欢迎来到HDR照片时代：增益图HDR与HDR工作流

欢迎来到HDR照片时代：增益图HDR与HDR工作流

引用

少数派

1.

https://sspai.com/post/94425

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：

不经过处理查看HDR的效果和照片过曝一致

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：

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

超过200 nit就进入到HDR的范围（此图片已转化为SDR）

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：

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iPhone12+（不包括SE3）或Android 14+系统且支持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。