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HDR技術(shù)詳解
點(diǎn)擊次數(shù)：1747 更新時(shí)間：2021-11-30

OpenGL核心技術(shù)之HDR

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)存儲(chǔ)在幀緩沖(Framebuffer)中時(shí)，亮度和顏色的值是默認(rèn)被限制在0.0到1.0之間的。這個(gè)看起來(lái)無(wú)辜的語(yǔ)句使我們一直將亮度與顏色的值設(shè)置在這個(gè)范圍內(nèi)，嘗試著與場(chǎng)景契合。這樣是能夠運(yùn)行的，也能給出還不錯(cuò)的效果。但是如果我們遇上了一個(gè)特定的區(qū)域，其中有多個(gè)亮光源使這些數(shù)值總和超過(guò)了1.0，又會(huì)發(fā)生什么呢？答案是這些片段中超過(guò)1.0的亮度或者顏色值會(huì)被約束在1.0，從而導(dǎo)致場(chǎng)景混成一片，難以分辨：


這是由于大量片段的顏色值都非常接近1.0，在很大一個(gè)區(qū)域內(nèi)每一個(gè)亮的片段都有相同的白色。這損失了很多的細(xì)節(jié)，使場(chǎng)景看起來(lái)非常假。

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方案是減小光源的強(qiáng)度從而保證場(chǎng)景內(nèi)沒(méi)有一個(gè)片段亮于1.0。然而這并不是一個(gè)好的方案，因?yàn)槟阈枰褂貌磺袑?shí)際的光照參數(shù)。一個(gè)更好的方案是讓顏色暫時(shí)超過(guò)1.0，然后將其轉(zhuǎn)換至0.0到1.0的區(qū)間內(nèi)，從而防止損失細(xì)節(jié)。

顯示器被限制為只能顯示值為0.0到1.0間的顏色，但是在光照方程中卻沒(méi)有這個(gè)限制。通過(guò)使片段的顏色超過(guò)1.0，我們有了一個(gè)更大的顏色范圍，這也被稱(chēng)作HDR(High Dynamic Range, 高動(dòng)態(tài)范圍)。有了HDR，亮的東西可以變得非常亮，暗的東西可以變得非常暗，而且充滿(mǎn)細(xì)節(jié)。

HDR原本只是被運(yùn)用在攝影上，攝影師對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景采取不同曝光拍多張照片，捕捉大范圍的色彩值。這些圖片被合成為HDR圖片，從而綜合不同的曝光等級(jí)使得大范圍的細(xì)節(jié)可見(jiàn)?？聪旅孢@個(gè)例子，左邊這張圖片在被光照亮的區(qū)域充滿(mǎn)細(xì)節(jié)，但是在黑暗的區(qū)域就什么都看不見(jiàn)了；但是右邊這張圖的高曝光卻可以讓之前看不出來(lái)的黑暗區(qū)域顯現(xiàn)出來(lái)。


這與我們眼睛工作的原理非常相似，也是HDR渲染的基礎(chǔ)。當(dāng)光線很弱的啥時(shí)候，人眼會(huì)自動(dòng)調(diào)整從而使過(guò)暗和過(guò)亮的部分變得更清晰，就像人眼有一個(gè)能自動(dòng)根據(jù)場(chǎng)景亮度調(diào)整的自動(dòng)曝光滑塊。

HDR渲染和其很相似，我們?cè)试S用更大范圍的顏色值渲染從而獲取大范圍的黑暗與明亮的場(chǎng)景細(xì)節(jié)，zui后將所有HDR值轉(zhuǎn)換成在[0.0, 1.0]范圍的LDR(Low Dynamic Range,低動(dòng)態(tài)范圍)。轉(zhuǎn)換HDR值到LDR值得過(guò)程叫做色調(diào)映射(Tone Mapping)，現(xiàn)在現(xiàn)存有很多的色調(diào)映射算法，這些算法致力于在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保留盡可能多的HDR細(xì)節(jié)。這些色調(diào)映射算法經(jīng)常會(huì)包含一個(gè)選擇性?xún)A向黑暗或者明亮區(qū)域的參數(shù)。

在實(shí)時(shí)渲染中，HDR不僅允許我們超過(guò)LDR的范圍[0.0, 1.0]與保留更多的細(xì)節(jié)，同時(shí)還讓我們能夠根據(jù)光源的真實(shí)強(qiáng)度它的強(qiáng)度。比如太陽(yáng)有比閃光燈之類(lèi)的東西更高的強(qiáng)度，那么我們?yōu)槭裁床贿@樣子設(shè)置呢?(比如說(shuō)設(shè)置一個(gè)10.0的漫亮度) 這允許我們用更現(xiàn)實(shí)的光照參數(shù)恰當(dāng)?shù)嘏渲靡粋€(gè)場(chǎng)景的光照，而這在LDR渲染中是不能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗麄儠?huì)被上限約束在1.0。

