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HDR呈现

高动态范围渲染(HDRR或HDR渲染)是在比通常更宽的动态范围内渲染颜色值的计算机图形。HDR渲染的主要优点是,与典型的电视或电脑显示器的对比度相比,它保留了更多的光影细节。

HDR算法通过解决照明和渲染方程,以及为任何给定场景存储更多不同的颜色值来实现这一点。在传统的图形中,颜色值不会超过1.0f,但HDRR中的颜色值可以根据开发人员的要求而定。

NVIDIA的开发者工具包将HDR定义为以下特性的组合:

  • 明亮显示:最低750 cd/m^2,高亮1000 - 10,000 cd/m^2
  • 深黑色:对比度为50000:1或更好
  • 4K或更高分辨率
  • 更宽的色域

人眼的动态范围非常大,约为1,000,000:1。这意味着它可以熟练地通过虹膜的生化变化和调整来适应不断变化的光照条件。正如我们都经历过的,眼睛需要时间来适应非常明亮的环境到非常黑暗的环境。这是因为眼睛的静态范围较小,大约在10,000:1左右。尽管如此,眼睛的动态范围仍然比大多数电视或电脑显示器更广。

由于人眼擅长在不同光照条件下读取大范围的颜色值,HDR渲染被用于视频游戏和电影特效,以实现尽可能接近我们眼睛所看到的场景。根据英伟达科技公司的说法,HDR渲染意味着“明亮的东西可以非常明亮,黑暗的东西可以非常黑暗,并且在两者中都可以看到细节。”

HDRR的好处

高动态范围渲染有很多优点:

细节的保存:

HDR渲染的主要优势是,场景中的细节可以通过更大的对比度得到更好的保存。在没有HDRR的情况下,太暗的区域被剪辑成黑色,太亮的区域被剪辑成白色,但是有了HDRR,黑白之间的对比度比传统的RGB要高。这意味着白色看起来会格外明亮,而黑色则会非常丰富和详细。

为更真实的高光增加了明显的亮度:

HDR渲染的较高动态范围也影响了在渲染材料(如玻璃、水甚至人体皮肤)中的反射和折射中保存光线的方式。在标准RGB中,最亮光源的上限值为1.0。所以,当光线被反射或折射时,该值也必须不大于1.0。

另一方面,使用HDRR,场景中最亮的光源可以超过1.0。因此,表面反射和折射可以与它们的主光源有更真实的关系。

更丰富的颜色:

与此同时,HDRR在场景中创造了更多的对比度和细节,它减少或消除了剪辑和压缩。因此,开发人员和CAD专家可以使用HDRR来实现更高饱和度的颜色。英伟达表示,HDRR有潜力将色域扩大两倍。这相当于可见光光谱的75%。HDR中的颜色会看起来更有活力,尤其是火焰效果,看起来很棒,而且图像的整体活力会增加。

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显示HDR

今天的高端相机可以拍摄HDR。为了做到这一点,他们将一个场景进行了多次曝光,以捕捉图像中黑暗和明亮区域的所有细节。然后,后期处理软件将多个曝光组合成一张照片。结果可能相当惊人:平衡、超真实的图像更准确地代表了人眼所能看到的东西。在HDR电视和视觉显示器上,面板通过提供比标准RGB电视或显示器更宽的色域来实现类似的功能。

尼特+流明

随着HDR进入消费者电视和显示器市场,你可能听说过这个术语没用的人更多。什么是尼特?尼特是单位面积上发射光的量。1尼特(nt)等于1坎德拉每平方米。(坎德拉是国际计量光度的基本单位。)尼特是亮度(可见光强度)的测量单位。它用来描述电视和电脑显示器的输出。

换句话说,如果你把显示器看作一个光源,虱子测量的是屏幕向你眼睛发送的光有多少。一个典型的电视可能输出100到200尼特,而一个hdr兼容电视将输出高达2000尼特。更高亮度的核心目的是支持越来越多的HDR内容,但HDR显示器也可以为标准内容提供整体增强效果。

像尼特一样,流明(或ANSI流明- ANSI代表美国国家标准协会)描述光输出,但用于视频投影仪。一个ANSI流明等于从一个1坎德拉光源的1米远的1平方米面积上反射的光的量。大多数家庭影院投影仪输出在1500到2500 ANSI流明之间。商用视频投影仪可以输出3000或更多的ANSI流明。当比较尼特和流明时,1尼特大约等于3.426 ANSI流明。

HDR显示器的要求是什么?

2016年,超高清联盟该组织是一群致力于先进显示技术标准化的公司,他们宣布了对HDR的认证要求。这些都是:

    • 要么峰值亮度超过1,000 cd/m^2,黑电平小于0.05 cd/m^2(对比度至少为20,000:1),要么
    • 峰值亮度超过540 cd/m^2,黑电平小于0.0005 cd/m^2(对比度至少为1080000:1)。

这两个选项允许两种主要类型的HDR显示:LCD和OLED。要知道显示器是否有hdr缺陷,你可以看看“Ultra HD Premium”标签。

4K和HDR一样吗?

