HDR(高动态范围)

一： 简介

1. 一般来说，当存储在帧缓冲(Framebuffer)中时，亮度和颜色的值是默认被限制在0.0到1.0之间的。
2. 但是如果我们遇上了一个特定的区域，其中有多个亮光源使这些数值总和超过了1.0，又会发生什么呢？答案是这些片段中超过1.0的亮度或者颜色值会被约束在1.0，从而导致场景混成一片，难以分辨。
3. 这是由于大量片段的颜色值都非常接近1.0，在很大一个区域内每一个亮的片段都有相同的白色。这损失了很多的细节，使场景看起来非常假。
4. 解决这个问题的一个方案是减小光源的强度从而保证场景内没有一个片段亮于1.0。然而这并不是一个好的方案，因为你需要使用不切实际的光照参数。一个更好的方案是让颜色暂时超过1.0，然后将其转换至0.0到1.0的区间内，从而防止损失细节。
5. 显示器被限制为只能显示值为0.0到1.0间的颜色，但是在光照方程中却没有这个限制。通过使片段的颜色超过1.0，我们有了一个更大的颜色范围，这也被称作HDR(High Dynamic Range, 高动态范围)。有了HDR，亮的东西可以变得非常亮，暗的东西可以变得非常暗，而且充满细节。
6. HDR原本只是被运用在摄影上，摄影师对同一个场景采取不同曝光拍多张照片，捕捉大范围的色彩值。这些图片被合成为HDR图片，从而综合不同的曝光等级使得大范围的细节可见。
7. 这与我们眼睛工作的原理非常相似，也是HDR渲染的基础。当光线很弱的啥时候，人眼会自动调整从而使过暗和过亮的部分变得更清晰，就像人眼有一个能自动根据场景亮度调整的自动曝光滑块。
8. HDR渲染和其很相似，我们允许用更大范围的颜色值渲染从而获取大范围的黑暗与明亮的场景细节，最后将所有HDR值转换成在[0.0, 1.0]范围的LDR(Low Dynamic Range,低动态范围)。
9. 转换HDR值到LDR值得过程叫做色调映射(Tone Mapping)，现在现存有很多的色调映射算法，这些算法致力于在转换过程中保留尽可能多的HDR细节。这些色调映射算法经常会包含一个选择性倾向黑暗或者明亮区域的参数。
10. 因为显示器只能显示在0.0到1.0范围之内的颜色，我们肯定要做一些转换从而使得当前的HDR颜色值符合显示器的范围。简单地取平均值重新转换这些颜色值并不能很好的解决这个问题，因为明亮的地方会显得更加显著。我们能做的是用一个不同的方程与/或曲线来转换这些HDR值到LDR值，从而给我们对于场景的亮度完全掌控，这就是之前说的色调变换，也是HDR渲染的最终步骤。

二： 浮点帧缓冲

1. 在实现HDR渲染之前，我们首先需要一些防止颜色值在每一个片段着色器运行后被限制约束的方法。当帧缓冲使用了一个标准化的定点格式(像GL_RGB)为其颜色缓冲的内部格式，OpenGL会在将这些值存入帧缓冲前自动将其约束到0.0到1.0之间。
2. 当一个帧缓冲的颜色缓冲的内部格式被设定成了GL_RGB16F, GL_RGBA16F, GL_RGB32F 或者GL_RGBA32F时，这些帧缓冲被叫做浮点帧缓冲(Floating Point Framebuffer)，浮点帧缓冲可以存储超过0.0到1.0范围的浮点值，所以非常适合HDR渲染。
3. 想要创建一个浮点帧缓冲，我们只需要改变颜色缓冲的内部格式参数就行了（注意GL_FLOAT参数)。
4. 有了一个带有浮点颜色缓冲的帧缓冲，我们可以放心渲染场景到这个帧缓冲中。在这个教程的例子当中，我们先渲染一个光照的场景到浮点帧缓冲中，之后再在一个铺屏四边形(Screen-filling Quad)上应用这个帧缓冲的颜色缓冲，

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);  
    // [...] 渲染(光照的)场景
   glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
    // 现在使用一个不同的着色器将HDR颜色缓冲渲染至2D铺屏四边形上
    hdrShader.Use();
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, hdrColorBufferTexture);
    RenderQuad();

5. 这里场景的颜色值存在一个可以包含任意颜色值的浮点颜色缓冲中，值可能是超过1.0的。这个简单的演示中，场景被创建为一个被拉伸的立方体通道和四个点光源，其中一个非常亮的在隧道的尽头：
6. 渲染至浮点帧缓冲和渲染至一个普通的帧缓冲是一样的。新的东西就是这个的hdrShader的片段着色器，用来渲染最终拥有浮点颜色缓冲纹理的2D四边形。我们来定义一个简单的直通片段着色器(Pass-through Fragment Shader).
7. 这里我们直接采样了浮点颜色缓冲并将其作为片段着色器的输出。然而，这个2D四边形的输出是被直接渲染到默认的帧缓冲中，导致所有片段着色器的输出值被约束在0.0到1.0间，尽管我们已经有了一些存在浮点颜色纹理的值超过了1.0。
8. 很明显，在隧道尽头的强光的值被约束在1.0，因为一大块区域都是白色的，过程中超过1.0的地方损失了所有细节。因为我们直接转换HDR值到LDR值，这就像我们根本就没有应用HDR一样。为了修复这个问题我们需要做的是无损转化所有浮点颜色值回0.0-1.0范围中。我们需要应用到色调映射。

三： 色调映射

1. 色调映射(Tone Mapping)是一个损失很小的转换浮点颜色值至我们所需的LDR[0.0, 1.0]范围内的过程，通常会伴有特定的风格的色平衡(Stylistic Color Balance)。
2. 最简单的色调映射算法是Reinhard色调映射，它涉及到分散整个HDR颜色值到LDR颜色值上，所有的值都有对应。Reinhard色调映射算法平均得将所有亮度值分散到LDR上。我们将Reinhard色调映射应用到之前的片段着色器上，并且为了更好的测量加上一个Gamma校正过滤(包括SRGB纹理的使用)。
3. 有了Reinhard色调映射的应用，我们不再会在场景明亮的地方损失细节。当然，这个算法是倾向明亮的区域的，暗的区域会不那么精细也不那么有区分度。
4. 用了这个非常简单地色调映射算法，我们可以合适的看到存在浮点帧缓冲中整个范围的HDR值，给我们对于无损场景光照精确的控制。
5. 另一个有趣的色调映射应用是曝光(Exposure)参数的使用。你可能还记得之前我们在介绍里讲到的，HDR图片包含在不同曝光等级的细节。如果我们有一个场景要展现日夜交替，我们当然会在白天使用低曝光，在夜间使用高曝光，就像人眼调节方式一样。有了这个曝光参数，我们可以去设置可以同时在白天和夜晚不同光照条件工作的光照参数，我们只需要调整曝光参数就行了。
6. 在这里我们将exposure定义为默认为1.0的uniform，从而允许我们更加精确设定我们是要注重黑暗还是明亮的区域的HDR颜色值。举例来说，高曝光值会使隧道的黑暗部分显示更多的细节，然而低曝光值会显著减少黑暗区域的细节，但允许我们看到更多明亮区域的细节。
7. 通过改变曝光等级，我们可以看见场景的很多细节，而这些细节可能在LDR渲染中都被丢失了。比如说隧道尽头，在正常曝光下木头结构隐约可见，但用低曝光木头的花纹就可以清晰看见了。对于近处的木头花纹来说，在高曝光下会能更好的看见。