如何做張讓人眼前一「亮」的照片：增益圖 HDR 與 HDR 工作流

HDR 視頻大家都很熟悉了，因爲視頻，特別是電影，引入 HDR 技術的商業價值更高。iPhone 能拍攝杜比視界的視頻，而其他品牌手機能拍攝HDR10兼容的視頻。直播一般使用的是HLG HDR視頻。這些都是成熟、且在各自領域已被被廣泛兼容的標準。

然而照片並沒有這麼好的待遇，直到 2023 年 Adobe 和 Apple 才聯合發佈了第一版 HDR 照片標準 (ISO/TS 22028-5:2023)，在後文中這一標準稱爲ISO HDR。

▍HDR 與 SDR 的區別

ISO HDR的標準實際上照抄了影視行業的做法。HDR 的全稱是高動態範圍 (High Dynamic Range)，也就是說圖像中暗部和亮部細節都要完好保留。一張圖來解釋之：

對 HDR 與 SDR 的直觀解釋。素材 ©Mircea Iancu on Pixabay

在 SDR 屏幕上直接不做處理查看 HDR 照片，看到的效果如上圖的左 1。本文使用張家界天門山的一張照片作爲演示，左 1 的實際效果如下：

不經過處理查看 HDR 的效果和照片過曝一致

該如何解決？方法被稱爲色調映射 (tone mapping)，也就是將 HDR 信息壓縮進 SDR 的高度，有很多種不同的方案，得到的結果也不同。類似於左 2 的壓縮方式效果爲：

看起來正常很多了的 SDR 照片

那真正的 HDR 照片是什麼樣子的？我也附了一張在下方。但你看到它的時候已經不是 HDR 了，因爲有三個階段可能出現問題：

真正的 HDR 照片，但它已經被服務器轉換了，所以你看不出來

服務器端的壓縮：一張照片上傳到網上，服務端可能會爲了節約空間將其壓縮爲其他格式以減少體積，在這個過程中可能會丟失 HDR 信息，屬於傳輸問題；

設備對 HDR 內容進行解碼：要求設備能將該照片識別爲 HDR，例如對於瀏覽器：桌面版的 Chrome 和 Edge 支持顯示增益圖 HDR，但 Safari 全系不支持。Windows 11 的圖庫對 HDR 有限支持，而 Apple 平臺在 iOS/iPad OS 18.1 以及 macOS 15.1之後，基本支持主流的 HDR 格式。此外，App 客戶端需要額外參數才能實現 HDR 顯示。這些屬於軟件問題；

兼容的顯示器：要求設備屏幕支持 HDR 。屬於硬件問題。

我們暫且不考慮問題 1 ，而問題 3 是錢就能解決的（買新硬件）。問題 2 是普及 HDR 照片的關鍵。

▍照片 HDR 的標準

回到 ISO HDR 上來，我們知道，每個像素點可用四個整型 (Int) 來表示，即 R、G、B 以及透明度 A。爲方便其見，我們只考慮一個通道（即只考慮 R）。在 8 bit 下的照片中，最亮的亮度記爲 255 (2^8−1)，而最暗的像素記爲 0。

從 0 到 255 的灰度圖

我們把 255 對應的亮度記爲 SDR 下的最大亮度，其標準爲 200 nit。超過 200 nit 的部分就屬於 HDR 的範疇了：

超過 200 nit 就進入到 HDR 的範圍（此圖片已轉化爲 SDR）

最簡單的處理辦法，就是聲明該圖片是 HDR 的。超過 SDR 範圍的像素用大於 255 的數值去儲存之。照片的位數也需要從 8 bit 增加到至少 10 bit。在 10 bit 下，亮度最大爲 1023，相當於是 255 的 3.11 倍。

爲什麼不是 4 倍而是 3.11 倍？這涉及到伽馬這個參數。簡單來說就是人的眼睛對光的感受是對數的不是線性的。如果四個圖像看起來的亮度依次爲 1、2、3、4，那實際光強爲10:43:106:200。一般來說顯示器的伽馬爲 2.2，4^(1/2.2) = 3.11。

所以繼續沿用 2.2 的伽馬，10 bit 並不夠用！對於一個亮度最高 6400 nit 的物體（相當於 SDR 的 32 倍），我們需要 8+14 = 22 bit 才能儲存，這一開銷（接近 3 倍的文件體積）是不合算的。PQ 和 HLG HDR 定義了一個映射方式，對高亮度數據佔用的信息進行壓縮。因爲人眼對光的敏感性是指數的，比如說只有亮度差大於 2% 才能肉眼看出來。因此記錄數據時，沒必要從亮度 500 至 600 每隔 1 就記錄一下，完全可以 500、510、520、531、541、552…… 大幅減少所需的數據量。選擇合適的映射方式，使用 10 bit 就能在不丟失肉眼精度的情況下，將數據映射到最高 10,000 nit 的亮度。

