HDR&ToneMapping

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:
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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