OpenGL学习笔记十九——HDR

什么是HDR

在渲染一个物体的过程中，物体最终的颜色被存入帧缓冲中时，颜色和亮度值会被限制在0-1之间，这就会有一个问题：当物体的颜色全部都超过1的时候，会被帧缓冲的颜色限制在1这个值，那么场景中的颜色都会变成一种颜色，导致场景一片混乱。如图所示：

好的解决方案是暂时保存超过1部分的颜色值，获得更多的颜色细节，然后将该范围内的值映射到[0,1]之间。这个更大的颜色范围，这也被称作HDR(High Dynamic Range, 高动态范围)
HDR的工作原理与我们眼睛工作的原理非常相似。当光线很弱的啥时候，人眼会自动调整从而使过暗和过亮的部分变得更清晰，就像人眼有一个能自动根据场景亮度调整的自动曝光滑块。我们允许用更大范围的颜色值渲染从而获取大范围的黑暗与明亮的场景细节，最后将所有HDR值转换成在[0.0, 1.0]范围的LDR(Low Dynamic Range,低动态范围)。转换HDR值到LDR值得过程叫做色调映射(Tone Mapping)。

HDR在OpenGL中的应用

浮点帧缓冲
在实现HDR渲染之前，我们首先需要一些防止颜色值在每一个片段着色器运行后被限制约束的方法。当帧缓冲使用了一个标准化的定点格式(像GL_RGB)为其颜色缓冲的内部格式，OpenGL会在将这些值存入帧缓冲前自动将其约束到0.0到1.0之间。这一操作对大部分帧缓冲格式都是成立的，除了专门用来存放被拓展范围值的浮点格式。

当一个帧缓冲的颜色缓冲的内部格式被设定成了GL_RGB16F, GL_RGBA16F, GL_RGB32F 或者GL_RGBA32F时，这些帧缓冲被叫做浮点帧缓冲(Floating Point Framebuffer)，浮点帧缓冲可以存储超过0.0到1.0范围的浮点值，所以非常适合HDR渲染。
色调映射
色调映射(Tone Mapping)是一个损失很小的转换浮点颜色值至我们所需的LDR[0.0, 1.0]范围内的过程，通常会伴有特定的风格的色平衡(Stylistic Color Balance)。

Reinhard色调映射算法实现

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);
}   

曝光色调映射算法

uniform float exposure;

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

    // 曝光色调映射
    vec3 mapped = vec3(1.0) - exp(-hdrColor * exposure);
    // Gamma校正 
    mapped = pow(mapped, vec3(1.0 / gamma));

    color = vec4(mapped, 1.0);
}