因?yàn)轱@示器只能顯示在0.0到1.0范圍之內(nèi)的顏色，我們肯定要做一些轉(zhuǎn)換從而使得當(dāng)前的HDR顏色值符合顯示器的范圍。簡(jiǎn)單地取平均值重新轉(zhuǎn)換這些顏色值并不能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槊髁恋牡胤綍?huì)顯得更加顯著。我們能做的是用一個(gè)不同的方程與/或曲線來(lái)轉(zhuǎn)換這些HDR值到LDR值，從而給我們對(duì)于場(chǎng)景的亮度*掌控，這就是之前說(shuō)的色調(diào)變換，也是HDR渲染的zui終步驟。

在實(shí)現(xiàn)HDR渲染之前，我們首先需要一些防止顏色值在每一個(gè)片段著色器運(yùn)行后被限制約束的方法。當(dāng)幀緩沖使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的定點(diǎn)格式(像GL_RGB)為其顏色緩沖的內(nèi)部格式，OpenGL會(huì)在將這些值存入幀緩沖前自動(dòng)將其約束到0.0到1.0之間。這一操作對(duì)大部分幀緩沖格式都是成立的，除了專(zhuān)門(mén)用來(lái)存放被拓展范圍值的浮點(diǎn)格式。

當(dāng)一個(gè)幀緩沖的顏色緩沖的內(nèi)部格式被設(shè)定成了GL_RGB16F, GL_RGBA16F, GL_RGB32F 或者GL_RGBA32F時(shí)，這些幀緩沖被叫做浮點(diǎn)幀緩沖(Floating Point Framebuffer)，浮點(diǎn)幀緩沖可以存儲(chǔ)超過(guò)0.0到1.0范圍的浮點(diǎn)值，所以非常適合HDR渲染。

想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)浮點(diǎn)幀緩沖，我們只需要改變顏色緩沖的內(nèi)部格式參數(shù)就行了（注意GL_FLOAT參數(shù))：

[cpp] view plain copy

  1. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, colorBuffer);  

  2. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB16F, SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, 0, GL_RGB, GL_FLOAT, NULL);    


默認(rèn)的幀緩沖默認(rèn)一個(gè)顏色分量只占用8位(bits)。當(dāng)使用一個(gè)使用32位每顏色分量的浮點(diǎn)幀緩沖時(shí)(使用GL_RGB32F 或者GL_RGBA32F)，我們需要四倍的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)這些顏色。所以除非你需要一個(gè)非常高的度，32位不是必須的，使用GLRGB16F就足夠了。

有了一個(gè)帶有浮點(diǎn)顏色緩沖的幀緩沖，我們可以放心渲染場(chǎng)景到這個(gè)幀緩沖中。在這個(gè)教程的例子當(dāng)中，我們先渲染一個(gè)光照的場(chǎng)景到浮點(diǎn)幀緩沖中，之后再在一個(gè)鋪屏四邊形(Screen-filling Quad)上應(yīng)用這個(gè)幀緩沖的顏色緩沖，代碼會(huì)是這樣子：

[cpp] view plain copy

  1. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, hdrFBO);  

  2.    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);    

  3.    // [...] 渲染(光照的)場(chǎng)景  

  4. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);  

  5.  

  6. // 現(xiàn)在使用一個(gè)不同的著色器將HDR顏色緩沖渲染至2D鋪屏四邊形上  

  7. hdrShader.Use();  

  8. glActiveTexture(GL_TEXTURE0);  

  9. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, hdrColorBufferTexture);  

  10. RenderQuad();  


這里場(chǎng)景的顏色值存在一個(gè)可以包含任意顏色值的浮點(diǎn)顏色緩沖中，值可能是超過(guò)1.0的。這個(gè)簡(jiǎn)單的演示中，場(chǎng)景被創(chuàng)建為一個(gè)被拉伸的立方體通道和四個(gè)點(diǎn)光源，其中一個(gè)非常亮的在隧道的盡頭：


[cpp] view plain copy

  1. std::vectorlightColors;  

  2. lightColors.push_back(glm::vec3(200.0f, 200.0f, 200.0f));  

  3. lightColors.push_back(glm::vec3(0.1f, 0.0f, 0.0f));  

  4. lightColors.push_back(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.2f));  

  5. lightColors.push_back(glm::vec3(0.0f, 0.1f, 0.0f));    

渲染至浮點(diǎn)幀緩沖和渲染至一個(gè)普通的幀緩沖是一樣的。新的東西就是這個(gè)的hdrShader的片段著色器，用來(lái)渲染zui終擁有浮點(diǎn)顏色緩沖紋理的2D四邊形。我們來(lái)定義一個(gè)簡(jiǎn)單的直通片段著色器(Pass-through Fragment Shader)：



[cpp] view plain copy

  1. #version 330 core  

  2. out vec4 color;  

  3. in vec2 TexCoords;  

  4.  

