[ZZ] HDR&ToneMapping
http://blog.csdn.net/toughbro/article/details/6745207
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
- 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
- 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:
- 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


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

- A = Shoulder Strength
- B = Linear Strength
- C = Linear Angle
- D = Toe Strength
- E = Toe Numerator
- F = Toe Denominator
- Note: E/F = Toe Angle
- LinearWhite = Linear White Point Value
- F(x) = ((x*(A*x+C*B)+D*E)/(x*(A*x+B)+D*F)) - E/F;
- FinalColor = F(LinearColor)/F(LinearWhite)
在具体的代码看hable的blog更好了:
- float A = 0.15;
- float B = 0.50;
- float C = 0.10;
- float D = 0.20;
- float E = 0.02;
- float F = 0.30;
- float W = 11.2;
- float3 Uncharted2Tonemap(float3 x)
- {
- return ((x*(A*x+C*B)+D*E)/(x*(A*x+B)+D*F))-E/F;
- }
- float4 ps_main( float2 texCoord : TEXCOORD0 ) : COLOR
- {
- float3 texColor = tex2D(Texture0, texCoord );
- texColor *= 16; // Hardcoded Exposure Adjustment
- float ExposureBias = 2.0f;
- float3 curr = Uncharted2Tonemap(ExposureBias*texColor);
- float3 whiteScale = 1.0f/Uncharted2Tonemap(W);
- float3 color = curr*whiteScale;
- float3 retColor = pow(color,1/2.2);
- return float4(retColor,1);
- }
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