[自学记录08*]LDR、HDR与ToneMapping

一、Dynamic Range—动态范围

Dynamic Range表示动态范围，检测DR，DR又分为LDR（Low Dynamic Range）和HDR（High Dynamic Range）。它们都是表示亮度值范围的一种方式，那么有什么区别呢。

1.LDR

LDR的亮度范围是单通道8位精度0~1存储，也就是0~255这个范围。

在伽马矫正中我们知道0~255，这些数字远不够表达自然界中那么丰富的细节，因此如果用LDR来存储图片，会丢失很多细节。

LDR常见的格式有png，jpg等。

拾色器、一般的图片、我们的显示器，都是LDR。

2.HDR

HDR的亮度范围是单通道超过8位存储，值得一提的是HDR并没有统一的标准，有12位精度的，还有16位精度的。

常见的格式有hdr，exr，raw，tif等。

总结一下，对于渲染来说，HDR有以下的优缺点。

(1)优点：

• 增加亮部的细节，减少了细节丢失和过曝效果
• 更好地支持Bloom效果
• 减少低亮光照区域的条带效果

(2)缺点：

• 使用浮点渲染纹理，渲染速度较慢，需要更多显存
• 不支持硬件抗锯齿（但可以使用后处理）
• 部分手机不支持

二、ToneMapping

因为真实世界的范围其实就是一种HDR，但在即使我们想表达那么多的颜色，却只能用LDR，那么如何把HDR较好地变到LDR呢？这其中的方法就是ToneMapping，其实就是一种色调映射。当然这种映射并不是线性的。

这里我们就拿8位和16位举例子好了，8位能表示的精度为256个精度。而16位可以表示的精度则是65536个精度，相差了256倍。也就是说如果采用线性映射的话，在16位精度下的0~255表示的亮度值都会被映射到8位精度下的0表示的亮度值。

 在图像上的反应也就是在HDR下的图上的稍微暗一些的地方，到了LDR可能就是完全的死黑。

其实也非常好理解，我们完全可以把真实世界的亮度理解为一种信号，而无论是LDR还是HDR，都是对现实世界的一种采样，HDR的精度更大，采样率也就更高，自然恢复出来的信号更拟合真实世界的连续的信号。

下两幅图为32位精度存储下的HDR图，线性映射到8位精度的结果

这里我找的例子并不是太好，但是可以明显感觉到，下面的8位精度的图，亮度上丢失了许多细节。如草阴影下的细节，由暗绿色变成了纯黑。

因此，我们需要不同的映射曲线来实现较好的还原细节。其中最广泛的是ACES曲线。ACES曲线可以较好的提高对比度，在一定程度上还原亮部暗部的细节。

如下图分别为线性映射（左），和ACES（Academy Color Encoding System）曲线映射（右）的结果。 

 

当然了，有各种各样的ToneMapping，它们有它们各自的特点，这里不一一细说了。 

三、Unity中的HDR 

1.Camera开启HDR

当Camera开启HDR，场景就会被渲染到HDR的图像缓冲区，这个缓冲区可以存0~1范围外的像素值，然后这个缓冲区可以被渲染操作使用，如Bloom后处理效果，这意味着使用较为真实的值进行计算，因此可能会产生更逼真的效果。

2.Light map开启HDR

在Unity的Edit的Project Settings中的Player选项中，下拉选择Lightmap Encoding，选择High Quality则可开启light map对HDR的支持。 

3.拾色器HDR

在Shader中，如果想把颜色属性开启HDR，在变量前加上[HDR]即可为拾色器开启HDR的支持。

在Intensity滑动条中可以更改颜色的强度，每增加1，相应的亮度增加1倍。

对于不同模式的解释，这里贴上官方文档的解释，大家自行参考。个人认为没什么不同，看个人习惯的问题。

四、参考资料 

使用亮度直方图自动曝光 |Bruno Opsenica 的博客 (bruop.github.io)

 高动态范围 - Unity 手册 (unity3d.com)

 Unity - Manual: HDR color picker (unity3d.com)

Tone Mapping | Bruno Opsenica's Blog (bruop.github.io)

Academy Color Encoding System - 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)

HDR,ToneMapping,Bloom之间的关系 - 知乎 (zhihu.com)

Tone mapping进化论 - 知乎 (zhihu.com)