【笔记】【百人计划】图形2.7 LDR与HDR

2022-07-31

一、基本概念

HDR = High Dynamic Range（高动态范围）

LDR = Low Dynamic Range（低动态范围）

动态范围 = 最高亮度/最低亮度

对于显示器来说，实际的物理亮度是不同意的。因此需要匹配LDR0-1的范围
自然界中的亮度是HDR的
- 在显示时需要转换到LDR的范围（Tone mapping色调映射）
LDR
- 8位精度
- 单通道0-1（0-255）
- 常用LDR图片储存格式
  - jpg、png等
- 拾色器、一般图片、电脑屏幕
HDR
- 远高于8位精度
- 单通道可以超过1
- 常用HDR图片储存格式
  - hdr/tif/exr/raw
- HDRI、真实世界

为什么需要HDR

更好地色彩，更高的动态范围和更丰富的细节，并有效地防止画面国宝，超过亮度值1的色彩也能很好地表现，像素光亮度变得正常，视觉传达更真实。
HDR有超过1的数值，范围更大，能让bloom的表现更好。

一些HDR图网站

http://www.hdrlabs.com/sibl/archive.html

https://www.openfootage.net/hdri-panorama/

二、Unity中的HDR

Camera-HDR设置

场景将渲染为HDR图像缓冲区
后处理：Bloom&Tone mapping
完成转换HDR->LDR
LDR图像发送给显示器

Lightmap HDR设置

选择High Quality 将启用HDR光照贴图支持，而Normal Quality将切换为使用RGBM编码
RGBM编码：将颜色存储在RGB通道中，将乘数M储存在Alpha通道中

（项目设置-Player-Other settings-Lightmap Encoding）

拾色器HDR设置

1	[HDR] _BackColor("BackColor", Color) = (1,1,1,1)

使用Intensity滑动条可调整颜色强度
每增加1，提供的光亮增加一倍

HDR的优缺点

优点
- 画面中亮度超过1的部分不会被截为1，增加亮部细节并减少曝光
- 减少画面较暗部分的色阶感
- 更好地支持Bloom
缺点
- 渲染速度较慢，需要更多显存
- 不支持硬件AA
- 部分手机不支持

三、HDR与Bloom

Bloom用于表现高光的晕光效果

为实现泛光，我们像平时那样渲染一个有光场景，提取出场景的HDR颜色缓冲以及只有这个场景明亮区域可见的图片。被提取的带有亮度的图片接着被模糊，结果被添加到HDR场景上面。（learnopengl）

unity中的BLoom

Untiy会首先进行下采样（down sample）来计算高光像素，并存在RT中，完成次数由一个参数控制，再up回去，并将下采样的RT加入进去。

我对这个操作目前的理解是，和learnopengl中为了完成高斯模糊是一样的

在毛星云大佬的《高品质后处理：十种图像模糊算法的总结与实现》中也可以看到对各种模糊算法的解释，如果说是以多次的Box filtering来近似高斯模糊或者其他模糊效果的话，就很好理解了。

四、HDR与Tone mapping

色调映射就是为了把HDR转化为LDR

线性映射效果不好

把高光区域和阴影区域像中等亮度方向压缩->S曲线

ACES

ACES（Academy Color Encoding System学院颜色编码系统）

效果：对比度提高，很好地保留暗处和亮出的细节

// ACES
//https://knarkowicz.wordpress.com/2016/01/06/aces-filmic-tone-mapping-curve/
float3 ACESToneMapping(float3 color, float adapted_lum)
{
	const float A = 2.51f;
	const float B = 0.03f;
	const float C = 2.43f;
	const float D = 0.59f;
	const float E = 0.14f;

	color *= adapted_lum;
	return (color * (A * color + B)) / (color * (C * color + D) + E);
}

其他Tone mapping曲线

// Reinhard
float3 ReinhardToneMapping(float3 color, float adapted_lum) 
{
    const float MIDDLE_GREY = 1;
    color *= MIDDLE_GREY / adapted_lum;
    return color / (1.0f + color);
}
// CE
float3 CEToneMapping(float3 color, float adapted_lum) 
{
    return 1 - exp(-adapted_lum * color);
}
// Filmic
float3 F(float3 x)
{
	const float A = 0.22f;
	const float B = 0.30f;
	const float C = 0.10f;
	const float D = 0.20f;
	const float E = 0.01f;
	const float F = 0.30f;
 
	return ((x * (A * x + C * B) + D * E) / (x * (A * x + B) + D * F)) - E / F;
}

float3 Uncharted2ToneMapping(float3 color, float adapted_lum)
{
	const float WHITE = 11.2f;
	return F(1.6f * adapted_lum * color) / F(WHITE);
}