HDR原理介绍

1、简介

HDR(High Dynamic Range,高动态范围)是一种图像后处理技术,是一种表达超过了显示器所能表现的亮度范围的图像映射技术。高动态范围技术能够很好地再现现实生活中丰富的亮度级别,产生逼真的效果。HDR已成为目前游戏应用不可或缺的一部分。通常,显示器能够显示R、G、B分量在[0,255]之间的像素值。而256个不同的亮度级别显然不能表示自然界中光线的亮度情况。比如,太阳的亮度可能是一个白炽灯亮度的几千倍,是一个被白炽灯照亮的桌面的亮度的几十万倍,这远远超出了显示器的亮度表示能力。如何在有限的亮度范围内显示如此宽广的亮度范围,正是HDR技术所要解决的问题。

将一个宽广的亮度范围映射到纸张或屏幕能表示的亮度范围类似于照相机的曝光功能。人眼也有类似的功能。通过照相机的光圈,可以控制进入感光器的光线数量,感光器得到的明暗程度经过一定的处理,就可以得到令人信服的照片。照相机是一个典型的从高动态范围映射到低动态范围的例子。如果我们能够在一定程度上模拟照相机的工作原理,就可以在屏幕上显示高动态范围的图像。对于人眼或镜头,过亮的光线射入时会产生光晕效果,这一点也可以通过一些方法模拟。动态曝光控制和光晕效果结合起来,就构成了一个经典的高动态范围渲染器。



2、基本原理

HDR渲染包含两个步骤,一是曝光控制,即将高动态范围的图像映射到一个固定的低范围中,既屏幕能够显示的(0,1)的范围内。二是对于特别亮的部分实现光晕的效果。其中曝光控制是HDR渲染的核心环节,光晕效果对表现高亮的像素起了重要的作用。

(1)所谓的曝光控制。这个步骤在HDR渲染中被称为Tone Mapping。翻译成中文即“调和映射”。Tone Mapping有很多具体的方法,每个方法都是一个从高动态范围到低范围的一个映射,我们把这些方法统称为 Tone Mapping Operator(TMO),可见,TMO的好坏直接决定了图像的最终质量。

(2)为了模拟人眼的特性,我们需要计算当前要渲染的高动态范围图像的平均亮度,然后根据平均亮度确定一个曝光参数,然后使用这个曝光参数将图像正确地映射到屏幕能现实的颜色区域内。

(3)所谓光晕效果,就是抽出场景中色彩比较亮的部分,然后加以模糊,使这些较量的像素扩散到周边像素中,再把模糊后的图像叠加在Tone Mapping之后的图像上。

本文转自: Fancy3D引擎,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

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