stringtranslate.com

Рендеринг в расширенном динамическом диапазоне

Сравнение стандартного рендеринга с фиксированной диафрагмой (слева) с HDR-рендерингом (справа) в видеоигре Half-Life 2: Lost Coast.

Рендеринг с расширенным динамическим диапазоном ( HDRR или HDR-рендеринг ), также известный как освещение с расширенным динамическим диапазоном , представляет собой рендеринг сцен компьютерной графики с использованием расчетов освещения , выполняемых в высоком динамическом диапазоне (HDR). Это позволяет сохранить детали, которые могут быть потеряны из-за ограничения коэффициента контрастности . Видеоигры , компьютерные фильмы и спецэффекты выигрывают от этого, поскольку создают более реалистичные сцены, чем при использовании более упрощенных моделей освещения.

Компания-производитель графических процессоров Nvidia обобщает мотивацию HDR в трех пунктах: яркие объекты могут быть очень яркими, темные объекты могут быть очень темными, и в обоих случаях можно увидеть детали. [1]

История

Использование изображений с расширенным динамическим диапазоном (HDRI) в компьютерной графике было представлено Грегом Уордом в 1985 году с его программным обеспечением для рендеринга и моделирования освещения Radiance с открытым исходным кодом, которое создало первый формат файлов, сохраняющий изображение с расширенным динамическим диапазоном. HDRI прозябала более десяти лет из-за ограниченных вычислительных мощностей, методов хранения и захвата данных. Лишь недавно была разработана технология практического использования HDRI. [2] [3]

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

В 1995 году Грег Спенсер представил на SIGGRAPH физически обоснованные эффекты бликов для цифровых изображений , предоставив количественную модель бликов и цветения в человеческом глазу. [5]

В 1997 году Пол Дебевец представил на SIGGRAPH «Восстановление карт яркости с высоким динамическим диапазоном по фотографиям» [6] , а в следующем году представил « Визуализация синтетических объектов в реальные сцены ». [7] Эти две статьи заложили основу для создания HDR- зондов освещения локации, а затем использования этих зондов для освещения визуализированной сцены.

HDRI и HDRL ( освещение на основе изображения с высоким динамическим диапазоном ) с тех пор используются во многих ситуациях в 3D-сценах, в которых вставка 3D-объекта в реальную среду требует данных светового зонда для обеспечения реалистичных световых решений.

В игровых приложениях Riven: The Sequel to Myst в 1997 году использовался шейдер постобработки HDRI, непосредственно основанный на статье Спенсера. [8] После выставки E3 2003 компания Valve выпустила демо-фильм своего движка Source, визуализирующего городской пейзаж в высоком динамическом диапазоне. [9] Этот термин широко не использовался до E3 2004 года, где он привлек гораздо больше внимания, когда Epic Games продемонстрировала 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 игры с открытым исходным кодом, такие как Nexuiz .

Примеры

Одним из основных преимуществ HDR-рендеринга является сохранение деталей сцены с большим коэффициентом контрастности. Без HDR слишком темные области обрезаются черным, а слишком яркие — белым. Аппаратно они представлены в виде значений с плавающей запятой 0,0 и 1,0 для чистого черного и чистого белого соответственно.

Еще одним аспектом HDR-рендеринга является добавление перцептивных сигналов, которые увеличивают видимую яркость. HDR-рендеринг также влияет на то, как свет сохраняется в оптических явлениях, таких как отражения и преломления , а также в прозрачных материалах, таких как стекло. При LDR-рендеринге очень яркие источники света в сцене (например, солнце) ограничены значением 1,0. Когда этот свет отражается, результат должен быть меньше или равен 1,0. Однако при HDR-рендеринге 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.

Ограничения и компенсации

Человеческий глаз

Человеческий глаз может воспринимать сцены с очень высоким коэффициентом динамической контрастности , около 1 000 000:1. Адаптация достигается частично за счет регулировки радужной оболочки и медленных химических изменений, которые занимают некоторое время (например, задержка в способности видеть при переключении с яркого освещения на кромешную тьму). В любой момент времени статический диапазон глаза меньше, примерно 10 000:1. Однако это все равно выше статического диапазона большинства технологий отображения. [ нужна цитата ]

Вывод на дисплеи

Хотя многие производители заявляют об очень высоких цифрах, плазменные дисплеи , ЖК-дисплеи и ЭЛТ-дисплеи могут обеспечить лишь часть коэффициента контрастности, наблюдаемого в реальном мире, и они обычно измеряются в идеальных условиях. [ нужна цитата ] Одновременная контрастность реального контента при нормальных условиях просмотра значительно ниже.

Некоторого увеличения динамического диапазона в ЖК-мониторах можно добиться 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 метод — использовать набор более ярких и темных светодиодных подсветок, например, с помощью систем, разработанных BrightSide Technologies. [11]

OLED- дисплеи имеют лучший динамический диапазон, чем ЖК-дисплеи, они похожи на плазму, но с меньшим энергопотреблением. Рек. 709 определяет цветовое пространство для HDTV , а Rec. 2020 год определяет более широкое, но все еще неполное цветовое пространство для телевидения сверхвысокой четкости .

