Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Сравнение стандартного рендеринга с фиксированной апертурой (слева) с рендерингом HDR (справа) в видеоигре Half-Life 2: Lost Coast

High-динамическим диапазоном рендеринга ( HDRR или HDR - рендеринга ), также известный как высокого динамического диапазона освещения , является рендеринг из компьютерной графики сцен с помощью зажигают расчетов , выполненных в высоком диапазоне динамическом (HDR). Это позволяет сохранить детали, которые могут быть потеряны из-за ограничения контрастности . Видео игры и компьютерные генерируемые фильмы и специальные эффекты от этого выиграют , поскольку он создает более реалистичные сцены , чем с более упрощенными моделями освещения используются.

Компания Nvidia, производящая графические процессоры, резюмирует мотивацию HDR в трех пунктах: яркие объекты могут быть действительно яркими, темные объекты могут быть действительно темными, и детали могут быть видны в обоих случаях. [1]

История [ править ]

Использование изображений с высоким динамическим диапазоном (HDRI) в компьютерной графике было введено Грегом Уордом в 1985 году с его программным обеспечением для визуализации и моделирования освещения Radiance с открытым исходным кодом, которое создало первый формат файла для сохранения изображения с высоким динамическим диапазоном. HDRI не использовался более десяти лет, сдерживаясь ограниченными вычислительными мощностями, хранением и методами захвата. Не до недавнего времени [ когда? ] была разработана технология для практического использования HDRI. [2] [3]

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

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

В 1997 году Пол Дебевек представил на SIGGRAPH « Восстановление карт яркости с высоким динамическим диапазоном из фотографий» [6] , а в следующем году представил « Рендеринг синтетических объектов в реальные сцены» . [7] Эти две статьи заложили основу для создания световых зондов HDR для местности, а затем их использования для освещения визуализированной сцены.

HDRI и HDRL (освещение на основе изображений с широким динамическим диапазоном) с тех пор используются во многих ситуациях в 3D-сценах, в которых для вставки 3D-объекта в реальную среду требуются данные светового зонда для обеспечения реалистичных световых решений.

В игровых приложениях Riven: The Sequel to Myst в 1997 году использовал шейдер постобработки HDRI, непосредственно основанный на статье Спенсера. [8] После E3 2003 Valve выпустила демо-ролик своего движка Source, визуализирующего городской пейзаж в высоком динамическом диапазоне. [9] Этот термин не использовался снова до E3 2004, где он привлек гораздо больше внимания, когда Epic Games представила Unreal Engine 3, а Valve анонсировала Half-Life 2: Lost Coast в 2005 году вместе с движками с открытым исходным кодом, такими как OGRE 3D. и игры с открытым исходным кодом, такие как Nexuiz .

Примеры [ править ]

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. Они представлены оборудованием как значение 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 отражения и преломления , а также в прозрачных материалах, таких 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, чтобы имитировать их фактические значения. Это позволяет отражениям от поверхностей сохранять реалистичную яркость для ярких источников света.

Ограничения и компенсации [ править ]

Человеческий глаз [ править ]

Человеческий глаз может воспринимать сцены с очень высоким динамическим коэффициентом контрастности , около 1000000: 1. Частично адаптация достигается за счет регулировки радужной оболочки и медленных химических изменений, на которые требуется некоторое время (например, задержка способности видеть при переключении с яркого освещения на кромешную темноту). В любой момент времени статический диапазон глаза меньше, около 10 000: 1. Однако это все еще выше, чем статический диапазон большинства технологий отображения. [ необходима цитата ]

Вывод на дисплеи [ править ]

Хотя многие производители заявляют об очень высоких цифрах, плазменные дисплеи , ЖК-дисплеи и ЭЛТ-дисплеи могут обеспечить лишь небольшую часть коэффициента контрастности, характерного для реального мира, и обычно они измеряются в идеальных условиях. [ необходима цитата ] Одновременный контраст реального контента при нормальных условиях просмотра значительно ниже.

Некоторого увеличения динамического диапазона ЖК-мониторов 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 способ - использовать набор более ярких и более 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 , а Rec. 2020 определяет большее, но все еще неполное цветовое пространство для телевидения сверхвысокой четкости .

Легкое цветение [ править ]

Основная статья: Блум (шейдерный эффект)

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]

Flare [ править ]

Основная статья: Блики объектива

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. Это наиболее заметно 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 видит глаз в визуализированной ситуации, на возможности устройства. Это отображение тонов 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 рассеивания в глазах.

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

Отображение тона [ править ]

Основная статья: Отображение тона

Отображение тонов в контексте визуализации графики - это метод, используемый для отображения цветов из высокого динамического диапазона (в котором выполняются расчеты 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 общей 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 [ править ]

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

В настольных издательских системах и играх цветовые значения часто обрабатываются несколько раз. Поскольку это включает в себя умножение и деление (которые могут накапливать ошибки округления ), полезно иметь расширенную точность и диапазон 16-битных целочисленных или 16-битных форматов с плавающей запятой . Это полезно независимо от вышеупомянутых ограничений в некоторых аппаратных средствах.

