Рендеринг с высоким динамическим диапазоном - High-dynamic-range rendering

Сравнение стандартного рендеринга с фиксированной апертурой (слева) и рендеринга HDR (справа) в видеоигре Half-Life 2: Затерянный берег

Рендеринг с высоким динамическим диапазоном (HDRR или же HDR рендеринг), также известный как освещение с широким динамическим диапазоном, это рендеринг из компьютерная графика сцены с использованием освещение расчеты выполнены в расширенный динамический диапазон (HDR). Это позволяет сохранить детали, которые могут быть потеряны из-за ограничения коэффициенты контрастности. Видеоигры и компьютерные фильмы и спецэффекты от этого выиграют, поскольку он создает более реалистичные сцены, чем при использовании более упрощенных моделей освещения.

Компания по производству графических процессоров Nvidia Обобщает мотивацию HDR в трех пунктах: яркие объекты могут быть действительно яркими, темные могут быть действительно темными, и детали могут быть видны в обоих.[1]

История

Использование визуализация с высоким динамическим диапазоном (HDRI) в компьютерной графике был представлен Грегом Уордом в 1985 году с его открытым исходным кодом. Сияние рендеринг и моделирование освещения программное обеспечение, 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. Не до недавнего времени[когда? ] Разработана ли технология для практического использования HDRI.[2][3]

В 1990 году Накаме, и другие., представила модель освещения для симуляторов вождения, которая подчеркнула необходимость обработки высокого динамического диапазона в реалистичных симуляциях.[4]

В 1995 году Грег Спенсер представил Физические эффекты бликов для цифровых изображений в СИГГРАФ, предоставляя количественную модель вспышки и цветения в человеческом глазу.[5]

В 1997 г. Поль Дебевек представлен Восстановление карт сияния с высоким динамическим диапазоном из фотографий[6] на SIGGRAPH, а в следующем году представили Рендеринг синтетических объектов в реальные сцены.[7] Эти два документа заложили основу для создания HDR. световые зонды локации, а затем с помощью этого зонда осветить визуализированную сцену.

HDRI и HDRL (освещение на основе изображений с высоким динамическим диапазоном) с тех пор используются во многих ситуациях в трехмерных сценах, в которых для вставки трехмерного объекта в реальную среду требуются данные светового зонда для обеспечения реалистичных световых решений.

В игровых приложениях Ривен: продолжение Myst в 1997 году использовал шейдер постобработки HDRI, непосредственно основанный на статье Спенсера.[8] После E3 2003, Клапан выпустили демо-ролик их Исходный движок рендеринг городского пейзажа в высоком динамическом диапазоне.[9] Этот термин не использовался снова до E3 2004, где он привлек гораздо больше внимания, когда Эпические игры продемонстрировано Unreal Engine 3 и Valve объявили Half-Life 2: Затерянный берег в 2005 году вместе с движками с открытым исходным кодом, такими как OGRE 3D и игры с открытым исходным кодом, такие как Nexuiz.

Примеры

Одним из основных преимуществ рендеринга HDR является сохранение деталей сцены с большим коэффициентом контрастности. 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.

Другой аспект рендеринга HDR - добавление перцептивных сигналов, которые увеличивают видимую яркость. Рендеринг HDR также влияет на сохранение света в оптических явлениях, таких как размышления и преломления, а также прозрачные материалы, такие 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 для имитации их фактических значений. Это позволяет отражениям от поверхностей сохранять реалистичную яркость для ярких источников света.

Ограничения и компенсации

Человеческий глаз

В человеческий глаз может воспринимать сцены с очень высокой динамикой Контрастность, около 1000000: 1. Приспособление частично достигается за счет корректировки Ирис и медленные химические изменения, которые требуют некоторого времени (например, задержка способности видеть при переключении с яркого освещения на кромешную тьму). В любой момент времени статический диапазон глаза меньше, около 10 000: 1. Однако это все еще выше, чем статический диапазон большинства технологий отображения.[нужна цитата ]

Вывод на дисплеи

Хотя многие производители заявляют очень высокие цифры, плазменные дисплеи, ЖК-дисплеи, и ЭЛТ-дисплеи может обеспечить лишь небольшую часть коэффициента контрастности, имеющегося в реальном мире, и обычно он измеряется в идеальных условиях.[нужна цитата ] Одновременный контраст реального контента при нормальных условиях просмотра значительно ниже.

