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HDR渲染

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具有颜色值的计算机图形。HDR渲染的主要优点是，与典型电视或计算机显示器的对比度相比，它在光和阴影中保留了更多的细节。

HDR算法通过求解照明和渲染方程，以及为任何给定场景存储更多种类的颜色值来实现这一点。在传统图形中，颜色值不超过1.0f，但HDRR中的颜色值可以达到开发人员希望的高度。

NVIDIA的开发者工具包将HDR定义为以下特征的组合：

• 明亮的显示器：最小750 cd/m^2，高光1000–10000 cd/m^2
• 深黑色：对比度为50000:1或更高
• 4K或更高分辨率
• 更宽的色域

人眼的动态范围非常高，大约为1000000:1。这意味着它可以通过生物化学的变化和虹膜的调整，熟练地适应不断变化的光照条件。正如我们都经历过的，眼睛从非常明亮的环境调整到非常黑暗的环境需要时间。这是因为眼睛的静态范围较小，约为10000:1。尽管如此，人眼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照明条件下读取较大范围的颜色值，因此HDR渲染用于视频游戏和电影特效，以实现尽可能接近人眼所能看到的场景。根据科技公司NVIDIA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，细节可以在两者中看到。”

HDRR的好处

高动态范围渲染具有许多优点：

保存细节：

HDR渲染的主要优点是，使用较大的对比度可以更好地保留场景中的细节。如果没有HDRR，太暗的区域将被剪裁为黑色，太亮的区域将被剪裁为白色，但是使用HDRR，黑色和白色之间的对比度高于传统RGB。这意味着白人将看起来格外明亮，而黑人将非常丰富和细致。

增加视在亮度以获得更真实的高光：

HDR渲染的更高动态范围也会影响光在渲染材质（如玻璃、水，甚至人类皮肤）的反射和折射中的保存方式。在标准RGB中，最亮光源的上限值为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时，场景中最亮的光源可以超过1.0。因此，曲面反射和折射可以与其主光源具有更真实的关系。

更丰富的颜色：

HDRR在场景中创建更多对比度和细节的同时，减少或消除了剪裁和压缩。因此，开发人员和CAD专家可以使用HDRR实现更高的饱和颜色。根据NVIDIA的说法，HDRR有可能将色域扩大两倍。这相当于可见光谱的75%。HDR中的颜色将看起来更具活力，尤其是火焰效果，看起来非常棒，图像整体上会增加活力。

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显示HDR

今天的高端相机可以在HDR中拍摄。为了做到这一点，他们将一个场景放在支架上，进行多次曝光，以捕捉图像黑暗和光明区域的所有细节。然后，后处理软件将多次曝光组合成一张照片。结果可能非常惊人：平衡的超真实图像更准确地反映了人眼所看到的东西。在HDR电视和视频显示器上，面板通过提供比标准RGB电视或显示器更宽的色域实现了类似的功能。

Nits+流明

随着HDR进入消费电视和显示器市场，你可能会听到这个词尼特更多的时候。什么是nit？nit是测量单位面积发射多少光的单位。一尼特（nt）等于每平方米一坎德拉。（坎德拉是国际测量中光度的基本单位。）nit是测量亮度（可见光强度）的单位。它用于描述电视和计算机显示器的输出。

换言之，如果你将显示器视为光源，NIT测量屏幕发送给眼睛的光线量。一台典型的电视可以输出100到200奈特，而一台HDR兼容的电视最多可以输出2000奈特。更高亮度的主要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NIT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。ANSI流明等于距离一坎德拉光源一米的一平方米区域反射的光量。大多数家庭影院投影仪的输出在1500到2500 ANSI流明之间。商用视频投影仪可以输出3000或更多ANSI流明。将nit与流明进行比较时，一个nit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，一组公司联合起来，以标准化先进的显示技术，宣布了他们的HDR认证要求。这些是：

