OpenGL核心技術(shù)之HDR

一般來說，當(dāng)存儲在幀緩沖(Framebuffer)中時(shí)，亮度和顏色的值是默認(rèn)被限制在0.0到1.0之間的。這個(gè)看起來無辜的語句使我們一直將亮度與顏色的值設(shè)置在這個(gè)范圍內(nèi)，嘗試著與場景契合。這樣是能夠運(yùn)行的，也能給出還不錯(cuò)的效果。但是如果我們遇上了一個(gè)特定的區(qū)域，其中有多個(gè)亮光源使這些數(shù)值總和超過了1.0，又會(huì)發(fā)生什么呢？答案是這些片段中超過1.0的亮度或者顏色值會(huì)被約束在1.0，從而導(dǎo)致場景混成一片，難以分辨：

這是由于大量片段的顏色值都非常接近1.0，在很大一個(gè)區(qū)域內(nèi)每一個(gè)亮的片段都有相同的白色。這損失了很多的細(xì)節(jié)，使場景看起來非常假。

解決這個(gè)問題的一個(gè)方案是減小光源的強(qiáng)度從而保證場景內(nèi)沒有一個(gè)片段亮于1.0。然而這并不是一個(gè)好的方案，因?yàn)槟阈枰褂貌磺袑?shí)際的光照參數(shù)。一個(gè)更好的方案是讓顏色暫時(shí)超過1.0，然后將其轉(zhuǎn)換至0.0到1.0的區(qū)間內(nèi)，從而防止損失細(xì)節(jié)。

顯示器被限制為只能顯示值為0.0到1.0間的顏色，但是在光照方程中卻沒有這個(gè)限制。通過使片段的顏色超過1.0，我們有了一個(gè)更大的顏色范圍，這也被稱作HDR(High Dynamic Range, 高動(dòng)態(tài)范圍)。有了HDR，亮的東西可以變得非常亮，暗的東西可以變得非常暗，而且充滿細(xì)節(jié)。

HDR原本只是被運(yùn)用在攝影上，攝影師對同一個(gè)場景采取不同曝光拍多張照片，捕捉大范圍的色彩值。這些圖片被合成為HDR圖片，從而綜合不同的曝光等級使得大范圍的細(xì)節(jié)可見。看下面這個(gè)例子，左邊這張圖片在被光照亮的區(qū)域充滿細(xì)節(jié)，但是在黑暗的區(qū)域就什么都看不見了；但是右邊這張圖的高曝光卻可以讓之前看不出來的黑暗區(qū)域顯現(xiàn)出來。

這與我們眼睛工作的原理非常相似，也是HDR渲染的基礎(chǔ)。當(dāng)光線很弱的啥時(shí)候，人眼會(huì)自動(dòng)調(diào)整從而使過暗和過亮的部分變得更清晰，就像人眼有一個(gè)能自動(dòng)根據(jù)場景亮度調(diào)整的自動(dòng)曝光滑塊。

HDR渲染和其很相似，我們允許用更大范圍的顏色值渲染從而獲取大范圍的黑暗與明亮的場景細(xì)節(jié)，zui后將所有HDR值轉(zhuǎn)換成在[0.0, 1.0]范圍的LDR(Low Dynamic Range,低動(dòng)態(tài)范圍)。轉(zhuǎn)換HDR值到LDR值得過程叫做色調(diào)映射(Tone Mapping)，現(xiàn)在現(xiàn)存有很多的色調(diào)映射算法，這些算法致力于在轉(zhuǎn)換過程中保留盡可能多的HDR細(xì)節(jié)。這些色調(diào)映射算法經(jīng)常會(huì)包含一個(gè)選擇性傾向黑暗或者明亮區(qū)域的參數(shù)。

在實(shí)時(shí)渲染中，HDR不僅允許我們超過LDR的范圍[0.0, 1.0]與保留更多的細(xì)節(jié)，同時(shí)還讓我們能夠根據(jù)光源的真實(shí)強(qiáng)度它的強(qiáng)度。比如太陽有比閃光燈之類的東西更高的強(qiáng)度，那么我們?yōu)槭裁床贿@樣子設(shè)置呢?(比如說設(shè)置一個(gè)10.0的漫亮度) 這允許我們用更現(xiàn)實(shí)的光照參數(shù)恰當(dāng)?shù)嘏渲靡粋€(gè)場景的光照，而這在LDR渲染中是不能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗麄儠?huì)被上限約束在1.0。

