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2.3 HDR可视化（Advanced High Dynamic Range Imaging ）
2.3 HDR可视化（Advanced High Dynamic Range Imaging ）
现在可以使用无需使用TMO即可本地显示HDR图像和视频的显示技术。 第一个这样的设备是HDR查看器[218,408]，它受经典立体镜的启发； 在19世纪至20世纪初用于显示3D图像的设备。 尽管此设备可以实现10,000：1的动态范围，但是它非常有限。 实际上，它只能显示打印的静态HDR静态图像，且打印成本很高，即50美元。HDR监视器[342]是第一台可视化HDR内容的显示器。 表2.2概述了这些早期设备。 在这些设备上显示内容的方法都将HDR图像分为具有颜色的细节层和对第一层进行反调制的亮度层。
2.3.1 HDR监视器
Seetzen等。 [342]开发了第一个HDR监视器。 这些基于两种技术：数字光处理（DLP）投影仪和发光二极管（LED）。 有一个调制光源可以增强编码细节和颜色的前层的动态范围。 DLP和LED HDR监视器都使用LCD来显示前层。
DLP投影机驱动的HDR显示器是这些技术中的第一个。该系统使用DLP投影仪来调制光；参见图2.14。为了在此设备上显示HDR内容，需要对一个图像/帧进行预处理，以获得光调制器（在这种情况下为DLP投影仪）和前面板（在此为LCD监视器）的输入案件）。处理方法如图2.15所示，它创建了两个图像。第一个调制光源的方法是通过随后对原始图像的亮度施加平方根和投影仪的逆响应来创建的。通过将HDR图像除以调制一个（在考虑了投影仪的PSF之后）并应用LCD面板的反向响应，可以生成第二个图像，该图像位于要调制的图像的前面。请注意，虽然前面的图像对颜色和细节进行编码，但是背面的图像用于调制并编码全局亮度分布。
15.1英寸投影机驱动的原型监视器的动态范围测得为50,000：1，其中最大亮度为2700 cd / m2，最小亮度为0.054 cd / m2。 对于此显示器，LCD面板是动态范围为300：1的15.1英寸Sharp LQ150X1DG0，而投影仪是对比度为800：1的Optoma DLP EzPro737。 但是，此技术在大多数情况下都不切实际。 投影机所需的光路很大，对于15.1英寸的显示器来说约为1m，这对于家庭娱乐和更宽的显示器来说是不实际的。 而且，由于用于均匀亮度值的菲涅耳透镜在宽视角具有巨大的落差，因此视角非常小。 最后，投影机需要非常明亮，这会导致高功耗和大量发热量。
图2.16。 基于LCD和LED技术的HDR显示器：（a）显示器侧面部分的方案（b）显示器正面部分的方案（c）第一款商用HDR显示器， SIM2 Grand CinemaTM SOLAR47。（照片是在Giuseppe Valenzise和Fredederic Dufaux的帮助下拍摄的。）
基于LED的技术使用低分辨率LED面板来调制光。 参见图2.16（a）和图2.16（b）。 用于LED和LCD面板的图像生成的处理算法与用于DLP设备的算法相似。 主要区别是增加了一个步骤，在该步骤中，根据降采样后的平方根亮度确定每个LED的亮度到LED面板的分辨率，并迭代求值，并采用LED的点扩散函数的重叠方式 考虑到[369]。
LED的主要型号是DR-37p，这是一款具有200,000：1动态范围的37英寸HDR显示器，其中测得的最大和最小亮度分别为3,000 cd / m2和0.015 cd / m2。 对于此显示器，在对比度为250：1的37英寸奇美电子V370H1L01 LCD面板后方安装了1,380个首尔半导体PN-W10290 LED [76]。
