高动态光照渲染

编辑:从此网互动百科 时间:2019-11-14 13:51:42
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同义词 高动态范围成像一般指高动态光照渲染
高动态范围图像(High-Dynamic Range,简称HDR),相比普通的图像,可以提供更多的动态范围和图像细节,根据不同的曝光时间的LDR(Low-Dynamic Range)图像,利用每个曝光时间相对应最佳细节的LDR图像来合成最终HDR图像[1]  ,能够更好的反映出真实环境中的视觉效果。
中文名
高动态光照渲染
外文名
High-Dynamic Range
简    称
HDR
分    类
图像

高动态光照渲染概念

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如上文所说HDR,为高动态范围的简称,何为高动态范围,举例说明:
现实真正存在的亮度差,即最亮的物体亮度,和最暗的物体亮度之比为
, 而人类的眼睛所能看到的范围是
左右,但是一般的显示器,照相机能表示的只有256种不同的亮度。
但是我们可以多拍几张照片,2张,3张,...., 甚至几十张,这些照片的曝光依次增大,很多朋友应该可以想到,随着照片曝光的增大,照片会依次变亮,换一种角度,照片所表示的细节会由暗处向亮处改变。
根据上面的原理,如果我们将照相机拍摄的很多张图片合成,结果图片的数量级一般为
甚至更多。
这样问题就出现了,
或者更高数量级的亮度只能存在电脑里,而一般的显示器只能表示
个亮度数量级,用256个数字来模拟
所能表示的信息,这种模拟的方法就是HDR技术核心内容之一,学名叫Tone-Mapping[1]  。用Tone-mapping压缩以后,我们所合成的HDR影像就能很好的在显示器上显示了,能给人以震撼人心的效果。

高动态光照渲染存储显示

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HDRI是High-Dynamic Range (HDR)image的缩写,也就是高动态范围图像,就是为了解决这个问题而发明出来的,简单地说,HDRI是一种亮度范围非常广的图像,它比其它格式的图像有着更大亮度的数据贮存,而且它记录亮度的方式与传统的图片不同,不是用非线性的方式将亮度信息压缩到8bit或16bit的颜色空间内,而是用直接对应的方式记录亮度信息,它可以说记录了图片环境中的照明信息,因此我们可以使用这种图象来“照亮”场景。有很多HDRI文件是以全景图的形式提供的,我们也可以用它做环境背景来产生反射与折射。这里强调一下HDRI与全景图有本质的区别,全景图指的是包含了360度范围场景的普通图象,可以是JPG格式,BMP格式,TGA格式等等,属于Low-Dynamic RangeRadiance Image,它并不带有光照信息。
HDRI文件是一种文件,扩展名是hdr或tif格式,有足够的能力保存光照信息,但不一定是全景图。Dynamic Range(动态范围)是指一个场景的最亮和最暗部分之间的相对比值。一张HDR图片,它记录了远远超出256个级别的实际场景的亮度值,超出的部分在屏幕上是显示不出来的。可以这样想象:在photoshop里打开一张从室内往窗外外拍的图片,窗外的部分处在强烈的阳光下,曝光过度,呈现的是一片白色,没有多少细节。你将毫无办法,调暗只会把白色变成灰色而已,并不会呈现更多的细节。但如果同一场景是由hdr纪录的话,你减低曝光度,原来纯白的部分将会呈现更多的细节。谈论游戏画面时常说的HDR到底是什么呢?HDR,本身是High-Dynamic Range(高动态范围)的缩写,这本来是一个CG概念。
计算机在表示图象的时候是用8bit(256)级或16bit(65536)级来区分图象的亮度的,但这区区几百或几万无法再现真实自然的光照情况。HDR文件是一种特殊图形文件格式,它的每一个像素除了普通的RGB信息,还有该点的实际亮度信息。普通的图形文件每个象素只有0 -255的灰度范围,这实际上是不够的。想象一下太阳的发光强度和一个纯黑的物体之间的灰度范围或者说亮度范围的差别,远远超过了256个级别。因此,一张普通的白天风景图片,看上去白云和太阳可能都呈现是同样的灰度/亮度,都是纯白色,但实际上白云和太阳之间实
HDR实例 HDR实例
际的亮度不可能一样,他们之间的亮度差别是巨大的。因此,普通的图形文件格式是很不精确的,远远没有纪录到现实世界的实际状况。所以,现在我们就要介绍一下高动态范围图像(简称HDRI)。HDR全称是高动态范围。这是一个简单的术语,HDR图片是使用多张不同曝光的图片,然后再用软件将它们组合成一张图片。它的优势是最终你可以得到一张无论在阴影部分还是高光部分都有细节的图片。在正常的摄影当中,或许你只能选择两者之一。

高动态光照渲染应用领域

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HDR的最佳搭档:OLED电视
HDR技术带来的画质提升是直观可感的,即使是普通观众也能用肉眼辨别,因此今年众多厂商纷纷在电视产品上搭载HDR技术。但即便如此,却不是所有电视产品都能成为HDR技术的“良配”。毕竟HDR技术的运用不是单一的某个环节,而是关系到画面显示的整个生态系统。
呈现完美的HDR需要两个条件,第一是高对比度,第二是卓越的色彩表现力。而LG OLED电视与传统的液晶显示技术不同,它摒弃了背光源,实现了每一个像素点的有机自发光,也就意味着每一个像素点都能独立地打开或关闭,本身具有无限对比度、广色域、还有广视角等优势,因此HDR在OLED电视上可以发挥得淋漓尽致。
首先,对于HDR最重要的是对比度。液晶电视能表现的最低亮度为0.1nits,最亮为500到1000nits之间,对比度只有5000比1,如果把亮度提高两倍到1000nits,也只能达到10000比1。而LG OLED能表现的最低亮度为0.0005nits(目前用亮度测量的仪器能检测到的最低亮度),最高为500nits,大约20个档次,对比度为100万比1,再加上最低亮度(0.0005nit)几乎为零,所以相当于拥有接近于无限的对比度。[2] 

高动态光照渲染实例演示

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上方为压缩后的HDR图像,下方为直接用相机拍摄的图像
参考资料
  • 1.    Erik Reinhard,Wolfgang Heidrich,Paul Debevec,Sumanta Pattanaik,Greg Ward,Karol Myszkowski.high dynamic range imaging acquisition display and image-based lighting:Morgan Kaufmann,2010:全部
  • 2.    电视刮起HDR技术风 LG将它用在了OLED上  .搜狐科技[引用日期2016-04-21]
词条标签:
计算机学