Войти
Сравнение стандартного рендеринга с фиксированной апертурой (слева) и рендеринга HDR (справа) в видеоигре Half-Life 2: Lost Coast Рендеринг с расширенным динамическим диапазоном (HDRR или Рендеринг HDR ), также известный как освещение с расширенным динамическим диапазоном, - это рендеринг из сцен компьютерной графики с использованием вычислений освещения, выполненных в высоком динамическом диапазоне (HDR). Это позволяет сохранить детали, которые могут быть потеряны из-за ограничения коэффициентов контрастности. Видеоигры и фильмы и спецэффекты, созданные на компьютере, выигрывают от этого, поскольку они создают более реалистичные сцены, чем при использовании более упрощенных моделей освещения.
Производитель графических процессоров Nvidia резюмирует мотивацию HDR в трех аспектах: яркие объекты могут быть действительно яркими, темные объекты могут быть действительно темными, и детали могут быть видны в обоих.
Использование изображений с расширенным динамическим диапазоном (HDRI) в компьютерной графике было введено Грегом Уордом в 1985 году с его открытым исходным кодом Radiance Программное обеспечение для визуализации и моделирования освещения, которое создало первый формат файла для сохранения изображения с высоким динамическим диапазоном. HDRI томился более десяти лет, сдерживаясь ограниченными вычислительными мощностями, хранением и методами захвата. Лишь недавно была разработана технология для практического использования HDRI.
В 1990 году Накаме и др. Представили модель освещения для симуляторов вождения, которая подчеркнула необходимость обработки высокого динамического диапазона в реалистичных условиях.
В 1995 году Грег Спенсер представил физические эффекты бликов для цифровых изображений на SIGGRAPH, предоставив количественную модель бликов и цветения в человеческом глазу.
В 1997 году Поль Дебевек представил «Восстановление карт яркости с высоким динамическим диапазоном по фотографиям» на SIGGRAPH, а в следующем году представил «Рендеринг синтетических объектов в реальные сцены». Эти две статьи заложили основу для создания световых зондов HDR для местности, а затем их использования для освещения визуализированной сцены.
HDRI и HDRL (освещение на основе изображений с расширенным динамическим диапазоном) с тех пор используются во многих ситуациях в 3D-сценах, в которых для вставки 3D-объекта в реальную среду требуются данные светового зонда для обеспечения реалистичности световые решения.
В игровых приложениях Riven: The Sequel to Myst в 1997 году использовал шейдер постобработки HDRI, непосредственно основанный на статье Спенсера. После E3 2003, Valve выпустили демонстрационный ролик своего движка Source, отображающего городской пейзаж в высоком динамическом диапазоне. Этот термин не использовался снова до E3 2004, где он привлек гораздо больше внимания, когда Epic Games представила Unreal Engine 3, а Valve анонсировала Half-Life 2: Lost Coast в 2005 году в сочетании с движками с открытым исходным кодом, такими как OGRE 3D, и играми с открытым исходным кодом, такими как Nexuiz.
Одним из основных преимуществ визуализации HDR является что детали в сцене с большим коэффициентом контрастности сохраняются. Без HDR слишком темные области обрезаются до черного, а слишком яркие области обрезаются до белого. Аппаратно они представлены в виде значений с плавающей запятой 0,0 и 1,0 для чистого черного и чистого белого соответственно.
Еще одним аспектом рендеринга HDR является добавление перцептивных сигналов, которые увеличивают видимую яркость. Рендеринг HDR также влияет на сохранение света в оптических явлениях, таких как отражения и преломления, а также в прозрачных материалах, таких как стекло. При рендеринге LDR очень яркие источники света в сцене (например, солнце) ограничиваются значением 1.0. Когда этот свет отражается, результат должен быть меньше или равен 1,0. Однако при рендеринге HDR очень яркие источники света могут превышать яркость 1.0, чтобы имитировать их фактические значения. Это позволяет отражениям от поверхностей сохранять реалистичную яркость для ярких источников света.
Человеческий глаз может воспринимать сцены с очень высокой динамической контрастностью, примерно 1000000: 1. Адаптация достигается частично за счет регулировки диафрагмы и медленных химических изменений, которые требуют некоторого времени (например, задержки способности видеть при переключении с яркого освещения на кромешную темноту). В любой момент времени статический диапазон глаза меньше, около 10 000: 1. Однако это все еще выше, чем статический диапазон большинства технологий отображения.
Хотя многие производители заявляют очень высокие цифры, плазменные дисплеи, ЖК-дисплеи и ЭЛТ-дисплеи могут обеспечивать лишь небольшую часть коэффициента контрастности, характерного для реального мира, и обычно они измеряются в идеальных условиях. Одновременный контраст реального контента при нормальных условиях просмотра значительно ниже.
Некоторого увеличения динамического диапазона ЖК-мониторов можно добиться за счет автоматического уменьшения подсветки для темных сцен. Например, LG называет эту технологию «Digital Fine Contrast»; Samsung описывает это как «коэффициент динамической контрастности». Другой метод заключается в использовании набора более ярких и более темных светодиодных подсветок, например, с системами, разработанными BrightSide Technologies.
OLED дисплеи имеют лучший динамический диапазон, чем ЖК-дисплеи, аналогичные плазменным, но с меньшим энергопотреблением. Рек. 709 определяет цветовое пространство для HDTV и Rec. 2020 определяет большее, но все еще неполное цветовое пространство для телевидения сверхвысокой четкости.