  5. uniform sampler2D hdrBuffer;  

  6.  

  7. void main()  

  8. {              

  9.    vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;  

  10.    color = vec4(hdrColor, 1.0);  

  11. }    


這里我們直接采樣了浮點(diǎn)顏色緩沖并將其作為片段著色器的輸出。然而，這個(gè)2D四邊形的輸出是被直接渲染到默認(rèn)的幀緩沖中，導(dǎo)致所有片段著色器的輸出值被約束在0.0到1.0間，盡管我們已經(jīng)有了一些存在浮點(diǎn)顏色紋理的值超過(guò)了1.0。


很明顯，在隧道盡頭的強(qiáng)光的值被約束在1.0，因?yàn)橐淮髩K區(qū)域都是白色的，過(guò)程中超過(guò)1.0的地方損失了所有細(xì)節(jié)。因?yàn)槲覀冎苯愚D(zhuǎn)換HDR值到LDR值，這就像我們根本就沒(méi)有應(yīng)用HDR一樣。為了修復(fù)這個(gè)問(wèn)題我們需要做的是無(wú)損轉(zhuǎn)化所有浮點(diǎn)顏色值回0.0-1.0范圍中。我們需要應(yīng)用到色調(diào)映射。


色調(diào)映射(Tone Mapping)是一個(gè)損失很小的轉(zhuǎn)換浮點(diǎn)顏色值至我們所需的LDR[0.0, 1.0]范圍內(nèi)的過(guò)程，通常會(huì)伴有特定的風(fēng)格的色平衡(Stylistic Color Balance)。

zui簡(jiǎn)單的色調(diào)映射算法是Reinhard色調(diào)映射，它涉及到分散整個(gè)HDR顏色值到LDR顏色值上，所有的值都有對(duì)應(yīng)。Reinhard色調(diào)映射算法平均得將所有亮度值分散到LDR上。我們將Reinhard色調(diào)映射應(yīng)用到之前的片段著色器上，并且為了更好的測(cè)量加上一個(gè)Gamma校正過(guò)濾(包括SRGB紋理的使用)：

[cpp] view plain copy

  1. void main()  

  2. {              

  3.    const float gamma = 2.2;  

  4.    vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;  

  5.  

  6.    // Reinhard色調(diào)映射  

  7.    vec3 mapped = hdrColor / (hdrColor + vec3(1.0));  

  8.    // Gamma校正  

  9.    mapped = pow(mapped, vec3(1.0 / gamma));  

  10.  

  11.    color = vec4(mapped, 1.0);  

  12. }    

有了Reinhard色調(diào)映射的應(yīng)用，我們不再會(huì)在場(chǎng)景明亮的地方損失細(xì)節(jié)。當(dāng)然，這個(gè)算法是傾向明亮的區(qū)域的，暗的區(qū)域會(huì)不那么精細(xì)也不那么有區(qū)分度。


現(xiàn)在你可以看到在隧道的盡頭木頭紋理變得可見(jiàn)了。用了這個(gè)非常簡(jiǎn)單地色調(diào)映射算法，我們可以合適的看到存在浮點(diǎn)幀緩沖中整個(gè)范圍的HDR值，給我們對(duì)于無(wú)損場(chǎng)景光照的控制。

另一個(gè)有趣的色調(diào)映射應(yīng)用是曝光(Exposure)參數(shù)的使用。你可能還記得之前我們?cè)诮榻B里講到的，HDR圖片包含在不同曝光等級(jí)的細(xì)節(jié)。如果我們有一個(gè)場(chǎng)景要展現(xiàn)日夜交替，我們當(dāng)然會(huì)在白天使用低曝光，在夜間使用高曝光，就像人眼調(diào)節(jié)方式一樣。有了這個(gè)曝光參數(shù)，我們可以去設(shè)置可以同時(shí)在白天和夜晚不同光照條件工作的光照參數(shù)，我們只需要調(diào)整曝光參數(shù)就行了。

一個(gè)簡(jiǎn)單的曝光色調(diào)映射算法會(huì)像這樣：

[cpp] view plain copy

  1. uniform float exposure;  

  2.  

  3. void main()  

  4. {              

  5.    const float gamma = 2.2;  

  6.    vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;  

  7.  