因?yàn)轱@示器只能顯示在0.0到1.0范圍之內(nèi)的顏色，我們肯定要做一些轉(zhuǎn)換從而使得當(dāng)前的HDR顏色值符合顯示器的范圍。簡單地取平均值重新轉(zhuǎn)換這些顏色值并不能很好的解決這個(gè)問題，因?yàn)槊髁恋牡胤綍?huì)顯得更加顯著。我們能做的是用一個(gè)不同的方程與/或曲線來轉(zhuǎn)換這些HDR值到LDR值，從而給我們對于場景的亮度*掌控，這就是之前說的色調(diào)變換，也是HDR渲染的zui終步驟。

在實(shí)現(xiàn)HDR渲染之前，我們首先需要一些防止顏色值在每一個(gè)片段著色器運(yùn)行后被限制約束的方法。當(dāng)幀緩沖使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的定點(diǎn)格式(像GL_RGB)為其顏色緩沖的內(nèi)部格式，OpenGL會(huì)在將這些值存入幀緩沖前自動(dòng)將其約束到0.0到1.0之間。這一操作對大部分幀緩沖格式都是成立的，除了專門用來存放被拓展范圍值的浮點(diǎn)格式。

當(dāng)一個(gè)幀緩沖的顏色緩沖的內(nèi)部格式被設(shè)定成了GL_RGB16F, GL_RGBA16F, GL_RGB32F 或者GL_RGBA32F時(shí)，這些幀緩沖被叫做浮點(diǎn)幀緩沖(Floating Point Framebuffer)，浮點(diǎn)幀緩沖可以存儲超過0.0到1.0范圍的浮點(diǎn)值，所以非常適合HDR渲染。

想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)浮點(diǎn)幀緩沖，我們只需要改變顏色緩沖的內(nèi)部格式參數(shù)就行了（注意GL_FLOAT參數(shù))：

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1. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, colorBuffer);  
2. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB16F, SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, 0, GL_RGB, GL_FLOAT, NULL);    

默認(rèn)的幀緩沖默認(rèn)一個(gè)顏色分量只占用8位(bits)。當(dāng)使用一個(gè)使用32位每顏色分量的浮點(diǎn)幀緩沖時(shí)(使用GL_RGB32F 或者GL_RGBA32F)，我們需要四倍的內(nèi)存來存儲這些顏色。所以除非你需要一個(gè)非常高的度，32位不是必須的，使用GLRGB16F就足夠了。

有了一個(gè)帶有浮點(diǎn)顏色緩沖的幀緩沖，我們可以放心渲染場景到這個(gè)幀緩沖中。在這個(gè)教程的例子當(dāng)中，我們先渲染一個(gè)光照的場景到浮點(diǎn)幀緩沖中，之后再在一個(gè)鋪屏四邊形(Screen-filling Quad)上應(yīng)用這個(gè)幀緩沖的顏色緩沖，代碼會(huì)是這樣子：

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1. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, hdrFBO);  
2.     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);    
3.     // [...] 渲染(光照的)場景  
4. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);  
5.   
6. // 現(xiàn)在使用一個(gè)不同的著色器將HDR顏色緩沖渲染至2D鋪屏四邊形上  
7. hdrShader.Use();  
8. glActiveTexture(GL_TEXTURE0);  
9. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, hdrColorBufferTexture);  
10. RenderQuad();  

這里場景的顏色值存在一個(gè)可以包含任意顏色值的浮點(diǎn)顏色緩沖中，值可能是超過1.0的。這個(gè)簡單的演示中，場景被創(chuàng)建為一個(gè)被拉伸的立方體通道和四個(gè)點(diǎn)光源，其中一個(gè)非常亮的在隧道的盡頭：

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1. std::vector<glm::vec3> lightColors;  
2. lightColors.push_back(glm::vec3(200.0f, 200.0f, 200.0f));  
3. lightColors.push_back(glm::vec3(0.1f, 0.0f, 0.0f));  
4. lightColors.push_back(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.2f));  
5. lightColors.push_back(glm::vec3(0.0f, 0.1f, 0.0f));    