Разработка HDRR через DirectX [ править ]

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 была ограничена 8-битными целыми числами, что ограничивало коэффициент контрастности 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 (значение 255) всего на 255 уровней ярче, чем самый темный оттенок по сравнению с чистым черным (т. Е. : значение 0).
  2. Осветительные расчеты целое число на основе, которые не предлагают такой точностью , потому что реальный мир не ограничивается целыми числами.

24 декабря 2002 года 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. Одним из первых графических карт для поддержки DirectX 9.0 изначально была ATI «s Radeon 9700 , хотя эффект не был запрограммирован в игры в течение многих лет после этого. 23 августа 2003 г. Microsoft обновила DirectX до DirectX 9.0b, что позволило использовать профиль Pixel Shader 2.x (расширенный) для ATI.Графические процессоры серии Radeon X и NVIDIA GeForce FX .

9 августа 2004 г. Microsoft еще раз обновила DirectX до DirectX 9.0c. Это также предоставило профиль Shader Model 3.0 для языка шейдеров высокого уровня (HLSL). Точность освещения Shader Model 3.0 составляет минимум 32 бита по сравнению с минимумом 8 бит в 2.0. Также все расчеты точности освещения теперь основаны на числах с плавающей запятой . NVIDIAзаявляет, что коэффициенты контрастности при использовании 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 допускает 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 [ править ]

С помощью шейдера GLSL можно разработать HDRR, начиная с OpenGL 1.4.

Игровые движки, поддерживающие HDR-рендеринг [ править ]

  • Unreal Engine 5
  • Unreal Engine 4
  • Unreal Engine 3 [12]
  • Chrome Engine 3
  • Источник [13]
  • REDengine 3 [14]
  • CryEngine , [15] CryEngine 2 , [16] CryEngine 3
  • Dunia Engine
  • Gamebryo
  • Годо (игровой движок)
  • Децима [17]
  • Единство
  • id Tech 5
  • ЛитТех
  • Unigine [18]
  • Обморожение 2
  • Реальная виртуальность 2 , реальная виртуальность 3 , реальная виртуальность 4
  • Двигатель HPL 3
  • Вавилон JS [19]
  • Крутящий момент 3D [20]
  • Рентгеновский двигатель

См. Также [ править ]

  • Окклюзия окружающей среды
  • Шейдер

Ссылки [ править ]

  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 . Проверено 18 августа 2009 года .
  4. ^ Эйхатиро Накамаэ; Кадзуфуми Канеда; Такаши Окамото; Томоюки Нишита (1990). Модель освещения для симуляторов вождения . СИГГРАФ . п. 395. DOI : 10,1145 / 97879,97922 . ISBN 978-0201509335. S2CID  11880939 .
  5. ^ a b 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 . DOI : 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. ^ Forcade, Тим (февраль 1998). «Расколотый Ривен». Мир компьютерной графики .
  9. Перейти ↑ Valve (2003). «Half-Life 2: Source DirectX 9.0 Effects Trailer (2003)» . YouTube.
  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 на 2011-03-07 . Проверено 15 марта 2011 .
  13. ^ «ИСТОЧНИК - СИСТЕМА ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ» . Клапан . 2007. Архивировано из оригинала на 2011-03-23 . Проверено 15 марта 2011 .
  14. ^ «Удивительные технологии Ведьмака 3» . PC-Gamer . 2015 . Проверено 8 мая 2016 .
  15. ^ «FarCry 1.3: Последняя игра Crytek впервые приносит HDR и 3Dc» . X-bit Labs . 2004. Архивировано из оригинала на 2008-07-24 . Проверено 15 марта 2011 .
  16. ^ «CryEngine 2 - Обзор» . CryTek . 2011 . Проверено 15 марта 2011 .
  17. ↑ Перейра, Крис (3 декабря 2016 г.). «Кодзима в партнерстве с Killzone, Horizon Dev Guerrilla для Death Stranding» . GameSpot . CBS Interactive . Архивировано 4 декабря 2019 года . Проверено 3 декабря 2016 года .
  18. ^ «Unigine Engine - Unigine (усовершенствованный 3D-движок для многоплатформенных игр и систем виртуальной реальности)» . Unigine Corp . 2011 . Проверено 15 марта 2011 .
  19. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2015-07-04 . Проверено 3 июля 2015 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  20. ^ «Лицензированная MIT версия Torque 3D с открытым исходным кодом от GarageGames: GarageGames / Torque3D» . 2019-08-22.

Внешние ссылки [ править ]

  • Технический обзор NVIDIA HDRR ( PDF )
  • Реализация HDRR с OpenGL 2.0
  • Реализация OpenGL HDRR
  • Рендеринг с расширенным динамическим диапазоном в OpenGL ( PDF )
  • Техническое описание Microsoft SM3.0 в сравнении с SM2.0
  • Аппаратное обеспечение Тома: новые характеристики видеокарты 2006 года
  • Список графических процессоров, составленный Крисом Хэром
  • techPowerUp! База данных GPU
  • Понимание коэффициентов контрастности в устройствах отображения видео
  • Requiem by TBL с программным рендерингом HDR в реальном времени
  • Список видеоигр, поддерживающих HDR
  • Примеры фотографий с высоким динамическим диапазоном