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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，它比典型的电视或电脑显示的对比度保留了更多的光影细节。

HDR算法通过解决照明和渲染方程，并为任何给定的场景存储更多的颜色值来实现这一点。在传统图形中，颜色值不会超过1.0f，但HDRR中的颜色值可以达到开发人员的要求。

NVIDIA的开发者工具包将HDR定义为以下特征的组合:

一个明亮的显示:750 cd/m^2最低，1000 - 10,000 cd/m^2高亮
深黑:50:1或更好的对比度
4K或更高分辨率
更宽的色域

人眼的动态范围非常大，大约在100万:1左右。这意味着它可以熟练地利用虹膜的生化变化和调整来适应不断变化的光线条件。正如我们都经历过的，眼睛从非常明亮的环境适应到非常黑暗的环境是需要时间的。这是因为眼睛的静态范围更小，大约10,000:1。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的光照条件下读取大范围的颜色值，HDR渲染被用于电子游戏和电影特效，以实现尽可能接近我们眼睛所看到的场景。据英伟达科技公司称，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，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:

保护细节:

HDR渲染的主要优点是，场景中的细节可以用更大的对比度得到更好的保存。在没有HDRR的情况下，太暗的区域被剪成黑色，太亮的区域被剪成白色，但使用HDRR时，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特别明亮，而黑色会非常丰富和细致。

增加了更真实的高光视亮度:

HDR渲染的更高动态范围也影响了光在渲染材料(如玻璃、水、甚至人类皮肤)中的反射和折射中保存的方式。在标准RGB中，最亮的光源的上限值为1.0。因此，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要光源有一个更真实的关系。

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。正因为如此，开发人员和CAD专家可以使用HDRR来实现更高饱和度的颜色。据英伟达称，HDRR有潜力将色域扩大两倍。这相当于可见光谱的75%。HDR中的颜色看起来会更有活力，特别是火焰效果，看起来很奇妙，而且图像的整体活力也会增加。

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显示HDR

如今的高端相机可以在HDR中拍摄。为了做到这一点，他们把一个场景括起来，多次曝光来捕捉图像中黑暗和光明区域的所有细节。然后，后处理软件将多个曝光组合成一张图片。结果可能相当惊人:平衡的、超现实的图像更准确地代表了人眼所看到的东西。在HDR电视和可视显示器上，面板提供了比标准RGB电视或显示器更宽的色域，达到了类似的效果。

傻瓜+流明

随着HDR进入消费者电视和显示市场，您可能听说过这个术语没用的人更多。什么是虱子?尼特是单位面积上发出的光的数量。一尼特(nt)等于每平方米一坎德拉。(坎德拉是国际计量光度的基本单位。)尼特是亮度(可见光的强度)的测量单位。它被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的眼睛发送了多少光。一台典型的电视可能输出100到200尼特，而一台兼容hdr的电视将输出高达2000尼特。更高亮度的核心目的是支持不断增长的各种HDR内容，但HDR显示器也可以为标准内容贡献整体增强效果。

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，但用于视频投影机。ANSI流明等于1米外1坎德拉光源反射1平方米面积的光量。大多数家庭影院投影机输出在1500到2500 ANSI流明之间。商业视频投影机可以输出3000或更多的ANSI流明。当比较尼特和流明时，一尼特大约等于3.426 ANSI流明。

HDR显示器的要求是什么?

在2016年,超高清的联盟该公司宣布了他们对HDR的认证要求。这些都是:

或者峰值亮度超过1,000 cd/m^2，黑色水平低于0.05 cd/m^2(对比度至少为20,000:1)，或者
峰值亮度超过540 cd/m^2，黑电平低于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问题，你可以查看“超高清高级”标签。

4K等同于HDR吗?

不，HDR和4K是独立的技术。4K一词来源于电影行业中4096 x 2160像素或1.9:1宽高比标准。大多数家庭显示器和电视使用16:9的比例，所以家庭使用的分辨率是3840 x 2160像素。这也被称为超高的定义(超高清，或UHD)。超高清4K面板的像素超过800万，是标准1080p面板的4倍。预计到2020年，大多数美国家庭都将拥有支持4k功能的超高清电视。

但是所有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。在图像质量方面，4K提供了更好的图像清晰度和清晰度。它还支持更大的面板(如果你把1080p的屏幕拉得太大，就会看起来很模糊)。总的来说，消费者会发现HDR的效果比从1080p升级到4K要明显得多。

OLED和4K一样吗?

