图形 2.7 LDR与HDR

LDR与HDR

B站视频：图形 2.7 LDR与HDR

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（Dynamic Range） = 最高亮度 / 最低亮度

LDR

• 8位精度（256精度）；
• 单通道 0-1；
• 常用LDR图片储存格式：jpg、png、tga等；
• 拾色器、一般的图片、电脑屏幕。

HDR

• 远高于8位精度；
• 单通道可超过1；
• 常用HDR图片储存格式：hdr、tif、exr、raw等；
• HDRI、真实世界。

为什么需要HDR

• **更好的色彩，更高的动态范围和更丰富的细节。**并且有效的防止画面过曝，超过亮度值1的色彩也能很好的表现，像素光亮度变得正常，视觉传达更加真实；

  

• HDR才有超过1的数值，才有光晕（bloom）的效果，高质量的bloom能体现画面的渲染品质；

  

不同显示屏的差异

市场上的不同显示屏，它们由于不同的厂家以及不同的实现工艺手法，它们的实际亮度（物理亮度）是不统一的。以LDR来说，LDR范围为[0, 1]，对应到不同屏幕上时，由于显示屏的亮度、强度不一致，就需要进行对应的匹配，也就是说匹配当前屏幕最低亮度0到最高亮度1的范围，这一步骤由各自厂家完成。

Unity中的HDR

Camera HDR 设置

• 场景将渲染为HDR图像缓冲区；
• 屏幕后处理：Bloom & Tonemapping；
• Tonemapping中完成转化：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）存在Alpha通道中。

拾色器 HDR设置

• 使用Intensity滑动条可以调整颜色的强度；
• 滑动条每增加1，提供的光亮增加一倍；
• 在Shader中的属性栏内，目标颜色添加[HDR]标签。

Properties
{
    [HDR]_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
}

优缺点

优点

• 画面中亮度超过1的部分不会被截为1，增加亮部的细节并且减少曝光；
• 减少画面较暗部分的色阶；
• 更好地支持Bloom效果。

缺点

• 渲染速度较慢（增加了Tonemapping步骤），需要更多的显存；
• 不支持硬件抗锯齿；
• 部分手机不支持。

HDR与Bloom

通常Bloom渲染步骤

渲染出原图

获取图像中较亮部分

从原图提取出超出阈值的高亮部分。

高斯模糊

对提取出的高亮部分进行高斯模糊。

叠加

将高斯模糊后的高亮部分和原图进行叠加，得出最终效果。

Unity中Bloom渲染步骤

Unity实现Bloom效果和通常步骤不太一样。会在第一步先进行down sample（降采样，将原图分辨率减半）计算高光像素，然后根据down sample次数不断地进行降采样，并存到一张Render Texture中。次数到底后，再一步步up sample（升采样）回去。在up sample过程中，叠加之前相同次数的Render Texture。最终，回到原来的分辨率。

HDR与Tonemapping

在自然界中存在不同光源，不同光源的动态范围也不一样。例如蜡烛光的动态范围[10, 15]（非真实值）、太阳光的动态范围[100000, 150000]（非真实值），将这些动态范围转换到屏幕上可以看到的低动态范围，这个过程就叫做Tonemapping。

• 色调映射；
• Tonemapping：把HDR转化为LDR；
• 线性映射效果极差；
• 把高亮区域和阴影区域中等亮度方向压缩 -> S曲线；

ACES

• Academy Color Encoding System 学院颜色编码系统；
• 最流行、最被广泛使用的Tonemapping 映射曲线；
• 效果：对比度提高，很好地保留暗处和亮处的细节。

LUT

完整的ACES Tonemapping算法需要对每个像素做两次矩阵乘法以及两次多项式运算，如果在全屏后处理中使用，性能浪费较大。目前通行的优化方案是使用颜色查找表(Look Up Table, LUT)，将每个像素颜色的计算过程转化为一次贴图采样。Unity中使用的Color LUT长这样：

Color LUT的具体使用步骤如下：

1. 确定LUT使用的坐标空间，Unity使用的是Log C空间，该空间可以将[0, 59) 范围内的颜色值压缩到[0, 1]；
2. 选择LUT尺寸size，创建一张 size * (size * size) 大小的2D贴图；
3. 逐个遍历像素，以uv坐标和尺寸换算到LUT空间坐标，再转换回线性空间颜色；
4. 对线性空间颜色应用Tonemapping，结果写入像素对应uv处；
5. 实际需要Tonemapping时，将输入线性空间颜色转换到LUT空间，再转换为uv坐标，采样LUT贴图，采样值作为最终结果；
6. 也可以使用3D贴图，这样可以省去uv坐标转换的步骤；

使用Color LUT可以将对颜色的所有后处理全部整合到一起，因为不管多么复杂的计算，在实际应用时都转化成了一次采样。那么除了Tonemapping之外，其他诸如色相色温白平衡饱和度这样的调整统统都可以塞到一起去，这也就是为什么我们看Unity中生成LUT那个Shader里有一大堆参数了。

其他参考资料

Tone mapping进化论 - 知乎

【图形学基础拾遗】系统性理解颜色空间、HDR与Tonemapping - 知乎