Легкое цветение

Размытие света — это результат рассеяния света в хрусталике человека, который человеческий мозг интерпретирует как яркое пятно на сцене. Например, яркий свет на заднем плане будет казаться перетекающим на объекты на переднем плане. Это можно использовать для создания иллюзии, когда яркое пятно кажется ярче, чем оно есть на самом деле. [5]

Вспышка

Блики — это дифракция света в хрусталике человека, приводящая к появлению «лучей» света, исходящих от небольших источников света, а также может приводить к некоторым хроматическим эффектам. Он наиболее заметен на точечных источниках света из-за их небольшого угла обзора. [5]

Типичные устройства отображения не могут отображать такой яркий свет, как солнечный, а окружающее освещение в помещении не позволяет им отображать настоящий черный цвет. Таким образом, системы HDR-рендеринга должны отображать полный динамический диапазон того, что глаз увидит в визуализированной ситуации, на возможности устройства. Это тональное отображение выполняется относительно того, что видит камера виртуальной сцены, в сочетании с несколькими полноэкранными эффектами , например, для имитации пыли в воздухе, освещенной прямым солнечным светом в темной пещере, или рассеяния в глазах.

Отображение тонов и шейдеры цветения можно использовать вместе, чтобы имитировать эти эффекты.

Отображение тонов

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

Приложения в компьютерных развлечениях

В настоящее время HDRR широко распространен в играх , в первую очередь для ПК , Xbox 360 от Microsoft и PlayStation 3 от Sony . Он также был смоделирован на системах PlayStation 2 , GameCube , Xbox и Amiga . Компания Sproing Interactive Media объявила, что их новый игровой движок Athena для Wii будет поддерживать HDRR, добавив Wii в список систем, которые его поддерживают.

В настольных издательских системах и играх значения цвета 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 чисел или 16-битных форматов с плавающей запятой . Это полезно независимо от вышеупомянутых ограничений некоторого оборудования.

Разработка HDRR через DirectX

Сложные шейдерные эффекты начали свое существование с выпуском Shader Model 1.0 с DirectX 8. Shader Model 1.0 освещала трехмерные миры так называемым стандартным освещением. Однако стандартное освещение имело две проблемы:

  1. Точность освещения ограничивалась 8-битными целыми числами, что ограничивало коэффициент контрастности до 256:1. При использовании цветовой модели HVS значение (V) или яркость цвета находится в диапазоне от 0 до 255. Это означает, что самый яркий белый цвет (значение 255) всего на 255 уровней ярче, чем самый темный оттенок выше чистого черного (т. е. : значение 0).
  2. Расчеты освещения основывались на целых числах , что не обеспечивало такой точности, поскольку реальный мир не ограничивается целыми числами.

24 декабря 2002 года Microsoft выпустила новую версию DirectX . В DirectX 9.0 появилась Shader Model 2.0, которая предлагала один из необходимых компонентов для рендеринга изображений с расширенным динамическим диапазоном: точность освещения не ограничивалась всего лишь 8 битами. Хотя 8-битный минимум был в приложениях, программисты могли выбрать максимум до 24 бит для точности освещения. Однако все расчеты по-прежнему были целочисленными. Одной из первых видеокарт , изначально поддерживавших DirectX 9.0, была ATI Radeon 9700 , хотя в последующие годы этот эффект не был запрограммирован в играх. 23 августа 2003 года Microsoft обновила DirectX до DirectX 9.0b, что позволило использовать профиль Pixel Shader 2.x (Extended) для графических процессоров серии ATI Radeon X и серии NVIDIA GeForce FX .

9 августа 2004 г. Microsoft еще раз обновила DirectX до DirectX 9.0c. Это также открыло профиль Shader Model 3.0 для языка шейдеров высокого уровня (HLSL). Точность освещения в Shader Model 3.0 составляет минимум 32 бита, а не 8-бит в версии 2.0. Кроме того, все расчеты точности освещения теперь основаны на числах с плавающей запятой . NVIDIA заявляет, что коэффициент контрастности при использовании Shader Model 3.0 может достигать 65535:1 при использовании 32-битной точности освещения. Поначалу 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 речь идет о Shader Model 3.0 HDR, HDRR на самом деле достигается путем смешивания FP16. Смешение FP16 не является частью Shader Model 3.0, но поддерживается в основном картами, также поддерживающими Shader Model 3.0 (исключением является серия GeForce 6200). Смешение FP16 можно использовать как более быстрый способ рендеринга HDR в видеоиграх.

Shader Model 4.0 — это функция DirectX 10, выпущенная вместе с Windows Vista. Shader Model 4.0 обеспечивает 128-битный HDR-рендеринг, в отличие от 64-битного HDR в Shader Model 3.0 (хотя теоретически это возможно в Shader Model 3.0).