在成为完整的消费类产品之前，这种显示技术确实需要解决一些问题。第一个是质量。在增加动态范围的同时，与投影仪技术相比，具有较低的反向调制分辨率的图像质量也会降低。第二个是LED，这些LED在设备问世时非常昂贵，消耗了大量功率（1,680 W），并需要冷却。散热是使用风扇和基于液体的系统进行的，但这会导致很大的噪音。 Wetzstein等。 [416]引入了一种层析成像方法，以利用多层显示器来解决视场的可视化问题。此方法也可以用于显示HDR内容。他们表明，他们的层析成像求解器和双层分解[342]在质量上是相似的。表示双层HDR显示接近最佳。但是，他们的解决方案可以增加动态范围，但对于所有空间频率而言效果却不尽相同。这是一个重要的结果，对于双层HDR显示器也是有效的，因为它表明只有在不分离层的情况下才能实现最佳性能。尽管在实践中很难做到这一点。
2007年2月，杜比（Dolby）收购了HDR显示器先驱Brightside生产商，这些生产商是上面讨论过的15.1英寸投影机驱动的原型显示器和DR-37p的制造商。 这项HDR技术获得了意大利公司SIM2的许可，该公司于2009年发布了首款商用HDR显示器Solar 47。 参见图2.16（c）。 SIM2 HDR监视器的最新商业版本是HDR47ES6MB，它在1920×1080像素分辨率下具有超过6,000 cd / m2的白峰，背光面板中有2202个LED。 在2016年9月于阿姆斯特丹举行的IBC活动上，SIM2展示了10,000 cd / m2的原型显示器。 鉴于高亮度输出，这些设备适用于研究，高质量的家庭体验和工业可视化。
请注意，双层HDR显示器的色度校准[342]比传统显示器在色度表征方面面临更多挑战，因为这些设备可能具有要校准的4D空间。 即LED（或投影仪）和LCD。 不过，可以通过使用查找表和适当的转换来得出显示3D色彩空间中已校准内容的一般解决方案[338]。 最近，刘等。 [230]表明，基于覆盖整个输出色域的样本，使用薄板样条和3D八叉树森林可以减少颜色再现期间的误差。
2.3.2 HDR打印
尽管智能手机和平板电脑已经成为我们社会中显示媒体的主要形式之一，但印刷媒体仍然可以发挥重要作用。 例如，医生仍然喜欢使用X射线胶片进行检查，而照片打印输出对于博物馆和家具摆设起着重要作用。 因此，使用经典介质（例如纸质照片）提供HDR体验很重要。
第一种尝试是通过将纸叠（或电子纸显示器）叠加到投影图像上来增强其效果[63]。 第一步，打印输出和投影图像需要通过相机进行几何定位[361]。 然后，对摄影机-投影仪系统进行光度校准[77]以进行线性化； 这也适用于打印机的传输功能。 最后，使用类似于Seetzen等人的分割技术计算要打印的图像IA和要投影的图像IB。 [342]。
图2.17。HDR打印的一个例子:(a)改变打印方向。(b)改变打印照明。
为了获得比HDR叠加更轻巧，更不受约束的设置，Dong等人（2002年） [114]建议在要打印的图像的不同动态范围区域使用不同的光泽油墨打印HDR图像。请注意，有光泽的油墨可能会在不同的照明和观看条件下改变外观。从黑暗到高光的变化。通过更改打印方向或更改其光照条件，用户可以享受HDR体验。参见图2.17。第一步，他们对不同光泽油墨的BRDF进行了表征。然后，给定输入的HDR图像，该算法将确定所有像素的墨水组合以及所有查看条件的曝光设置。这是通过最小化最小二乘优化来最小化打印的HDR图像外观（对于给定的照明条件或视图）与输入HDR图像在相应曝光下的外观之间的差异。尽管设置不是麻烦的，即外部光源，但是它要求观看环境没有其他强光源。
2.3.3总结
HDR管道最近已经成熟。 有几种方法可以以不同的成本获取HDR静态图像和HDR视频，这些方法也可以以令人满意的质量提供给消费者。 现在，这些内容也可以有效地存储在网络上并流式传输。 有关此主题的更多信息，请参见第8章和第9章。 尽管色调映射一直是体验HDR内容的主要方式，但请参见第3章和第5章，但HDR内容的本地可视化正在迅速出现在市场中，并且可能会成为下一个十年观看HDR的主要方法。