Цветение света является результатом рассеяния в хрусталике человека, которое человеческий мозг интерпретирует как яркое пятно в сцене. Например, яркий свет на заднем плане будет перетекать на объекты на переднем плане. Это можно использовать для создания иллюзии, чтобы яркое пятно выглядело ярче, чем оно есть на самом деле.
Блики - это дифракция света в хрусталике человека, в результате чего появляются «лучи». "света, испускаемого небольшими источниками света, а также может приводить к некоторым хроматическим эффектам. Он наиболее заметен на точечных источниках света из-за их малого угла обзора.
В противном случае системы визуализации HDR должны отображать полный динамический диапазон на то, что глаз мог бы видеть в визуализированной ситуации, на возможности устройства. Это отображение тонов выполняется относительно того, что камера виртуальной сцены эра видит, в сочетании с несколькими полноэкранными эффектами, например имитировать пыль в воздухе, освещенном прямыми солнечными лучами в темной пещере, или рассыпание в глазах.
Отображение тонов и шейдеры цветения можно использовать вместе, чтобы помочь имитировать эти эффекты.
Отображение тонов в контексте визуализации графики - это метод, используемый для отображения цветов из высокого динамического диапазона (в котором выполняются расчеты освещения) в более низкий динамический диапазон, который соответствует возможности желаемого устройства отображения. Обычно отображение нелинейное - оно сохраняет достаточный диапазон для темных цветов и постепенно ограничивает динамический диапазон для ярких цветов. Этот метод часто позволяет получать визуально привлекательные изображения с хорошей детализацией и контрастом. Существуют различные операторы отображения тонов, от простых методов реального времени, используемых в компьютерных играх, до более сложных методов, которые пытаются имитировать перцепционную реакцию зрительной системы человека.
В настоящее время HDRR преобладает в играх, прежде всего для ПК, Microsoft. 48>Xbox 360 и Sony PlayStation 3. Он также был смоделирован на системах PlayStation 2, GameCube, Xbox и Amiga. Sproing Interactive Media объявила, что их новый игровой движок Athena для Wii будет поддерживать HDRR, добавив Wii в список поддерживающих его систем.
В настольных издательских системах и играх цветовые значения часто обрабатываются несколько раз. Поскольку это включает в себя умножение и деление (которые могут накапливать ошибки округления ), полезно иметь расширенную точность и диапазон форматов 16-битных целых или 16-битных с плавающей запятой. Это полезно независимо от вышеупомянутых ограничений в некоторых аппаратных средствах.
Сложные шейдерные эффекты начали свое существование с выпуском Shader Model 1.0 с DirectX 8. Shader Model 1.0 осветила трехмерные миры тем, что называется стандартное освещение. Однако стандартное освещение имело две проблемы:
24 декабря 2002 г. Microsoft выпустила новую версию DirectX. DirectX 9.0 представил Shader Model 2.0, который предлагал один из необходимых компонентов для рендеринга изображений с высоким динамическим диапазоном: точность освещения не ограничивалась только 8 битами. Хотя в приложениях минимум 8 бит, программисты могли выбрать максимум 24 бита для точности освещения. Однако все расчеты по-прежнему были целочисленными. Одной из первых видеокарт , изначально поддерживающих DirectX 9.0, была ATI Radeon 9700, хотя впоследствии этот эффект не был запрограммирован в играх в течение многих лет. 23 августа 2003 года Microsoft обновила DirectX до DirectX 9.0b, что позволило использовать профиль Pixel Shader 2.x (расширенный) для графических процессоров серии ATI Radeon X и NVIDIA GeForce FX. блоки обработки.
9 августа 2004 г. Microsoft еще раз обновила DirectX до DirectX 9.0c. Это также предоставило профиль Shader Model 3.0 для высокоуровневого языка шейдеров (HLSL). Точность освещения Shader Model 3.0 составляет минимум 32 бита по сравнению с минимумом 8 бит в 2.0. Также все расчеты точности освещения теперь основаны на с плавающей запятой. NVIDIA заявляет, что коэффициент контрастности при использовании Shader Model 3.0 может достигать 65535: 1 при 32-битной точности освещения. Сначала HDRR был возможен только на видеокартах, поддерживающих эффекты Shader-Model-3.0, но вскоре разработчики программного обеспечения добавили совместимость с Shader Model 2.0. В качестве примечания: когда он упоминается как Shader Model 3.0 HDR, HDRR действительно создается путем смешивания FP16. Смешивание FP16 не является частью Shader Model 3.0, но поддерживается в основном картами, также поддерживающими Shader Model 3.0 (исключения включают серию GeForce 6200). Смешивание FP16 можно использовать как более быстрый способ визуализации HDR в видеоиграх.
Модель шейдеров 4.0 - это функция DirectX 10, выпущенная вместе с Windows Vista. Shader Model 4.0 допускает 128-битный HDR-рендеринг, в отличие от 64-битного HDR в Shader Model 3.0 (хотя это теоретически возможно в Shader Model 3.0).
Shader Model 5.0 - это функция DirectX 11. Она обеспечивает сжатие HDR-текстур 6: 1 без заметных потерь, что преобладает в предыдущих версиях методов сжатия текстур DirectX HDR.
Можно разработать HDRR с помощью шейдера GLSL, начиная с OpenGL 1.4 и далее.