伽馬 2.2 的曲線（紅）與某種 HLG 的曲線（藍色）

我們把整型映射到 0-1 範圍的浮點中。在 SDR 空間中，200 nit 的亮度以 1.00 儲存。而在上圖對應的 HLG 中，這一亮度大約以 0.55 進行儲存。1000 nit 的亮度將以約 0.75 進行儲存（橫座標 5），而 1.00 的數據會對應 2400 nit 的亮度。我們把這個照片最高支持的餘量 (headroom) 稱爲 12，即表示 HDR 亮度最大爲 SDR 的 12 倍。

現在來考慮該如何解碼這一圖像。如果軟件知道你使用的是 PQ 或者 HLG ，那它將正確的把 0.55 映射到 200 nit、0.75 映射到 1000 nit、1.00 映射到 2400 nit。但如果軟件並不知道，仍然以錯誤的伽馬 2.2 對其進行處理，那麼這些亮度將變成 110、150 以及 200nit，即出現了色調映射（好在 HLG HDR 考慮了這一問題，這種映射不能說是錯誤的，因爲 SDR 部分得到了正確呈現，只不過亮度有所降低）：

這是一個以 HLG 曲線儲存的照片，如果你用瀏覽器查看能看到 HDR 效果

第二個問題在於，創作者可能使用的是最高 1600 nit 的顯示器，並創作了在這個範圍內的作品，但觀衆使用的是最高 400 nit 的顯示器，其只能顯示比 SDR 亮一倍的內容。這個時候，有兩種辦法進行處理。第一個稱爲滾降 (roll-off)，第二個被稱爲硬切 (hard-clipping)。

滾降和硬切的解釋

滾降本質上也是一種色調映射，且這種操作是軟件（甚至是顯示器本身）進行的，不可控。那有沒有辦法做到最大的兼容性？最簡單的做法就是：我把 SDR 和 HDR 照片打包一塊，支持你就看 HDR，不支持就 SDR。

這一方法最大的缺點就是——文件體積翻倍。有沒有優雅一些的方案？這時候增益圖 HDR 就出來了。

▍增益圖 HDR

早在 2020 年，Apple 發佈 iPhone 12 後，就引入了私有的一套 HDR 儲存、顯示流程，被稱爲 Apple HDR。簡單來說，我們只記錄 SDR 圖片本身（稱爲基本圖），以及 SDR 與 HDR 之間的亮度差異作爲增益圖：

增益圖 HDR 的圖示 ©Google

上圖左側爲 HDR 照片，中間爲 SDR 照片。兩個照片的亮度差異可用單色的右圖表示。單色照片儲存所需的空間要小得多，因此整體文件大小不會比 SDR 多多少。

天門山照片的增益圖，其信息量很少因此佔用空間不多

Apple HDR 是私有的，後來 Adobe 申請了一系列專利，並拉上 Apple 一塊推出了增益圖 HDR 的國際標準 ( ISO/DIS 21496-1 )，在本文中稱之爲ISO 增益圖。

在 ISO 增益圖標準中，增益圖通道數量可選單色或者 RGB。RGB 增益圖包含三個通道，其體積也相應地會有增加。比如 iOS 18 開始，iPhone 15、16 系列拍攝得到的是 RGB 增益圖的 HEIC 或 JPG，iPhone 14 及之前得到的是單色增益圖的 HEIC 或 JPG。

通過上變換獲得 Adaptive HDR（Apple 平臺的 ISO 增益圖 HDR）©Apple

增益圖每個通道的每個像素，取值範圍會映射到 [−1, 1]。正數表示在基本圖的基礎上增加亮度，負數表示在基本圖的基礎上降低亮度。因此 ISO 增益圖，可以用 HDR 照片作爲基本圖，SDR 照片通過 HDR 和增益圖計算出來。

ISO 增益圖 HDR 支持的格式包括：JPEG、HEIC、AVIF、JXL、TIFF 等。理論上每個格式都有單色和 RGB 增益圖兩個選項。HEIC、AVIF、JXL、TIFF 等格式可選下變換（HDR 作爲基本圖）或者上變換（SDR 作爲基本圖），下變換還可以選擇 PQ 或者 HLG 作爲 HDR 基本圖的曲線。粗略來看，一共有超過 34 種可能的組合。

