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[ZZ] HDR&ToneMapping

2024-07-14 06:48:05   220人阅读

http://blog.csdn.net/toughbro/article/details/6745207

 

float游戏存储照片blogimage

 

HDR

high dynamic range.

很多程序朋友（包括我）都是从dxsdk上看到和学习这个概念，开始学习的更多的是一整套hdr sample的流程：

 

  • 在float render target上去render scene
    • 后面很多console上的游戏使用rgbm等编码方式来节省内存和bandwidth
  • 通过down sample去计算亮度
    • treyarch是cook到场景数据里面，省了这个down sample的过程
  • 根据亮度对场景做一个矫正（tone mapping）最后输出到一个rgb8的render target上
但是随着游戏业的画面水准开始向电影水准发展，就需要我们有更好的理解HDR，来进一步把游戏像电影画质推进，这也是近几年的GDC和siggraph上都有一线studio在推HDR相关的技术，比如naughty dog10年的filmic tone mapping，11年crytek在siggraph里面提到的physically based hdr等。
 
首先看一下概念：
  • dynamic range：reinhard的<tone mapping>论文中定义：一个场景中最高亮度与最低亮度的比是dynamic range。
  • low dynamic range : 之所以出现这种情况是图像存储介质（打印纸，照片，电脑屏幕等）精度有限造成的，导致在range上没法完全记录一个场景的亮度信息，只能记录有限的一部分，比如游戏里常见的在rgba8上渲染，每个channel大于1的部分就被截取到1了。
  • high dynamic range : 准确讲是high dynamic range imaging，是指一种图像技术，它能让图像表示一个比原有技术（之前的LowDynamicRange）更大（greater）的dynamic range
    • 这样就可以更加准确和真实的描绘一个场景
进一步说，hdr的存在在于图像存储与表达介质的精度有限，这也是为何游戏引擎大佬在提的都是CG和电影画质，而不是和现实一样的：因为存储介质在这里摆着呢，没法和现实一样，cg是上限。
实际应用中，我们也看到了，hdr除了在range上发力，在精度上也可以更好，比如描绘发暗的场景，可以把亮度矫正到可以充分显示暗部细节。
 
                                                                                                                                                                                                                   
ToneMapping&ExposureAdjustment
 
这里除了数学上正确的亮度计算以外，要考虑到人眼视网膜的特点，比如之前的gamma就是一个根据视网膜特点，重新分配亮度信息，来让人眼在有限的显示精度下获得最大的信息量。视网膜有两个典型特点，这里通过tone mapping和exposure adjustment来解决：
  • 自动根据亮度矫正明暗：让我们晚上看东西也能比较清楚，一开灯眼睛要矫正一会回来
  • 局部适应性：比较经典的图是：
 
这里我们遇到两个问题，各用两个方案解决：
  • 曝光率问题---解决：exposure adjustment。和照相时候曝光原理差不多，白天亮曝光就短一些，晚上曝光长一些，编程时候就是计算render target的平均亮度，然后矫正，这样沙漠的白天和丛林的夜晚都可以在游戏中的rgba8上有一个良好的体现。在hable的论文里，这个属于不同的场景之间的处理问题范畴。
  • 压缩的过程中不可避免的涉及到重新分配亮度值，怎么做来得到更好的尽可能不失真的画面这个解决方案就是tone mapping
实际中也有把这个exposure adjustment并到tone mapping中去，其实还是分开比较好，因为这些概念是从摄像技术中来的，曝光就是曝光，tone mapping就是tone mapping。

                                                                                                                                                                                                                   

ReinhardToneMapping

tone mapping方面比较著名的reinhard哥：

reinhard主页

http://www.cs.ucf.edu/~reinhard/cdrom/

paper link：

http://www.cs.ucf.edu/~reinhard/cdrom/tonemap.pdf

 

tone mapping干什么的？

dxsdk里面也有说，本来是摄影中提出的概念，解决怎么把场景中范围巨大的亮度值放到范围有限的存储空间中来（照片，打印机。。。），达到一个让人喜欢的结果。

这里面一点是“让人喜欢的结果”，它是一个含有主观意味的东西，没有一个绝对的标准，也没有说什么是绝对的对和错，根据游戏类型和开发者，玩家口味，大可选择自己喜欢的结果，tonemapping是达到这一结果的方法而已。

 

tonemapping相关的研究是从摄影技术中发展过来的，只不过digital imaging有比摄影洗相片更好的一个优势，可以进一步发展：

首先明确和定义一些概念：

 