Некоторого увеличения динамического диапазона ЖК-мониторов можно достичь за счет автоматического уменьшения подсветки для темных сцен. Например, LG называет эту технологию «Digital Fine Contrast»;[10] Samsung описывает это как «коэффициент динамической контрастности». Другой способ - использовать набор более ярких и темных светодиодных фонарей, например, в системах, разработанных BrightSide Technologies.[11]

OLED Дисплеи имеют лучший динамический диапазон, чем ЖК-дисплеи, аналогичные плазменным, но с меньшим энергопотреблением. Рек. 709 определяет цветовое пространство для HDTV, и Рек. 2020 г. определяет большее, но все еще неполное цветовое пространство для телевидение сверхвысокой четкости.

Легкое цветение

Основная статья: Блум (эффект шейдера)

Расцветание света является результатом рассеяния в хрусталике человека, который человеческий мозг интерпретирует как яркое пятно на 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.[5]

Вспышка

Основная статья: Отблеск от линз

Блики - это дифракция света в хрусталике человека, в результате чего возникают «лучи» света, исходящие от небольших источников света, а также могут возникать некоторые хроматические эффекты. Он наиболее заметен на точечных источниках света из-за их малого угла обзора.[5]

В противном случае системы рендеринга HDR должны сопоставлять полный динамический диапазон с тем, что глаз увидит в визуализированной ситуации, на возможности устройства. Этот отображение тонов выполняется относительно того, что видит камера виртуальной сцены, в сочетании с несколькими полноэкранные эффекты, например имитировать пыль в воздухе, освещенном прямыми солнечными лучами в темной пещере, или рассыпание в глазах.

Отображение тонов и цветущие шейдеры могут использоваться вместе, чтобы помочь имитировать эти эффекты.

Отображение тонов

Основная статья: Отображение тонов

Отображение тонов в контексте визуализации графики - это метод, используемый для сопоставления цветов из высокого динамического диапазона (в котором выполняются вычисления освещения) в более низкий динамический диапазон, который соответствует возможностям желаемого устройства отображения. Обычно отображение нелинейное - оно сохраняет достаточный диапазон для темных цветов и постепенно ограничивает динамический диапазон для ярких цветов. Этот метод часто дает визуально привлекательные изображения с хорошей детализацией и контрастом. Существуют различные операторы тонального отображения, от простых методов реального времени, используемых в компьютерных играх, до более сложных методов, которые пытаются имитировать перцепционную реакцию зрительной системы человека.

Приложения в компьютерных развлечениях

В настоящее время HDRR преобладает в игры, в первую очередь для ПК, Microsoft с Xbox 360, и Sony с PlayStation 3. Это также было смоделировано на PlayStation 2, GameCube, Xbox и Amiga системы. Sproing Interactive Media объявили, что их новый игровой движок Athena для Wii будет поддерживать HDRR, добавив Wii в список поддерживающих его систем.

В настольная издательская система и игры, значения цвета часто обработанный несколько раз. Поскольку это включает в себя умножение и деление (которые могут накапливаться ошибки округления ), полезно иметь повышенную точность и диапазон 16-битных целых или 16-битных плавающая точка форматы. Это полезно независимо от вышеупомянутых ограничений в некоторых аппаратных средствах.

Разработка HDRR через DirectX

Сложные шейдерные эффекты начали свое существование с выпуском Шейдерная модель 1.0 с DirectX 8. Shader Model 1.0 освещала трехмерные миры с помощью так называемого стандартного освещения. Однако стандартное освещение имело две проблемы:

  1. Точность освещения была ограничена 8-битными целыми числами, что ограничивало коэффициент контрастности 256: 1. С использованием Цветовая модель HVS, значение (V) или яркость цвета имеет диапазон от 0 до 255. Это означает, что самый яркий белый (значение 255) только на 255 уровней ярче самого темного оттенка над чистым черным (то есть: значение 0) .
  2. Расчеты освещения были целое число на основе, что не обеспечивает такой высокой точности, потому что реальный мир не ограничивается целыми числами.

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. Один из первых видеокарты для поддержки DirectX 9.0 изначально был ATI с Radeon 9700, хотя впоследствии эффект не был запрограммирован в играх. 23 августа 2003 г. Microsoft обновила DirectX до DirectX 9.0b, что позволило использовать профиль Pixel Shader 2.x (Extended) для ATI. Radeon X серии и NVIDIA GeForce FX серия графических процессоров.