超超高清(SUHD) 4K是指3840 × 2160分辨率的屏幕，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显示屏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，它会发光。

在没有背光干扰的情况下，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电视也非常轻和薄。它们有优越的视角，除了典型的红色、绿色和蓝色外，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，可以增加显示器的寿命。

然而，将OLED与HDR结合使用有一个缺点，这也是由于OLED标志性的缺乏背光。OLED显示器通常没有那么亮，这意味着OLED显示器需要有540尼特以上的亮度和小于0.0005尼特的黑度，才能满足超高清联盟(Ultra HD Alliance)对HDR认证的要求。

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才能支持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。检查您的设备与NVIDIA, AMD或您的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，当时发布了Radiance开源渲染和照明软件。1990年，Nakame等人开发了一个用于驾驶模拟器的照明模型，揭示了在现实仿真中对HDR处理的需求。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中的光晕和绽放效果的发现。

1997年，视觉效果工程师Paul Debevec在SIGGRAPH上介绍了从照片中恢复高动态范围亮度地图;1998年，Debevec再次提出了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推出了画面密集的策略游戏Riven:神秘岛的续集使用了基于Greg Spencer 1995年作品的HDRI后期处理着色器。

在接下来的十年里，HDRR在游戏和娱乐中越来越普遍。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吸引了更多关注。然后，在2005年，Valve宣布《半条命2:迷失海岸．Valve在《迷失海岸》的环境中特别展示了最佳的HDR。这也是Valve的第一款允许开发者在玩家完成游戏内容的同时解释游戏设计的游戏。

2016年，微软凭借Xbox One s推出了HDR主机游戏世界。不久之后，索尼也在现有的ps4上更新了HDR。目前，HDR主机游戏支持PlayStation 4 Slim和Pro，以及Xbox One S和One x。PS4 Pro也支持HDR，但没有4K/蓝光HDR光驱。

如今，从PlayStation 4到Xbox One，已有近100款hdr优化游戏。一些开发者发布了与Xbox One X同步的补丁;一个例子是巫师3:野猎而且古墓丽影:崛起．同样,索尼更新未知的4而且最后的生还者在PS4 Pro发布时使用HDR。据报道，HDR最受欢迎的是地平线零黎明，以壮观的大气效果为特色。

与此同时，亚马逊Prime和Netflix正致力于为电视制作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图像进行推广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，而且还增强了可感知的亮度，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，闪光和色调映射:

光开花

光绽放发生在人眼中，在HDR渲染中可以很好地捕捉到。当光线在晶状体上散射时，大脑将其解释为场景中的亮点。类似地，在HDR渲染中出现光绽放时，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

光晕是人眼的另一种功能，这次涉及到衍射。衍射是光在经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渲染中用于创建光晕效果或其他色彩效果，给场景一个更增强或更逼真的衍射质量。

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相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，同时逐渐减少明亮的颜色。有几种色调映射操作可以用于HDR渲染:快速、实时的方法可以用于计算机游戏，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反应。

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。以下是开发人员需要开始做的事情:

支持HDR的NVIDIA或AMD的GPU
支持HDR10的HDR显示
Windows 7或更高版本
用于连接显示器的高速HDMI线(推荐)
NVIDIA HDRR白皮书和开发工具包

下面是HDR渲染的基本过程:

使用sRGB主元素创建内容
使用基于物理的阴影渲染高质量的HDR
在场景参照的空间中后期处理
对渲染的场景参考图像应用颜色分级
将模糊图像与原始图像合成后进行色调映射
将回缓冲区保存在FP16 scRGB中
复合8位sRGB参考UI正常

有经验的HDR开发人员有许多建议需要记住:

努力使光交互正确和合理;例如，适当的高光。在与现实世界一致的规模上创造价值。[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初级版本以保持与当前美术管道的一致性。这意味着在SDR显示上没有惊喜和色域映射问题。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原色延伸到极致，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。可能会出现不自然的肤色和色调等问题。
确保渲染高光、反射和折射与主光源和次光源的水平一致。如果一个亮点比它的光源更亮，整个场景看起来就会很奇怪。
在执行任何色调映射之前，执行需要线性照明的操作(例如，绽放、运动模糊和景深)。操作场景参考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，这样中间的灰色保持在一个合理的水平，颜色只压缩在他们需要的地方。
使用与白色的亮度级别相同的sRGB主色调和(1,1,1)的scRGB反向缓冲将其适当合成到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亮度来抵消这一点。
剪辑/应用一个简单的SDR色调贴图到透明元素下面的区域，以防止“辉光投掷”效果;例如，在带有白色文本的透明对话框下显示1000nit高亮。
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内容的真正感知。
注意，显示可能以默认的SDR模式运行。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眩光。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。