  • zone：存储空间的亮度阶这么一个概念，比如print只有11个zone
  • middle grey：中间的亮度
  • dynamic range：指场景中最高亮度与最低亮度的比值
    • 这是一个最学术派的定义，具体上摄像师一般会追求细节还可以明辨的range
  • key：描述整个场景亮度的数值
  • dodging and burning：把高亮度的东西亮度降低为dodging，把低亮度的部分加亮为burning
luminance mapping
 
首先是把场景亮度map到image里，这一步是luminance mapping：
 
luminance计算：
 
这个计算使用了log。
 
step 1: simplest
result = x/(1+x); 最简单的一个情况，就把任意大的亮度encode到0到1之间。
虽然效果不那么好，但这也算一个luminance mapping。
 
step2：more control
L(white)定义的是在画面上表示纯白的亮度。
 
dodging and burning
 
一般来讲像dxsdk里面做的都是全屏统一的一个量度矫正，这个也是可以的，但是reinhard这里面说有时候这样并不太好，比如整个场景很亮，里面一部分很暗的情况(比如亮背景下的一个树），全屏统一做矫正（也就是dodging and burning)，效果就不好。
这时可能在一个较小的区域来进行dodging and burning可以进一步提升local的对比度，可以达到某些情况下的“令人喜欢”。
这里的基本思路就是在一个scale内去搜集亮度等信息，来做进一步计算，operator也很多。
基本上知道这里已经够了。
 
                                                                                                                                                                                                                   
FilmicToneMapping
 
gdc10上当时在naughty dog工作的hable的presentation：
http://cmpmedia.vo.llnwd.net/o1/vault/gdc10/slides/Hable_John_Uncharted2_HDRLighting.pptx
后来他又在自己blog上说了更多的细节：（甚至说更重要，ppt上的内容但看的话会有很多不解的地方）
http://filmicgames.com/archives/75
 

tone mapping就是一个原始颜色向目标颜色映射的过程，不同的函数呈现一些不同的特点，这里列一些，看下对比：

ppt中有更多的一些对比，这里直接总结filmic tone mapping的好处就是：

 

  • 向暗色过渡的更“脆”
  • 高亮部分更柔和
  • 在input color的match上也更接近linear
最后简单讲，hable把cg工业中的这个operator拿过来用就是因为在实际应用中这个看起来更棒。
这个也是很多电影在用的operator，它的mapping曲线这样的：
实现类似filmic tone mapping的mapping的时候一般是把映射关系放到texture里，然后sample texture，不过有牛人把mapping搞到一个公式里了，hable还加了参数可以让美术调：
[cpp] view plaincopyprint?
  1. A = Shoulder Strength  
  2. B = Linear Strength  
  3. C = Linear Angle  
  4. D = Toe Strength  
  5. E = Toe Numerator  
  6. F = Toe Denominator  
  7. Note: E/F = Toe Angle  
  8. LinearWhite = Linear White Point Value  
  9. F(x) = ((x*(A*x+C*B)+D*E)/(x*(A*x+B)+D*F)) - E/F;  
  10. FinalColor = F(LinearColor)/F(LinearWhite)‏  
在具体的代码看hable的blog更好了：
[cpp] view plaincopyprint?
  1. float A = 0.15;  
  2. float B = 0.50;  
  3. float C = 0.10;  
  4. float D = 0.20;  
  5. float E = 0.02;  
  6. float F = 0.30;  
  7. float W = 11.2;  
  8.   
  9. float3 Uncharted2Tonemap(float3 x)  
  10. {  
  11.    return ((x*(A*x+C*B)+D*E)/(x*(A*x+B)+D*F))-E/F;  
  12. }  
  13.   
  14. float4 ps_main( float2 texCoord  : TEXCOORD0 ) : COLOR  
  15. {  
  16.    float3 texColor = tex2D(Texture0, texCoord );  
  17.    texColor *= 16;  // Hardcoded Exposure Adjustment  
  18.   
  19.    float ExposureBias = 2.0f;  
  20.    float3 curr = Uncharted2Tonemap(ExposureBias*texColor);  
  21.   
  22.    float3 whiteScale = 1.0f/Uncharted2Tonemap(W);  
  23.    float3 color = curr*whiteScale;  
  24.   
  25.    float3 retColor = pow(color,1/2.2);  
  26.    return float4(retColor,1);  
  27. }  


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