Модель шейдеров 5.0 — это функция DirectX 11. Она позволяет сжимать HDR-текстуры с соотношением 6:1 без заметных потерь, что распространено в предыдущих версиях методов сжатия текстур DirectX HDR.

Разработка HDRR через OpenGL

Разрабатывать HDRR можно с помощью шейдера GLSL , начиная с OpenGL 1.4.

Игровые движки, поддерживающие HDR-рендеринг

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Саймон Грин и Джем Чебеноян (2004). «Рендеринг в расширенном динамическом диапазоне (на GeForce 6800)» (PDF) . Серия GeForce 6 . нВидиа. п. 3.
  2. ^ Рейнхард, Эрик; Грег Уорд; Суманта Паттанаик; Пол Дебевец (август 2005 г.). Визуализация с расширенным динамическим диапазоном: сбор данных, отображение и освещение на основе изображений . Вестпорт, Коннектикут: Морган Кауфманн. ISBN 978-0-12-585263-0.
  3. ^ Грег Уорд. «Визуализация в расширенном динамическом диапазоне» (PDF) . где угодно.com . Проверено 18 августа 2009 г.
  4. ^ Накамаэ, Эйхачиро; Канеда, Кадзуфуми; Окамото, Такаши; Нишита, Томоюки (1990). «Модель освещения, предназначенная для симуляторов вождения». Материалы 17-й ежегодной конференции «Компьютерная графика и интерактивные технологии» . стр. 395–404. дои : 10.1145/97879.97922. ISBN 978-0201509335. S2CID  11880939.
  5. ^ abc Спенсер, Грег; Ширли, Питер; Циммерман, Курт; Гринберг, Дональд П. (1995). «Физически обоснованные эффекты бликов для цифровых изображений». Материалы 22-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям - SIGGRAPH '95 . п. 325. CiteSeerX 10.1.1.41.1625 . дои : 10.1145/218380.218466. ISBN  978-0897917018. S2CID  17643910.
  6. ^ Пол Э. Дебевец и Джитендра Малик (1997). «Восстановление карт яркости широкого динамического диапазона по фотографиям». Материалы 24-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям - SIGGRAPH '97 . стр. 369–378. дои : 10.1145/258734.258884 . ISBN 0897918967.
  7. ^ Пол Э. Дебевец (1998). «Визуализация синтетических объектов в реальные сцены: соединение традиционной графики, основанной на изображениях, с глобальным освещением и фотографией с высоким динамическим диапазоном». Материалы 25-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям - SIGGRAPH '98 . стр. 189–198. дои : 10.1145/280814.280864 . ISBN 0897919998.
  8. ^ Форкад, Тим (февраль 1998 г.). «Распутывание Ривен». Мир компьютерной графики .
  9. ^ Клапан (2003). «Half-Life 2: Трейлер эффектов Source DirectX 9.0 (2003)». YouTube. Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г.
  10. ^ Цифровой точный контраст
  11. ^ BrightSide Technologies теперь является частью Dolby. Архивировано 10 сентября 2007 г. на Wayback Machine.
  12. ^ «Рендеринг - Особенности - Unreal Technology» . Эпические игры . 2006. Архивировано из оригинала 07 марта 2011 г. Проверено 15 марта 2011 г.
  13. ^ "ИСТОЧНИК - СИСТЕМА РЕНДЕРИНГА" . Клапан . 2007. Архивировано из оригинала 23 марта 2011 г. Проверено 15 марта 2011 г.
  14. ^ «Удивительная технология Ведьмака 3» . ПК-геймер . 2015 . Проверено 8 мая 2016 г.
  15. ^ «FarCry 1.3: Последняя игра Crytek впервые включает HDR и 3Dc» . Лаборатория Икс-бит . 2004. Архивировано из оригинала 24 июля 2008 г. Проверено 15 марта 2011 г.
  16. ^ «CryEngine 2 – Обзор» . КрайТек . 2011 . Проверено 15 марта 2011 г.
  17. ↑ Перейра, Крис (3 декабря 2016 г.). «Кодзима сотрудничает с Killzone, Horizon Dev Guerrilla для Death Stranding». ГеймСпот . CBS Интерактив . Архивировано из оригинала 4 декабря 2019 года . Проверено 3 декабря 2016 г.
  18. ^ «Unigine Engine - Unigine (расширенный 3D-движок для многоплатформенных игр и систем виртуальной реальности)» . Компания Unigine . 2011 . Проверено 15 марта 2011 г.
  19. ^ "ВавилонДок". Архивировано из оригинала 4 июля 2015 г. Проверено 3 июля 2015 г.
  20. ^ «Лицензионная версия Torque 3D с открытым исходным кодом от GarageGames: GarageGames/Torque3D» . Гитхаб . 22 августа 2019 г.

Внешние ссылки