LearnOpenGL HDR

HDR

传统渲染中颜色值会被限制到[0, 1.0], 但是为了实际物理中, 亮度等值是可以超过1.0的, 那么在图片中怎么表现超过1.0的细节呢, 这也就是HDR(High Dynamic Range 高动态范围).
HDR原本是在摄影中的运用, 摄影师发现暗的图片中, 具有非常多亮的细节, 亮的图片中, 暗的细节会非常明显, 可以合成HDR图片.
如下图所示

跟人眼相似, 光线弱的时候, 人眼会自动调整, 从而使得过暗或者过量的部分更加清晰.
HDR渲染, 也是这个原理, 我们先大范围获取黑暗与明亮的细节, 再将HDR值转换为LDR值.

色调映射

转换的方式, 通过色调映射.
最简单的色调映射算法是Reinhard色调映射，它涉及到分散整个HDR颜色值到LDR颜色值上，所有的值都有对应。Reinhard色调映射算法平均地将所有亮度值分散到LDR上。我们将Reinhard色调映射应用到之前的片段着色器上，并且为了更好的测量加上一个Gamma校正过滤(包括SRGB纹理的使用)：

void main()
{
    
                 
    const float gamma = 2.2;
    vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;

    // Reinhard色调映射
    vec3 mapped = hdrColor / (hdrColor + vec3(1.0));
    // Gamma校正
    mapped = pow(mapped, vec3(1.0 / gamma));

    color = vec4(mapped, 1.0);
}   

Reinhard色调映射(Tone Mapping) 是 类似$y=x/x+1$的曲线图, 通过将亮部压暗, 暗部提亮, 让颜色往中间靠拢, 从而产生更多的细节. 当然也会产生一个问题, 画面会灰蒙蒙的, 蒙了一层纱的感觉, 因为中间部分颜色值为0.5, 正好是灰色.

另外一种色调映射是通过指数来达到S曲线的效果, 亮部压的更平滑一点

float3 CEToneMapping(float3 color, float adapted_lum) 
{
    
    
    return 1 - exp(-adapted_lum * color);
}

其中color是线性的HDR颜色，adapted_lum是根据整个画面统计出来的亮度。

这个方法得到的结果比Reinhard有更大的对比度，颜色更鲜艳一些，虽然还是有点灰。
曲线据说是源自孤岛危机(CryEngine 2), 所以又叫CE曲线
CE的曲线中间的区域更偏向于小的方向，这部分曲线也更陡。
这个方法得到的结果比Reinhard有更大的对比度，颜色更鲜艳一些，虽然还是有点灰。

多项式拟合

emmm, 写到这里, 让我想起了数值分析.
用函数模拟终究不太靠谱,
美国电影艺术与科学学会 最终采用多项式拟合, 才制作Tone mapping曲线

参考文献

1.learnOpenGL
2.叛逆者知乎专栏