渲染至浮點(diǎn)幀緩沖和渲染至一個(gè)普通的幀緩沖是一樣的。新的東西就是這個(gè)的hdrShader的片段著色器，用來渲染zui終擁有浮點(diǎn)顏色緩沖紋理的2D四邊形。我們來定義一個(gè)簡單的直通片段著色器(Pass-through Fragment Shader)：

[cpp] view plain copy

1. #version 330 core  
2. out vec4 color;  
3. in vec2 TexCoords;  
4.   
5. uniform sampler2D hdrBuffer;  
6.   
7. void main()  
8. {               
9.     vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;  
10.     color = vec4(hdrColor, 1.0);  
11. }    

這里我們直接采樣了浮點(diǎn)顏色緩沖并將其作為片段著色器的輸出。然而，這個(gè)2D四邊形的輸出是被直接渲染到默認(rèn)的幀緩沖中，導(dǎo)致所有片段著色器的輸出值被約束在0.0到1.0間，盡管我們已經(jīng)有了一些存在浮點(diǎn)顏色紋理的值超過了1.0。

很明顯，在隧道盡頭的強(qiáng)光的值被約束在1.0，因?yàn)橐淮髩K區(qū)域都是白色的，過程中超過1.0的地方損失了所有細(xì)節(jié)。因?yàn)槲覀冎苯愚D(zhuǎn)換HDR值到LDR值，這就像我們根本就沒有應(yīng)用HDR一樣。為了修復(fù)這個(gè)問題我們需要做的是無損轉(zhuǎn)化所有浮點(diǎn)顏色值回0.0-1.0范圍中。我們需要應(yīng)用到色調(diào)映射。

色調(diào)映射(Tone Mapping)是一個(gè)損失很小的轉(zhuǎn)換浮點(diǎn)顏色值至我們所需的LDR[0.0, 1.0]范圍內(nèi)的過程，通常會(huì)伴有特定的風(fēng)格的色平衡(Stylistic Color Balance)。

zui簡單的色調(diào)映射算法是Reinhard色調(diào)映射，它涉及到分散整個(gè)HDR顏色值到LDR顏色值上，所有的值都有對應(yīng)。Reinhard色調(diào)映射算法平均得將所有亮度值分散到LDR上。我們將Reinhard色調(diào)映射應(yīng)用到之前的片段著色器上，并且為了更好的測量加上一個(gè)Gamma校正過濾(包括SRGB紋理的使用)：

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1. void main()  
2. {               
3.     const float gamma = 2.2;  
4.     vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;  
5.   
6.     // Reinhard色調(diào)映射  
7.     vec3 mapped = hdrColor / (hdrColor + vec3(1.0));  
8.     // Gamma校正  
9.     mapped = pow(mapped, vec3(1.0 / gamma));  
10.   
11.     color = vec4(mapped, 1.0);  
12. }     

有了Reinhard色調(diào)映射的應(yīng)用，我們不再會(huì)在場景明亮的地方損失細(xì)節(jié)。當(dāng)然，這個(gè)算法是傾向明亮的區(qū)域的，暗的區(qū)域會(huì)不那么精細(xì)也不那么有區(qū)分度。

現(xiàn)在你可以看到在隧道的盡頭木頭紋理變得可見了。用了這個(gè)非常簡單地色調(diào)映射算法，我們可以合適的看到存在浮點(diǎn)幀緩沖中整個(gè)范圍的HDR值，給我們對于無損場景光照的控制。

另一個(gè)有趣的色調(diào)映射應(yīng)用是曝光(Exposure)參數(shù)的使用。你可能還記得之前我們在介紹里講到的，HDR圖片包含在不同曝光等級的細(xì)節(jié)。如果我們有一個(gè)場景要展現(xiàn)日夜交替，我們當(dāng)然會(huì)在白天使用低曝光，在夜間使用高曝光，就像人眼調(diào)節(jié)方式一樣。有了這個(gè)曝光參數(shù)，我們可以去設(shè)置可以同時(shí)在白天和夜晚不同光照條件工作的光照參數(shù)，我們只需要調(diào)整曝光參數(shù)就行了。