• 峰值亮度超过1000 cd/m^2，黑电平低于0.05 cd/m^2（对比度至少为20000:1），或
• 峰值亮度大于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显示器：LCD和OLED。要知道显示器是否属于HDR投诉，您可以查看“Ultra HD Premium”标签。

4K和HDR一样吗？

不，HDR和4K是独立的技术。术语4K来自电影行业的4096 x 2160像素或1.9:1纵横比标准。大多数家用显示器和电视使用16:9的比例，因此家用分辨率为3840 x 2160像素。这也被称为超高清晰度（超高清或超高清）。UHD 4K面板的像素密度超过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将拥有4K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。就图片质量而言，4K提供了改进的图像清晰度和清晰度。它还允许更大的面板（如果你把1080p屏幕拉得太大，屏幕就会变得模糊）。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仅指分辨率为3840x2160的屏幕，而有机发光二极管（OLED）是一种显示技术。OLED完全不同于传统的液晶显示器（LCD）。与需要背光来产生图像的LCD面板不同，OLED显示器由置于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。

由于没有背光干扰，OLED显示器最令人惊叹的特性之一是像素可以是真正的黑色。如果没有背光的重量，OLED电视也非常轻薄。它们具有优越的视角，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。这提供了更加多样和准确的颜色，并可以延长显示器的使用寿命。

然而，在HDR中使用OLED有一个缺点，这也是由于OLED缺少背光。OLED显示器通常不那么明亮，这意味着OLED显示器需要有超过540微特的亮度和低于0.0005微特的黑电平才能满足超高清联盟对HDR认证的要求。

支持HDR的GPU和播放器

与显示器一样，只有某些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的图形卡都可以处理HDR渲染。但是如果GPU不够强大，HDRR可能会导致软件性能下降。根据NVIDIA、AMD或设备制造商发布的规格检查您的设备，以确保您的GPU或播放器完全能够支持HDR。

HDR渲染的历史

1985年，随着Radiance开源渲染和照明软件的发布，高动态范围成像（HDRI）开始在计算机图形学中使用。1990年，Nakame等人开发了一种用于驾驶模拟器的照明模型，该模型揭示了真实模拟中对HDR处理的需求。然后，在1995年，软件工程师格雷格·斯宾塞（Greg Spencer）在SIGGRAPH（计算机图形学和交互技术年度特别兴趣小组）上发表了关于数字图像制作中闪光和绽放效应的研究结果。

1997年，视觉效果工程师Paul Debevec在SIGGRAPH上介绍了如何从照片中恢复高动态范围辐射图；然后，在1998年，Debevec再次介绍了如何使用非实时渲染将合成对象渲染到真实场景中。大约在同一时间，青色世界的图形密集型战略游戏里文：Myst的续集使用基于Greg Spencer 1995年工作的HDRI后处理着色器。

在接下来的十年中，HDRR在游戏和娱乐中变得更加普遍。2003年，Valve软件发布了一个演示，展示了他们的源引擎如何呈现HDR城市景观。在2004年E3（电子娱乐博览会）上，当史诗游戏展示虚幻引擎3时，HDR吸引了更多的注意力。然后，在2005年，Valve宣布半条命2：失落的海岸. Valve设计的Lost Coast环境特别展示了HDR的最佳性能。这也是第一款Valve游戏，允许开发者在玩家浏览内容的同时解释设计。

2016年，微软通过其Xbox One S推出了HDR游戏机世界。索尼随后对其现有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控制台游戏。PS4 Pro也支持HDR，但不支持4K/蓝光HDR光盘驱动器。

在PlayStation 4和Xbox One之间，目前有近100款HDR优化游戏。一些开发者发布了补丁以配合Xbox One X；例如巫师3：野生狩猎和古墓丽影的崛起. 同样，索尼更新了未知的4和我们中的最后一个在PS4 Pro发布时使用HDR。据报道，HDR的最爱之一是地平线零点黎明在PS4 Pro上，具有壮观的大气效果。

