如何做张让人眼前一「亮」的照片:增益图 HDR 与 HDR 工作流

摘要:HDR 视频大家都很熟悉了,因为视频,特别是电影,引入 HDR 技术的商业价值更高。iPhone 能拍摄杜比视界的视频,而其他品牌手机能拍摄HDR10兼容的视频。直播一般使用的是HLG HDR视频。这些都是成熟、且在各自领域已被被广泛兼容的标准。

HDR 视频大家都很熟悉了,因为视频,特别是电影,引入 HDR 技术的商业价值更高。iPhone 能拍摄杜比视界的视频,而其他品牌手机能拍摄HDR10兼容的视频。直播一般使用的是HLG HDR视频。这些都是成熟、且在各自领域已被被广泛兼容的标准。

然而照片并没有这么好的待遇,直到 2023 年 Adobe 和 Apple 才联合发布了第一版 HDR 照片标准 (ISO/TS 22028-5:2023),在后文中这一标准称为ISO HDR。

▍HDR 与 SDR 的区别

ISO HDR的标准实际上照抄了影视行业的做法。HDR 的全称是高动态范围 (High Dynamic Range),也就是说图像中暗部和亮部细节都要完好保留。一张图来解释之:

对 HDR 与 SDR 的直观解释。素材 ©Mircea Iancu on Pixabay

在 SDR 屏幕上直接不做处理查看 HDR 照片,看到的效果如上图的左 1。本文使用张家界天门山的一张照片作为演示,左 1 的实际效果如下:

不经过处理查看 HDR 的效果和照片过曝一致

该如何解决?方法被称为色调映射 (tone mapping),也就是将 HDR 信息压缩进 SDR 的高度,有很多种不同的方案,得到的结果也不同。类似于左 2 的压缩方式效果为:

看起来正常很多了的 SDR 照片

那真正的 HDR 照片是什么样子的?我也附了一张在下方。但你看到它的时候已经不是 HDR 了,因为有三个阶段可能出现问题:

真正的 HDR 照片,但它已经被服务器转换了,所以你看不出来

服务器端的压缩:一张照片上传到网上,服务端可能会为了节约空间将其压缩为其他格式以减少体积,在这个过程中可能会丢失 HDR 信息,属于传输问题;

设备对 HDR 内容进行解码:要求设备能将该照片识别为 HDR,例如对于浏览器:桌面版的 Chrome 和 Edge 支持显示增益图 HDR,但 Safari 全系不支持。Windows 11 的图库对 HDR 有限支持,而 Apple 平台在 iOS/iPad OS 18.1 以及 macOS 15.1之后,基本支持主流的 HDR 格式。此外,App 客户端需要额外参数才能实现 HDR 显示。这些属于软件问题;

兼容的显示器:要求设备屏幕支持 HDR 。属于硬件问题。

我们暂且不考虑问题 1 ,而问题 3 是钱就能解决的(买新硬件)。问题 2 是普及 HDR 照片的关键。

▍照片 HDR 的标准

回到 ISO HDR 上来,我们知道,每个像素点可用四个整型 (Int) 来表示,即 R、G、B 以及透明度 A。为方便其见,我们只考虑一个通道(即只考虑 R)。在 8 bit 下的照片中,最亮的亮度记为 255 (2^8−1),而最暗的像素记为 0。

从 0 到 255 的灰度图

我们把 255 对应的亮度记为 SDR 下的最大亮度,其标准为 200 nit。超过 200 nit 的部分就属于 HDR 的范畴了:

超过 200 nit 就进入到 HDR 的范围(此图片已转化为 SDR)

最简单的处理办法,就是声明该图片是 HDR 的。超过 SDR 范围的像素用大于 255 的数值去储存之。照片的位数也需要从 8 bit 增加到至少 10 bit。在 10 bit 下,亮度最大为 1023,相当于是 255 的 3.11 倍。

为什么不是 4 倍而是 3.11 倍?这涉及到伽马这个参数。简单来说就是人的眼睛对光的感受是对数的不是线性的。如果四个图像看起来的亮度依次为 1、2、3、4,那实际光强为10:43:106:200。一般来说显示器的伽马为 2.2,4^(1/2.2) = 3.11。