一個(gè)簡單的曝光色調(diào)映射算法會(huì)像這樣：

[cpp] view plain copy

1. uniform float exposure;  
2.   
3. void main()  
4. {               
5.     const float gamma = 2.2;  
6.     vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;  
7.   
8.     // 曝光色調(diào)映射  
9.     vec3 mapped = vec3(1.0) - exp(-hdrColor * exposure);  
10.     // Gamma校正   
11.     mapped = pow(mapped, vec3(1.0 / gamma));  
12.   
13.     color = vec4(mapped, 1.0);  
14. }    

在這里我們將exposure定義為默認(rèn)為1.0的uniform，從而允許我們更加設(shè)定我們是要注重黑暗還是明亮的區(qū)域的HDR顏色值。舉例來說，高曝光值會(huì)使隧道的黑暗部分顯示更多的細(xì)節(jié)，然而低曝光值會(huì)顯著減少黑暗區(qū)域的細(xì)節(jié)，但允許我們看到更多明亮區(qū)域的細(xì)節(jié)。下面這組圖片展示了在不同曝光值下的通道：

這個(gè)圖片清晰地展示了HDR渲染的優(yōu)點(diǎn)。通過改變曝光等級，我們可以看見場景的很多細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)可能在LDR渲染中都被丟失了。比如說隧道盡頭，在正常曝光下木頭結(jié)構(gòu)隱約可見，但用低曝光木頭的花紋就可以清晰看見了。對于近處的木頭花紋來說，在高曝光下會(huì)能更好的看見。

zui后把實(shí)現(xiàn)的源代碼給讀者展示如下，首先展示的是頂點(diǎn)著色器代碼：

[cpp] view plain copy

1. #version 330 core  
2. layout (location = 0) in vec3 position;  
3. layout (location = 1) in vec2 texCoords;  
4.   
5. out vec2 TexCoords;  
6.   
7. void main()  
8. {  
9.     gl_Position = vec4(position, 1.0f);  
10.     TexCoords = texCoords;  
11. }  

片段著色器代碼如下所示：

[cpp] view plain copy

1. #version 330 core  
2. out vec4 color;  
3. in vec2 TexCoords;  
4.   
5. uniform sampler2D hdrBuffer;  
6. uniform float exposure;  
7. uniform bool hdr;  
8.   
9. void main()  
10. {               
11.     const float gamma = 2.2;  
12.     vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;  
13.   
14.     // reinhard  
15.     // vec3 result = hdrColor / (hdrColor + vec3(1.0));  
16.     // exposure  
17.     vec3 result = vec3(1.0) - exp(-hdrColor * exposure);  
18.     // also gamma correct while we're at it         
19.     result = pow(result, vec3(1.0 / gamma));  
20.     color = vec4(result, 1.0f);  
21. }  

在這里展示的兩個(gè)色調(diào)映射算法僅僅是大量(更先進(jìn))的色調(diào)映射算法中的一小部分，這些算法各有長短.一些色調(diào)映射算法傾向于特定的某種顏色/強(qiáng)度，也有一些算法同時(shí)顯示低于高曝光顏色從而能夠顯示更加多彩和精細(xì)的圖像。也有一些技巧被稱作自動(dòng)曝光調(diào)整(Automatic Exposure Adjustment)或者叫人眼適應(yīng)(Eye Adaptation)技術(shù)，它能夠檢測前一幀場景的亮度并且緩慢調(diào)整曝光參數(shù)模仿人眼使得場景在黑暗區(qū)域逐漸變亮或者在明亮區(qū)域逐漸變暗，

HDR渲染的真正優(yōu)點(diǎn)在龐大和復(fù)雜的場景中應(yīng)用復(fù)雜光照算法會(huì)被顯示出來，但是出于教學(xué)目的創(chuàng)建這樣復(fù)雜的演示場景是很困難的，這個(gè)教程用的場景是很小的，而且缺乏細(xì)節(jié)。但是如此簡單的演示也是能夠顯示出HDR渲染的一些優(yōu)點(diǎn)：在明亮和黑暗區(qū)域無細(xì)節(jié)損失，因?yàn)樗鼈兛梢杂缮{(diào)映射重新獲取；多個(gè)光照的疊加不會(huì)導(dǎo)致亮度被約束的區(qū)域；光照可以被設(shè)定為他們原來的亮度而不是被LDR值限定。而且，HDR渲染也使一些有趣的效果更加可行和真實(shí); 其中一個(gè)效果叫做泛光(Bloom)

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