［讀者投稿］高動態範圍圖像(HDR)淺談

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。

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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。

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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)。

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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，但第零，一，九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。

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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:

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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

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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。

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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？上面所述相機有其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，辛苦搞一張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

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直方圖均化

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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。

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