HDR-Beleuchtung (Direct3D 9)

Beleuchtung in der realen Welt enthält einen sehr hohen Dynamikbereich (HDR) an Leuchtdichtewerten. Die reale Welt hat etwa 10 Ordnungen des dynamischen Bereichs (DR) für Leuchtdichtewerte, die über das Spektrum der Dunkelheit bis zur Helligkeit verteilt sind. Auf der anderen Seite hat ein Computerbildschirm einen sehr begrenzten Anzeigeumfang (oder Bereich von Leuchtdichtewerten): ungefähr zwei Dynamische Bereiche. Die Herausforderung bei der Erstellung von HDR-Gerenderten Bildern besteht darin, die realen HDR-Werte in der begrenzten Farbskala eines Computerbildschirms abzubilden.

Die Tonzuordnung ist die von DirectX verwendete Technik zum Zuordnen von HDR-Informationen in einen begrenzteren Bereich. Tonzuordnungen, die auf das CGI-Rendering angewendet werden, können die Menge der gerenderten Beleuchtungsdetails erheblich verbessern, sodass Details in den dunkelsten Bereichen sichtbar werden können und kontrastreiche Bereiche bereitgestellt werden, die so hell sind, dass sie gebrannt erscheinen. Die resultierenden Szenen werden mit deutlich sichtbareren Lichtdetails gerendert.

HDRLighting-Beispiel ist ein SDK-Beispiel, das die HDR-Beleuchtung veranschaulicht.

Tonzuordnung

Die Tonabbildung simuliert im Allgemeinen optische Phänomene, die nicht durch die Notfallwiederherstellung des Monitors verursacht werden können. Beispiele hierfür sind Flares oder Blooming (die meist Eigenschaften von Linsen sind), die blaue Verschiebung, die im menschlichen Auge bei schlechten Lichtverhältnissen stattfindet, und andere Anpassungen, die ein Ergebnis der Biochemie des Auges sind. Wenn die DR des Displays groß genug wäre, wäre die Tonzuordnung nicht so notwendig, außer bei der Bereitstellung künstlerischer Effekte oder einiger Eigenschaften eines Kameraobjektivs oder eines ladekoppelten Geräts (CCD).

Die Tonwertzuordnung unterteilt den Bereich der Leuchtdichtewerte in einer Szene in eine Reihe von Zonen. Jede Zone umfasst einen Bereich von Leuchtdichtewerten.

HDR verwendet die folgenden Begriffe:

• Zone : Bereich der Leuchtdichtewerte
• Mittleres Grau – mittlerer Helligkeitsbereich der Szene
• Dynamischer Bereich – Verhältnis der höchsten Szenenleuchtigkeit zur niedrigsten Szenenleuchtigkeit
• Schlüssel - subjektive Messung der Szenenbeleuchtung: Dies variiert von hell über mäßig bis dunkel

Verwenden Sie folgendes, um die Leuchtdichte aus RGB-Werten zu berechnen:

L = 0.27R + 0.67G + 0.06B;

Die durchschnittliche Log-Luminance ist eine nützliche Näherung für den Schlüssel einer Szene. Eine allgemeine Gleichung sieht wie folgt aus:

L_w = exp[ 1 / N( sum[ log( delta + L_w( x, y ) ] ) ] ]

Hierbei gilt:

• L_w – durchschnittliche Helligkeit des Protokolls
• N : Anzahl der Pixel im Bild
• delta - ein kleiner Faktor, um Probleme mit schwarzen Pixeln zu vermeiden
• L_w( x, y ) - die Weltraumleuchtigkeit für Pixel ( x, y )

Um dies einem mittleren Grauwert zuzuordnen, sehen Sie hier einen Luminanceskalierungsoperator:

L( x, y ) = a * L_w( x, y ) / L_w

Hierbei gilt:

• L( x, y ) – Skalierte Leuchtdichte für Pixel ( x, y )
• a : Imageschlüsselwert nach dem Anwenden der Skalierung

Und schließlich ist hier ein einfacher Tonzuordnungsoperator zum Komprimieren der hohen Luminanzen:

L_d( x, y ) = L( x, y ) / ( 1 + L( x, y ) )

Hierbei gilt:

• L_d( x, y ) - komprimierte und skalierte Leuchtdichte für Pixel ( x, y )
• a : Imageschlüsselwert nach dem Anwenden der Skalierung

Dieser Operator skaliert hohe Leuchtdichten um 1/L und niedrige Leuchtdichten um 1. Weitere Informationen finden Sie im folgenden Artikel.

Reinhard, Erik, Mike Stark, Peter Shirley und James Ferwerda. "Fotografische Tonwiedergabe für digitale Bilder". ACM Transactions on Graphics (TOG), Proceedings of the 29th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH), S. 267-276. New York, NY: ACM Press, 2002.

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