与此同时，亚马逊Prime和Netflix正在为电视制作HDR内容，包括Netflix自己的内容马可波罗和爱冒险的显示。Netflix还引入了HDR图像以促进无辜者惊奇漫画铁拳在基于控制台的Netflix应用程序上。由于HDR电视内容是如此之新，消费者对哪些节目是真正的HDR感到困惑。随着HDR内容变得越来越可用，Netflix和亚马逊一直在优化和澄清其产品。

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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，还增强了感知亮度并加深了整体颜色范围。HDR渲染使用其自身的一些独特效果，如光晕、光斑和色调映射：

光华

光华发生在人眼中，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，大脑将其解释为场景中的亮点。类似地，当HDR渲染中出现光晕时，背景中的明亮灯光将取代前景中的对象。这可以用来增强亮度的整体印象，也可以创建更真实地模拟人眼视觉的效果。

闪耀

耀斑是人眼的另一种功能，这次涉及衍射。衍射是光在物体边缘经过时的轻微弯曲。衍射的结果是星暴或耀斑效应。Flare可用于HDR渲染，以创建光晕效果或其他颜色效果，从而使场景具有更高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匹配的低动态范围。色调映射可以在逐渐调低亮度的同时，尽可能保留深色的范围。HDR渲染中可以使用几种色调映射操作符：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可以更缓慢、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devkit，其中包含开发人员开始使用HDR渲染所需的所有代码和信息。此外，互联网上到处都有真实世界的信息，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的内容：

1. 支持HDR的NVIDIA或AMD的GPU
2. 支持HDR10的HDR显示器
3. Windows 7或更高版本
4. 连接显示器的高速HDMI电缆（推荐）
5. 英伟达HDRR白皮书和DeVoice

以下是HDR渲染的基本过程：

1. 使用sRGB原色创建内容
2. 使用基于物理的着色渲染高质量HDR
3. 场景参照空间中的后处理
4. 将颜色分级应用于渲染场景参考图像
5. 将模糊图像与原始图像合成后的色调贴图
6. 将backbuffer保留在FP16 scRGB中
7. 复合8位sRGB引用用户界面正常

有经验的HDR开发人员提供了一些提示，请记住：

• 努力使轻松的互动正确可信；例如，适当的突出显示。在与现实世界一致的范围内创造价值。[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原色以与当前art管道保持一致。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的亮度和增强的饱和度的优点。
• 承认现有艺术品将面临挑战。HDR将sRGB原色延伸到极限，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。可能会出现诸如不自然的肤色和色调等问题。
• 确保以与主光源和次光源一致的级别渲染高光、反射和折射。如果高光超过光源，整个场景看起来会很奇怪。
• 在进行任何色调映射之前，执行需要线性照明的操作（例如，光晕、运动模糊和景深）。参考的操作场景将有助于确保一致性。
• 使用像ACES或Drago这样的操作员，了解显示器的输出亮度，以便中间灰度保持在合理水平，颜色仅在需要的地方压缩。
• 使用具有与白色相同的sRGB原色和（1,1,1）亮度级别的scRGB backbuffer，正确合成到HDR场景的颜色空间中。
• 考虑到人眼将适应HDR显示器的较亮颜色。放大UI亮度以抵消此影响。
• 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“辉光投射”效果；例如，在带有白色文本的透明对话框下高亮显示1000 nit。
• 在昏暗或黑暗环境中评估HDRR。人眼可以适应房间的亮度，这会干扰对HDR内容的真实感知。
• 请注意，显示器可能正在默认SDR模式下运行。这可能会干扰HDR，因此请确保将显示器设置为中性值。
• 使用“点”光源时，使用色调映射减少过度的光斑。这将导致场景和图像保留HDR计算的细节，并具有更好的颜色和对比度。

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高动态范围的渲染自由职业者在您的处置

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