所以继续沿用 2.2 的伽马,10 bit 并不够用!对于一个亮度最高 6400 nit 的物体(相当于 SDR 的 32 倍),我们需要 8+14 = 22 bit 才能储存,这一开销(接近 3 倍的文件体积)是不合算的。PQ 和 HLG HDR 定义了一个映射方式,对高亮度数据占用的信息进行压缩。因为人眼对光的敏感性是指数的,比如说只有亮度差大于 2% 才能肉眼看出来。因此记录数据时,没必要从亮度 500 至 600 每隔 1 就记录一下,完全可以 500、510、520、531、541、552…… 大幅减少所需的数据量。选择合适的映射方式,使用 10 bit 就能在不丢失肉眼精度的情况下,将数据映射到最高 10,000 nit 的亮度。

伽马 2.2 的曲线(红)与某种 HLG 的曲线(蓝色)

我们把整型映射到 0-1 范围的浮点中。在 SDR 空间中,200 nit 的亮度以 1.00 储存。而在上图对应的 HLG 中,这一亮度大约以 0.55 进行储存。1000 nit 的亮度将以约 0.75 进行储存(横坐标 5),而 1.00 的数据会对应 2400 nit 的亮度。我们把这个照片最高支持的余量 (headroom) 称为 12,即表示 HDR 亮度最大为 SDR 的 12 倍。

现在来考虑该如何解码这一图像。如果软件知道你使用的是 PQ 或者 HLG ,那它将正确的把 0.55 映射到 200 nit、0.75 映射到 1000 nit、1.00 映射到 2400 nit。但如果软件并不知道,仍然以错误的伽马 2.2 对其进行处理,那么这些亮度将变成 110、150 以及 200nit,即出现了色调映射(好在 HLG HDR 考虑了这一问题,这种映射不能说是错误的,因为 SDR 部分得到了正确呈现,只不过亮度有所降低):

这是一个以 HLG 曲线储存的照片,如果你用浏览器查看能看到 HDR 效果

第二个问题在于,创作者可能使用的是最高 1600 nit 的显示器,并创作了在这个范围内的作品,但观众使用的是最高 400 nit 的显示器,其只能显示比 SDR 亮一倍的内容。这个时候,有两种办法进行处理。第一个称为滚降 (roll-off),第二个被称为硬切 (hard-clipping)。

滚降和硬切的解释

滚降本质上也是一种色调映射,且这种操作是软件(甚至是显示器本身)进行的,不可控。那有没有办法做到最大的兼容性?最简单的做法就是:我把 SDR 和 HDR 照片打包一块,支持你就看 HDR,不支持就 SDR。

这一方法最大的缺点就是——文件体积翻倍。有没有优雅一些的方案?这时候增益图 HDR 就出来了。

▍增益图 HDR

早在 2020 年,Apple 发布 iPhone 12 后,就引入了私有的一套 HDR 储存、显示流程,被称为 Apple HDR。简单来说,我们只记录 SDR 图片本身(称为基本图),以及 SDR 与 HDR 之间的亮度差异作为增益图:

增益图 HDR 的图示 ©Google

上图左侧为 HDR 照片,中间为 SDR 照片。两个照片的亮度差异可用单色的右图表示。单色照片储存所需的空间要小得多,因此整体文件大小不会比 SDR 多多少。

天门山照片的增益图,其信息量很少因此占用空间不多

Apple HDR 是私有的,后来 Adobe 申请了一系列专利,并拉上 Apple 一块推出了增益图 HDR 的国际标准 ( ISO/DIS 21496-1 ),在本文中称之为ISO 增益图。

在 ISO 增益图标准中,增益图通道数量可选单色或者 RGB。RGB 增益图包含三个通道,其体积也相应地会有增加。比如 iOS 18 开始,iPhone 15、16 系列拍摄得到的是 RGB 增益图的 HEIC 或 JPG,iPhone 14 及之前得到的是单色增益图的 HEIC 或 JPG。

通过上变换获得 Adaptive HDR(Apple 平台的 ISO 增益图 HDR)©Apple

增益图每个通道的每个像素,取值范围会映射到 [−1, 1]。正数表示在基本图的基础上增加亮度,负数表示在基本图的基础上降低亮度。因此 ISO 增益图,可以用 HDR 照片作为基本图,SDR 照片通过 HDR 和增益图计算出来。

ISO 增益图 HDR 支持的格式包括:JPEG、HEIC、AVIF、JXL、TIFF 等。理论上每个格式都有单色和 RGB 增益图两个选项。HEIC、AVIF、JXL、TIFF 等格式可选下变换(HDR 作为基本图)或者上变换(SDR 作为基本图),下变换还可以选择 PQ 或者 HLG 作为 HDR 基本图的曲线。粗略来看,一共有超过 34 种可能的组合。