又回到兼容性上來，畢竟 ISO 增益圖是 2024 年才推出的標準，並不是所有的組合在目前都能被廣泛兼容。

谷歌負責 JPG 格式的增益圖的實際應用，並制定了 UltraHDR 庫（即 JPG 格式的增益圖 HDR）。UltraHDR 有兩種可能的方式：單色增益圖或 RGB 增益圖。即使 UltraHDR 種類只有兩種，但兼容性也存在問題。

UltraHDR 的文件結構 ©Google

例如在 iOS 18.1之前，Apple 設備（macOS 除外）無法識別 Adobe 輸出的 RGB 增益圖 JPG 文件。現在支持分享 HDR 圖片的社區（例如 Instagram、酷安），也都會先把任何格式的 HDR 轉化爲單色增益圖 JPG，並可能導致亮度的一些變化。

所以，並不建議直接分享 ISO HDR 或者 RGB 增益圖 HDR，而是需要將他們轉化爲單色增益圖 HDR。在考慮這個問題之前，我先總結了獲得 ISO 增益圖 HDR 的方法：

Android 手機直接拍攝：獲得的是單色增益圖的 UltraHDR，UltraHDR 在 Android 14 引入；

Adobe 的 ACR 輸出：獲得 RGB 增益圖的 JPG、TIFF、PNG、AVIF 和 JXL。其中 JPG、AVIF 和 TIFF是上變換，JXL 是下變換；

iPhone 拍攝：15 和 16 獲得 RGB 增益圖的 HEIC 或 JPG，14 以及之前獲得單色增益圖的 HEIC 或 JPG；

使用 libultrahdr 庫：可輸出單色或 RGB 增益圖的 JPG；

使用 Apple 平臺的 ciimage api：可輸出 RGB 增益圖的 HEIC 或 JPG。

▍HDR 照片工作流

軟件

桌面端，處理 RAW 文件首選使用 Lightroom（收費），Darktable （開源軟件）支持輸出EXR、AVIF (PQ HDR) 格式的照片，Photomator（收費）支持輸出 ISO HDR 文件。

移動端仍然建議使用 Lightroom（收費）。Photomator（收費）等軟件也支持輸出 ISO HDR 文件。

顯示器

桌面端你需要一個HDR1000 認證的顯示器獲得最佳效果，最低也要 HDR600。推薦使用 M1 Pro 芯片以後的 14 或 16 寸 MacBook Pro，最高支持 1600 nit 亮度。 其餘 MacBook 在中低亮度下可提供最高 1 檔的餘量 (headroom = 2)。

HDR1000 的顯示器在保證 SDR 200nit 的情況下還有 2 檔以上的 HDR 空間

移動端建議 iPhone 12 及更新的機型（不包括 SE 3）或系統版本在 Android 14 以上且支持 HDR 顯示的安卓。iPad 只建議最新的 M4 Pro 或者 miniLED 款 12.9 寸 Pro，否則只能提供最高 1 檔的餘量：

Apple 設備的 HDR 兼容性，最高 5x SDR 纔有較好效果 ©Apple

輸出與儲存

處理完成後，照片以 HDR 的格式進行輸出，LR 可直接輸出 AVIF、JPG 或 JXL 等小體積格式。或者輸出 16 bit 的 ISO HDR（如 PNG、TIFF）、EXR 作爲中間文件進行後續壓縮。

目前 LR 支持輸出 5 種 HDR 格式

根據需求，對照片進行壓縮。如果不需要兼容性（例如只儲存在本地，不分享不上雲），可採用 ISO HDR 進行儲存。建議使用 10bit HEIC、AVIF 或 JXL，曲線可選 PQ 或 HLG。

如果需要兼容性，例如社交軟件分享，雲儲存，可選單色增益圖 HDR，或者使用 RGB 增益圖 HDR，等未來普及（比如目前 Google Photos 不支持識別 RGB 增益圖 HEIC）。

不推薦以 UltraHDR 儲存，JPEG 壓縮效率低質量相比較差。但可以將其用於照片分發。

macOS 平臺生成 HEIC HDR 的 CLi 工具

在 macOS 平臺，我寫了一個命令行工具用於將 HDR 照片轉化爲 ISO 增益圖或 ISO HDR 格式的 HEIC 文件。支持生成單色增益圖獲得最大兼容性。軟件以 MIT 協議開源。

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作者：chemharuka

責編：廣陵止息