，系统开销加大。 全局算法与局部算法的主要不同之处在于：在确定对某一点的映射时有没有引入了 其周围的局部图像信息作为参考。总之，依据ＨＶＳ人类视觉系统（Ｈｕｍａｎ Ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍ）作为参考，各种不同的算法在压缩动态范围的同时，都是以保留图像质量的某 一方面为标准。 本文使用的色调映射算法的基本思想是，在高动态范围计算场景的平均光照，用平 均光照和最大亮度值（Ｗｈｉｔｅ Ｐｏｉｎｔ）缩放像素值，是一种全局算法。 １）计算光强 在读取了图像的ＲＧＢ值后，计算光强 （ ， ）＝Ｏ．２７Ｒ＋Ｏ．６７Ｇ＋Ｏ．０６Ｂ ２）计算平均光照 在高动态范围中计算平均光强 ｒ＇、 厶， … ＝ ｅｘｐ（￣－＂ｌｏｇ２（６＋Ｌｈ （ ， ）） Ｖ ， １ （３） 式中Ｎ是像素的总数；（ｘ，ｙ）是每个像素的２Ｄ坐标， ３）缩放光强值 是一 个非常小的常值 Ｌｓｃａｌｅｄ（ ）： Ｌａｖｅｒａｇｅ （４） 式中 是一个关键值， ４）最终映射 ∈［０，１］，一一般为ｏ．１８ Ｌ￣（Ｘ，Ｙ） ｃ．ｔｅｄ ㈣ 式中， 一（ ， ）是被映射后像素的光强值；Ｌｗｈ妇可以设置成最大光强值或更高， 般取最大光强值 综上所述，首先从图像中读入ＲＧＢ的值，转化为实际的光强值 平均光强值Ｌａｙｅｍｓｅ再次计算出 ｌｅｄ（Ｘ， ，（ ， ）其次计算 ，最终计算出 唧 （ ， ） ，所谓光晕效果，就是抽出场景中 ．彩比较亮的部分，然后加以模糊，位这 较量的像素 ６７ ２０１０全国计算机网络与通信学术会议 扩散到周边像素中，再把模糊后的图像叠加在Ｔｏｎｅ Ｍａｐｐｉｎｇ之后的图像上。如图２所示： ＴｏｎｅＭａｐｐｉｎｇ图像 Ｆｉｇ２ Ｈａｌｏ ｅｆｆｅｃｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｉｇｕｒｅ ｆ光晕效果图 ４实验结果 本文的实验是先用读入场景，再用ＨＤＲ渲染此场景，实验结果如图３所示。从实验结 果可知，使用ＨＤＲ绘制场景效果改善了很多，背景也变亮了很多，且场景更加细致。概括 地说高动态范围技术的效果是：亮的地方可以非常亮，暗的地方可以非常暗，亮暗部的细节 都很明显。 无ＨＤＲ渲染图ＨＤＲ渲染图 Ｆｉｇ３ ＨＤＲ ｒｅｎｄｅｒ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｉｇｕｒｅ ｆ５结束 ＨＤＲ并不是想人们理解的那样就是简单的“高亮”，不是让画面有更大的亮度或是对比 度。ＨＤＲ的效果凶该是亮处的效果是鲜亮的，而黑暗处你也可以清晰的分辨物体的轮廓， 位置和深度，而不是以前的一团黑。动态、趋近真实的物理环境是ＨＤＲ的特效表现原则。 不光亮的地方或者光源多的地方可以体现ＨＤＲ特效的优势，黑暗的地方一样可以，ＨＤＲ可 以帮助你在黑暗中区分物体的边缘轮廓，而没有ＨＤＲ则是一团黑。 ＮＶＩＤＩＡ官方文档中的三句话来总结ＨＤＲ技术：Ｂｒｉｇｈｔ ｔｈｉｎｇｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｌｙ ｂｒｉｇｈｔ；Ｄａｒｋ ｔｈｉｎｇｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｌｙ ｄａｒｋ；Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｓ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｅｎ ｉｎ ｂｏｔｈ。 随着时代的进步、计算机硬件的飞速发展，ＨＤＲ技术的应用也将越来越广，也为数字 图像的高质量和高信息的发展提供动力，未来可能成为数字图像的主流。 参考文献 【１】 Ｒｅｉｎｈａｒｄ，Ｅｒｉｋ，Ｍｉｋｅ Ｓｔａｒｋ，Ｐｅｔｅｒ Ｓｈｉｒｌｅｙ，ａｎｄ Ｊａｍｅｓ Ｆｅｒｗｅｒｄａ．”Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｎｅ ＴＲｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅｓ”．ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ（ＴＯＧ），Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｒ ｅＧｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｔｒａｃｔｅｉｖｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（ＳＩＧＧＲＡＰＨ），ＰＰ．２６７－２７６．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，Ｎ ＡＣＭ Ｐｒｅｓｓ，２００２． 【２】 ＷＡＲＤ Ｇ Ｌ，ＲＵＳＨＭＥＩＥＲ Ｈ，ＰＩＡＴＫＯ Ｃ．Ａ ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｔｏｎｅ ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ ｓｃｅｎｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ，１９９７，３（４）：２９１—３０６． 【３】ＴＵＭＢＬＩＮ Ｊ，ＨＯＤＧＩＮＳ Ｊ Ｋ，Ｇｕｅｎｔｅｒ Ｂ Ｋ．Ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｄｉｓｐｌａｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｉｍａｇｅｓ［Ｊ］．ＡＣＭ ６８ ２０１０全国计算机网络与通信学术会议 Ｔｒａｎｓ．Ｇｒａｐｈ，１９９９，１８：５６－９４． ［４】 Ｋｉｍｍｏ Ｒｏｉｍｅｌａ，Ｔｏｍｉ Ａａｒｎｉｏ．Ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＣＭ ＳＩＧＧＲＡＰＨ ２００６，Ｖｏｌｕｍｅ ２５，Ｉｓｓｕｅ ３，Ｊｕｌｙ，２００６：７０７—７ １ ２． ［５］ Ｊｏｂｓｏｎ Ｄ Ｊ，Ｒａｈｍａｎ Ｚ，Ｗｏｏｄｅｌｌ Ｇ Ａ．Ａ ｍｕｌｔｉ—ｓｃａｌｅ ｒｅｔｉｎｅｘ ｆｏｒ ｂｒｉｄｇｉｎｇ ｔｈｅ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆｓｃｅｎｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９９７，６（７）：９６５－９７６ ［６】 Ｐａｔｔａｎａｉｋ Ｓ Ｎ，Ｆｅｒｗｅｒｄａ Ｊ Ａ，Ｆａｒｃｈｉｌｄ Ｍ Ｄ，Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｄ Ｐ．Ａ ｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｖｉｓｉｏｎ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｉｍａｇｅ ｄｉｓｐｌａｙ［Ｃ］．Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＩＧＧＲＡＰＨ ９８，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ。１ ９９８．２８７．２９８ 作者简介： 刘金碹（１９６８一），女，陕西西安人，硕士，教授，主要研究领域为计算机图形图像，虚拟现 实，双语教学等。 ６９