9 августа 2004 г. Microsoft еще раз обновила DirectX до DirectX 9.0c. Это также предоставило профиль Shader Model 3.0 для язык шейдеров высокого уровня (HLSL). Точность освещения Shader Model 3.0 составляет минимум 32 бита по сравнению с минимумом 8 бит в 2.0. Также теперь все расчеты точности освещения с плавающей запятой. NVIDIA утверждает, что коэффициенты контрастности с использованием Shader Model 3.0 могут 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.

Shader Model 4.0 - это функция DirectX 10, выпущенная вместе с Windows Vista. Shader Model 4.0 позволяет 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.

Разработка HDRR через OpenGL

Можно развить HDRR через GLSL шейдер начиная с OpenGL 1.4 и новее.

Игровые движки, поддерживающие HDR-рендеринг

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Саймон Грин и Джем Чебеноян (2004). «Рендеринг с расширенным динамическим диапазоном (на GeForce 6800)» (PDF). GeForce 6 Серии. nVidia. п. 3.
  2. ^ Рейнхард, Эрик; Грег Уорд; Суманта Паттанаик; Поль Дебевек (август 2005 г.). Визуализация с расширенным динамическим диапазоном: получение, отображение и освещение на основе изображений. Вестпорт, Коннектикут: Морган Кауфманн. ISBN  978-0-12-585263-0.
  3. ^ Грег Уорд. «Визуализация с расширенным динамическим диапазоном» (PDF). Anywhere.com. Получено 18 августа 2009.
  4. ^ Эйхатиро Накамаэ; Кадзуфуми Канеда; Такаши Окамото; Томоюки Нишита (1990). Модель освещения, предназначенная для симуляторов вождения. СИГГРАФ. п. 395. Дои:10.1145/97879.97922. ISBN  978-0201509335. S2CID  11880939.
  5. ^ а б c Грег Спенсер; Питер Ширли; Курт Циммерман; Дональд П. Гринберг (1995). Физические эффекты бликов для цифровых изображений. СИГГРАФ. п.325. CiteSeerX  10.1.1.41.1625. Дои:10.1145/218380.218466. ISBN  978-0897917018. S2CID  17643910.
  6. ^ Пол Э. Дебевек и Джитендра Малик (1997). «Восстановление карт сияния с высоким динамическим диапазоном по фотографиям». СИГГРАФ.
  7. ^ Пол Э. Дебевек (1998). «Рендеринг синтетических объектов в реальные сцены: соединение традиционной и графической графики с глобальным освещением и фотографией с высоким динамическим диапазоном». СИГГРАФ.
  8. ^ Форкэйд, Тим (февраль 1998 г.). «Разгаданный Ривен». Мир компьютерной графики.
  9. ^ Клапан (2003). "Half-Life 2: Source DirectX 9.0 Effects Trailer (2003)". YouTube.
  10. ^ Цифровая точная контрастность
  11. ^ BrightSide Technologies теперь является частью Dolby - В архиве 2007-09-10 на Wayback Machine
  12. ^ «Рендеринг - Возможности - Unreal Technology». Эпические игры. 2006. Архивировано с оригинал на 2011-03-07. Получено 2011-03-15.
  13. ^ «ИСТОЧНИК - СИСТЕМА ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ». Клапан. 2007. Архивировано с оригинал на 2011-03-23. Получено 2011-03-15.
  14. ^ «Удивительные технологии Ведьмака 3». ПК-геймер. 2015. Получено 2016-05-08.
  15. ^ «FarCry 1.3: последняя игра Crytek впервые приносит HDR и 3Dc». X-bit Labs. 2004. Архивировано с оригинал на 2008-07-24. Получено 2011-03-15.
  16. ^ «CryEngine 2 - Обзор». CryTek. 2011. Получено 2011-03-15.
  17. ^ Перейра, Крис (3 декабря 2016 г.). "Кодзима в партнерстве с Killzone, Horizon Dev Guerrilla для Death Stranding". GameSpot. CBS Interactive. В архиве с оригинала 4 декабря 2019 г.. Получено 3 декабря, 2016.
  18. ^ «Unigine Engine - Unigine (усовершенствованный 3D-движок для мультиплатформенных игр и систем виртуальной реальности)». Unigine Corp. 2011. Получено 2011-03-15.
  19. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2015-07-04. Получено 2015-07-03.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  20. ^ «Лицензированная MIT версия Torque 3D с открытым исходным кодом от GarageGames: GarageGames / Torque3D». 2019-08-22.

внешняя ссылка