不,HDR和4K是不同的技术。4K这个术语来自于电影行业中的4096 x 2160像素或1.9:1的纵横比标准。大多数家庭显示器和电视使用16:9的比例,因此家庭使用的分辨率为3840 x 2160像素。这也被称为超高清(超高清)。超高清4K面板有超过800万像素,是标准1080p面板像素密度的四倍。到2020年,预计大多数美国家庭都将拥有一台支持4k的超高清电视。

但所有4K显示器都支持HDR吗?许多HDR显示器都有4K面板,但并非所有4K显示器都支持HDR。在画质方面,4K提供了更好的图像清晰度和清晰度。它还允许更大的面板(1080p屏幕看起来模糊,如果你把它们拉得太大)。总的来说,消费者会发现HDR的效果比从1080p升级到4K更明显。

OLED和4K一样吗?

SUHD (Super Ultra High Definition) 4K是指分辨率为3840 × 2160的屏幕,而有机发光二极管(OLED)是一种显示技术。OLED与传统的液晶显示器(LCD)完全不同。与需要背光才能产生图像的LCD面板不同,OLED显示器由放置在两个导体之间的有机碳基薄膜组成。当电流通过时,它就会发光。

由于没有背光干扰,OLED显示器最令人惊叹的特点之一是像素可以是真正的黑色。没有背光的重量,OLED电视也非常轻薄。它们有优越的视角,除了典型的红色、绿色和蓝色之外,还包括一个额外的白色像素。这提供了更多样和准确的颜色,并可以增加显示器的寿命。

然而,将OLED与HDR结合使用也有一个缺点,这也是由于OLED的标志性特征缺乏背光。OLED显示器通常不那么亮,这意味着OLED显示器需要有超过540尼特的亮度和低于0.0005尼特的黑色水平,才能满足超高清联盟的HDR认证要求。

支持HDR的gpu和播放器

与显示器一样,只有特定的图形处理单元和播放器可以支持HDR内容。因为HDR渲染的最低要求是Shader Model 2.0或GLSL 1.10,理论上,任何支持Shader Model 2.0或GLSL 1.10的显卡都可以处理HDR渲染。但如果GPU不够强大,HDRR可能会导致软件性能下降。检查您的设备是否符合NVIDIA、AMD或设备制造商发布的规格,以确保您的GPU或播放器完全能够支持HDR。

HDR渲染的历史

高动态范围成像(HDRI)在计算机图形学中的应用始于1985年Radiance开源渲染和照明软件的发布。1990年,Nakame等人开发了一种用于驾驶模拟器的照明模型,揭示了在现实模拟中需要HDR处理。然后,在1995年,软件工程师格雷格·斯宾塞在SIGGRAPH(计算机图形和交互技术年度特别兴趣小组)上发布了他关于数字图像制作的耀斑和绽放效果的发现。

1997年,视觉效果工程师Paul Debevec在SIGGRAPH上演示了从照片中恢复高动态范围辐射地图;然后在1998年,Debevec再次提出了使用非实时渲染将合成物体渲染成真实场景的方法。与此同时,Cyan Worlds的图像密集型策略游戏也出现了Riven: The Sequel to Myst使用基于Greg Spencer 1995年作品的HDRI后期处理着色器。

在接下来的十年里,HDRR在游戏和娱乐领域变得越来越普遍。2003年,Valve Software发布了一个演示,展示了他们的Source引擎如何渲染HDR城市景观。在2004年的E3(电子娱乐博览会)上,当Epic Games展示虚幻引擎3时,HDR吸引了更多的关注。然后,在2005年,Valve宣布《半条命2:失落海岸.Valve设计的《迷失海岸》的环境特别展示了最佳的HDR效果。这也是Valve第一款允许开发者在玩家体验游戏内容时解释游戏设计的游戏。

2016年,微软推出了Xbox One s,开启了HDR主机游戏世界。不久后,索尼也对现有的ps4进行了HDR更新。目前,PlayStation 4 Slim和Pro以及Xbox One S和One x支持HDR主机游戏。PS4 Pro也支持HDR,但没有4K/蓝光HDR光驱。

如今,在PlayStation 4和Xbox One之间,有近100款hdr优化游戏。一些开发商发布了与Xbox One X同步的补丁;一个例子是《巫师3:狂猎》而且古墓丽影崛起.同样,索尼也更新了未知的4而且最后生还者在PS4 Pro发布会上使用HDR。据报道,最喜欢HDR的是地平线零点黎明PS4 Pro,具有壮观的大气效果。

与此同时,亚马逊Prime和Netflix正在努力为电视制作HDR内容,包括Netflix自己的内容马可波罗而且夜魔侠所示。Netflix也推出了HDR图像进行宣传无辜的和奇迹的铁拳因为HDR电视内容太新了,消费者对哪些节目是真正的HDR节目有些困惑。随着HDR内容变得越来越多,Netflix和亚马逊一直在精简和澄清他们的产品。

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HDR渲染效果

在熟练的开发人员手中,HDR渲染不仅保留了细节,而且还增强了感知亮度,加深了整体颜色范围。HDR渲染使用了一些自己独特的效果,如光绽放,耀斑和色调映射:

光开花

光绽放发生在人眼中,可以在HDR渲染中很好地捕捉到。当光线散射到眼睛的晶状体上时,大脑会将其解释为场景中的亮点。类似地,在HDR渲染中,背景中的亮光似乎取代了前景中的物体。这可以用来增强亮度的整体印象,也可以创建更逼真地模拟人眼所看到的效果。

耀斑

耀斑是人眼的另一个功能,这次涉及到衍射。衍射是光在穿过物体边缘时发生的轻微弯曲。衍射的结果是星暴或耀斑效应。耀斑可以在HDR渲染中使用,以创建晕圈效果或其他色彩效果,给场景一个更增强或更真实的衍射质量。

色调映射

色调映射将颜色从高动态范围映射到与所需显示功能匹配的较低动态范围。色调映射可以尽可能地保留深色的范围,同时逐渐降低亮色。有几种色调映射操作符可用于HDR渲染:快速、实时的方法可用于计算机游戏中,而非实时渲染的色调映射则更慢、更准确地复制人眼的视觉响应。

HDR渲染管道

NVIDIA提供了一份白皮书和开发工具包,其中包含了开发人员开始使用HDR渲染所需的所有代码和信息。此外,互联网上到处都是真实世界的信息,可以帮助开发人员创建和升级支持HDR的应用程序。以下是开发者开始时需要做的事情:

  1. 支持HDR的NVIDIA或AMD的GPU
  2. 支持HDR10的HDR显示
  3. Windows 7及以上版本
  4. 一根高速HDMI线连接显示器(推荐)
  5. NVIDIA HDRR白皮书和开发工具包

下面是HDR渲染的基本过程:

  1. 使用sRGB主创建内容
  2. 使用物理底纹渲染高质量的HDR
  3. 在场景引用空间中后期处理
  4. 应用颜色分级渲染场景引用的图像
  5. 将模糊后的图像与原始图像合成后进行色调映射
  6. 在FP16 scRGB中保留反向缓冲区
  7. 复合8位sRGB引用UI正常

这里有一些来自经验丰富的HDR开发人员的建议要记住:

  • 努力让轻松的互动正确而合理;例如,适当的高光。创造与现实世界一致的价值。[0,1]亮度级别在HDR中不起作用。艺术家需要做出明智的选择。
  • 继续使用sRGB primary以保持与当前美术管道的一致性。这意味着在SDR显示器上没有意外和色域映射问题。这种方法将最好地利用HDR的亮度和增强饱和度的好处。
  • 承认现有的艺术品会有挑战。HDR将sRGB原色延伸到极端,以产生更丰富、更饱和的颜色。这适用于某些应用程序,但不适用于其他应用程序。可能存在不自然的肤色和色调等问题。
  • 确保渲染高光、反射和折射的水平与主要光源和次要光源一致。如果高光比光源更亮,整个场景看起来会很奇怪。
  • 在进行任何色调映射之前,请执行需要线性照明的操作(例如,bloom、运动模糊和景深)。操作场景引用将有助于确保一致性。
  • 使用像ACES或Drago这样的操作员,他们了解显示器的输出亮度,以便中间的灰色保持在合理的水平,颜色只在需要的地方压缩。
  • 使用与白色亮度等级相同的sRGB基色和(1,1,1)的scRGB反向缓冲适当地合成到HDR场景的颜色空间中。
  • 要考虑到人眼会适应HDR显示器更明亮的颜色。放大UI亮度来抵消这个问题。
  • 剪辑/应用一个简单的SDR色调映射到透明元素下面的区域,以防止“辉光投射”效果;例如,在带有白色文本的透明对话框下的1000nit高亮显示。
  • 在昏暗或黑暗的环境中评估HDRR。人眼可以适应房间的亮度,这可能会干扰对HDR内容的真实感知。
  • 请注意,显示可能正在默认的SDR模式下运行。这可能会干扰HDR,所以一定要将显示设置为中性值。
  • 当使用“点”光源时,使用色调映射来减少过度的耀斑。这使得场景和图像保留了HDR计算的细节,并具有更好的颜色和对比度。

HDR渲染处于实时和非实时渲染的前沿。2022世界杯直播时间Cad Crowd可以建议您如何在您的项目中采用这种最先进的技术。2022世界杯世界排名浏览我们的专业开发人员名册或获得免费报价今天!

高动态范围渲染自由职业者在您的处置

HDR渲染、处理和显示技术可能是21世纪3D渲染的最大飞跃。我们在屏幕上看到的东西越来越能模拟人类感知的效果。色彩更加丰富和明亮,高光更加逼真,场景的明暗区域都保留了细节。

艺术家、摄影师、电影、视频游戏和电视行业都在努力将HDR的力量与OLED和UHD 4K结合起来。对于消费者和企业来说,HDR渲染可以减少处理时间、存储成本和等待时间,从而带来成本效益。通过聘请真正的HDR渲染专业人员,您的企业可以节省时间和金钱,实现更高的生产力,并实现利润最大化。

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