又回到兼容性上来,毕竟 ISO 增益图是 2024 年才推出的标准,并不是所有的组合在目前都能被广泛兼容。

谷歌负责 JPG 格式的增益图的实际应用,并制定了 UltraHDR 库(即 JPG 格式的增益图 HDR)。UltraHDR 有两种可能的方式:单色增益图或 RGB 增益图。即使 UltraHDR 种类只有两种,但兼容性也存在问题。

UltraHDR 的文件结构 ©Google

例如在 iOS 18.1之前,Apple 设备(macOS 除外)无法识别 Adobe 输出的 RGB 增益图 JPG 文件。现在支持分享 HDR 图片的社区(例如 Instagram、酷安),也都会先把任何格式的 HDR 转化为单色增益图 JPG,并可能导致亮度的一些变化。

所以,并不建议直接分享 ISO HDR 或者 RGB 增益图 HDR,而是需要将他们转化为单色增益图 HDR。在考虑这个问题之前,我先总结了获得 ISO 增益图 HDR 的方法:

Android 手机直接拍摄:获得的是单色增益图的 UltraHDR,UltraHDR 在 Android 14 引入;

Adobe 的 ACR 输出:获得 RGB 增益图的 JPG、TIFF、PNG、AVIF 和 JXL。其中 JPG、AVIF 和 TIFF是上变换,JXL 是下变换;

iPhone 拍摄:15 和 16 获得 RGB 增益图的 HEIC 或 JPG,14 以及之前获得单色增益图的 HEIC 或 JPG;

使用 libultrahdr 库:可输出单色或 RGB 增益图的 JPG;

使用 Apple 平台的 ciimage api:可输出 RGB 增益图的 HEIC 或 JPG。

▍HDR 照片工作流

软件

桌面端,处理 RAW 文件首选使用 Lightroom(收费),Darktable (开源软件)支持输出EXR、AVIF (PQ HDR) 格式的照片,Photomator(收费)支持输出 ISO HDR 文件。

移动端仍然建议使用 Lightroom(收费)。Photomator(收费)等软件也支持输出 ISO HDR 文件。

显示器

桌面端你需要一个HDR1000 认证的显示器获得最佳效果,最低也要 HDR600。推荐使用 M1 Pro 芯片以后的 14 或 16 寸 MacBook Pro,最高支持 1600 nit 亮度。 其余 MacBook 在中低亮度下可提供最高 1 档的余量 (headroom = 2)。

HDR1000 的显示器在保证 SDR 200nit 的情况下还有 2 档以上的 HDR 空间

移动端建议 iPhone 12 及更新的机型(不包括 SE 3)或系统版本在 Android 14 以上且支持 HDR 显示的安卓。iPad 只建议最新的 M4 Pro 或者 miniLED 款 12.9 寸 Pro,否则只能提供最高 1 档的余量:

Apple 设备的 HDR 兼容性,最高 5x SDR 才有较好效果 ©Apple

输出与储存

处理完成后,照片以 HDR 的格式进行输出,LR 可直接输出 AVIF、JPG 或 JXL 等小体积格式。或者输出 16 bit 的 ISO HDR(如 PNG、TIFF)、EXR 作为中间文件进行后续压缩。

目前 LR 支持输出 5 种 HDR 格式

根据需求,对照片进行压缩。如果不需要兼容性(例如只储存在本地,不分享不上云),可采用 ISO HDR 进行储存。建议使用 10bit HEIC、AVIF 或 JXL,曲线可选 PQ 或 HLG。

如果需要兼容性,例如社交软件分享,云储存,可选单色增益图 HDR,或者使用 RGB 增益图 HDR,等未来普及(比如目前 Google Photos 不支持识别 RGB 增益图 HEIC)。

不推荐以 UltraHDR 储存,JPEG 压缩效率低质量相比较差。但可以将其用于照片分发。

macOS 平台生成 HEIC HDR 的 CLi 工具

在 macOS 平台,我写了一个命令行工具用于将 HDR 照片转化为 ISO 增益图或 ISO HDR 格式的 HEIC 文件。支持生成单色增益图获得最大兼容性。软件以 MIT 协议开源。

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作者:chemharuka

责编:广陵止息

来源:生活局中人

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