  8.    // 曝光色調(diào)映射  

  9.    vec3 mapped = vec3(1.0) - exp(-hdrColor * exposure);  

  10.    // Gamma校正  

  11.    mapped = pow(mapped, vec3(1.0 / gamma));  

  12.  

  13.    color = vec4(mapped, 1.0);  

  14. }    


在這里我們將exposure定義為默認(rèn)為1.0的uniform，從而允許我們更加設(shè)定我們是要注重黑暗還是明亮的區(qū)域的HDR顏色值。舉例來(lái)說(shuō)，高曝光值會(huì)使隧道的黑暗部分顯示更多的細(xì)節(jié)，然而低曝光值會(huì)顯著減少黑暗區(qū)域的細(xì)節(jié)，但允許我們看到更多明亮區(qū)域的細(xì)節(jié)。下面這組圖片展示了在不同曝光值下的通道：

這個(gè)圖片清晰地展示了HDR渲染的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)改變曝光等級(jí)，我們可以看見(jiàn)場(chǎng)景的很多細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)可能在LDR渲染中都被丟失了。比如說(shuō)隧道盡頭，在正常曝光下木頭結(jié)構(gòu)隱約可見(jiàn)，但用低曝光木頭的花紋就可以清晰看見(jiàn)了。對(duì)于近處的木頭花紋來(lái)說(shuō)，在高曝光下會(huì)能更好的看見(jiàn)。

zui后把實(shí)現(xiàn)的源代碼給讀者展示如下，首先展示的是頂點(diǎn)著色器代碼：


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  1. #version 330 core  

  2. layout (location = 0) in vec3 position;  

  3. layout (location = 1) in vec2 texCoords;  

  4.  

  5. out vec2 TexCoords;  

  6.  

  7. void main()  

  8. {  

  9.    gl_Position = vec4(position, 1.0f);  

  10.    TexCoords = texCoords;  

  11. }  


片段著色器代碼如下所示：



[cpp] view plain copy

  1. #version 330 core  

  2. out vec4 color;  

  3. in vec2 TexCoords;  

  4.  

  5. uniform sampler2D hdrBuffer;  

  6. uniform float exposure;  

  7. uniform bool hdr;  

  8.  

  9. void main()  

  10. {              

  11.    const float gamma = 2.2;  

  12.    vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;  

  13.  

  14.    // reinhard  

  15.    // vec3 result = hdrColor / (hdrColor + vec3(1.0));  

  16.    // exposure  

  17.    vec3 result = vec3(1.0) - exp(-hdrColor * exposure);  

  18.    // also gamma correct while we're at it        

  19.    result = pow(result, vec3(1.0 / gamma));  

  20.    color = vec4(result, 1.0f);  

  21. }  



在這里展示的兩個(gè)色調(diào)映射算法僅僅是大量(更先進(jìn))的色調(diào)映射算法中的一小部分，這些算法各有長(zhǎng)短.一些色調(diào)映射算法傾向于特定的某種顏色/強(qiáng)度，也有一些算法同時(shí)顯示低于高曝光顏色從而能夠顯示更加多彩和精細(xì)的圖像。也有一些技巧被稱(chēng)作自動(dòng)曝光調(diào)整(Automatic Exposure Adjustment)或者叫人眼適應(yīng)(Eye Adaptation)技術(shù)，它能夠檢測(cè)前一幀場(chǎng)景的亮度并且緩慢調(diào)整曝光參數(shù)模仿人眼使得場(chǎng)景在黑暗區(qū)域逐漸變亮或者在明亮區(qū)域逐漸變暗，

HDR渲染的真正優(yōu)點(diǎn)在龐大和復(fù)雜的場(chǎng)景中應(yīng)用復(fù)雜光照算法會(huì)被顯示出來(lái)，但是出于教學(xué)目的創(chuàng)建這樣復(fù)雜的演示場(chǎng)景是很困難的，這個(gè)教程用的場(chǎng)景是很小的，而且缺乏細(xì)節(jié)。但是如此簡(jiǎn)單的演示也是能夠顯示出HDR渲染的一些優(yōu)點(diǎn)：在明亮和黑暗區(qū)域無(wú)細(xì)節(jié)損失，因?yàn)樗鼈兛梢杂缮{(diào)映射重新獲??；多個(gè)光照的疊加不會(huì)導(dǎo)致亮度被約束的區(qū)域；光照可以被設(shè)定為他們?cè)瓉?lái)的亮度而不是被LDR值限定。而且，HDR渲染也使一些有趣的效果更加可行和真實(shí); 其中一個(gè)效果叫做泛光(Bloom)


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