HDR特效在3D游戲中的應用

尚冰

【摘要】隨著技術的發展，3D游戲畫面越來越趨于真實化，游戲用戶不但要求游戲中的每一種物體具有真實的外觀以及物理特性，同時還要有真實的光影效果。HDR高動態實時光照渲染目前是一種在3D游戲中流行特效技術，它能實時模擬真實的光照環境，通過光線實時計算及渲染體現物體質感與細節，以實現對游戲畫面真實性的要求。本文主要探討了HDR特效的技術原理、HDR與Bloom的區別以及游戲中HDR特效實現方法等。

【關鍵詞】3D游戲;HDR特效;Bloom特效;實時渲染

1.概述

3D游戲制作中，照明計算量龐大，早期游戲制作人員通常借助圖像像素的R、G、B值計算該點的灰度值，由灰度值計算場景的亮度， 但是現實中的照明信息僅用一個8bit的RGB圖像描述，當場景亮度、對比度大到一定程度時，就不再能真實地記錄場景亮度信息，導致部分亮度信息丟失，這也將使場景中的真實的光影效果等無法體現。HDR特效技術解決了這一問題。在游戲領域，HDR特效指的就是HDR實時渲染，它通過HDR高動態范圍光照非線性的調和映射到顯示器能夠顯示的LDR低動態光照范圍，最大程度保存了明暗對比細節，這使為3D 游戲場景提供高度仿真的光照效果成為可能。HDR特效最早是在nVIDIA的顯卡實現的，ATI的SMARTSHADER技術也包含這種HDR技術。如今能否實現HDR特效已經成為游戲用戶判斷一款3D游戲是否優秀的標準之一。

2.HDR特效的技術原理

HDR特效包括曝光控制和光暈效果兩個環節。曝光控制是其核心環節，主要是計算當前要渲染的高動態范圍圖像的平均亮度，然后根據平均亮度確定一個曝光參數，通過這個曝光參數將圖像正確地映射到屏幕能顯示的顏色區域內;即將高動態范圍的圖像映射到電腦屏幕能夠顯示的的范圍內，這一過程在HDR渲染中被稱之為Tone Mapping（調和映射）。調和映射有不同的算法，但都是從高動態范圍到低動態范圍的一個映射，統稱為 Tone Mapping Operator（TMO），TMO的質量的高低直接決定了圖像的最終質量。所謂光暈效果，就是抽出場景中色彩比較亮的部分，然后加以模糊，使這些較亮的像素擴散到周圍的像素中，再把模糊后的圖像疊加在Tone Mapping之后的圖像上;光暈效果對表現高亮的像素起著非常重要的作用。

需要說明的是，在曝光控制與光暈效果在開始之前，需獲得一個高動態范圍的圖像（HDRI）。高動態范圍圖像的每個像素都由浮點型的R，G，B分量表示，每個R，G，B分量值可以任意大。對渲染器而言，每個像素就是一個浮點紋理。要將3D場景渲染到一個高動態范圍的浮點紋理中。首先為3D場景中的每個表面創建一張浮點格式的光照貼圖，光照貼圖的每個像素代表了表面上相應位置的光強。然后使用OpenGL的FBO（幀緩沖對象）將綁定了浮點光照貼圖的場景渲染到一個同屏幕大小一致的浮點紋理中。

3.3D游戲中的HDR特效

3.1 HDR+AA/AF

在3D游戲中，HDR實時渲染可使游戲畫面中亮的部分更加明亮，暗的地方更加黑暗，整個畫面的細節豐富而清晰，以實現真實的光影效果。但AA（全屏抗鋸齒）和AF（各向異性過濾）也對畫面的質量起至關重要的作用。全屏抗鋸齒技術能夠消除畫面中圖形邊緣的鋸齒，使畫面看起來更為平滑。各向異性過濾則是一種特殊的過濾技術，可對部分相對不重要的視覺部分減少精度，從而提高顯示速度。HDR與AA/AF在技術上沒有直接的關系，但3D游戲開啟HDR后如AA缺失畫面將出現明顯的鋸齒，只有HDR+AA/AF才可以實現完美的高精度的圖像，實現AA/AF在提高畫面質量的同時也成為衡量顯卡性能的重要標準。但是在早期，顯卡技術不成熟，這導致在多數3D游戲無法實現在HDR渲染的情況下再開啟AA。

3.2 HDR類型

HDR動態3D渲染是對3D游戲場景的光線進行實時計算，生成動態、實時的3D高動態范圍光照。HDR動態3D渲染有4種：FP16 HDR、FP24 HDR、FP32 HDR.、INT HDR。FP16 HDR即16位半精度浮點HDR，每通道16bit，速度快，但效果較差，早期支持HDR的游戲大都是FP16HDR。.FP24 HDR 即24位浮點HDR，每通道采用24bit。速度較快，效果也較好。FP32 HDR即32位單精度浮點HDR，每通道32bit，速度較慢，效果比FP16和24 HDR好，對顯卡運算性能要求很高，被目前大多數新游戲采用。.INT HDR即整數HDR，計算過程采用32位單精度浮點，儲存采用整數。效果優于FP16 HDR和FP24HDR，但遜于FP32 HDR，由于速度慢、編程困難，現已被淘汰。

3.3 3D游戲中的HDR特效與Bloom特效區別

Bloom“全屏泛光”，是虛幻3游戲引擎中最為通用的特效技術，其實現主要依賴于PostProcess框架，即實時繪制當前場景到一后臺渲染表面，而后針對其對應貼圖進行像素級渲染。Bloom和HDR不同之處主要表現在幾個方面：

第一，HDR效果是超亮的光照與超暗的黑暗的某種結合，這個效果是光照產生的。強度、顏色等通過游戲程序可以動態控制;bloom特效則是物體本身發出的光，僅僅是將光照范圍調高到過飽和，這是游戲程序無法動態控制的。bloom效果實現的光照強度可能不會很真實，同時也是不可變的。

第二，實現BLOOM特果無需HDR，它只支持8位RGBA，而HDR最高支持到32位RGBA。其實現效果受到限制

第三，實現BLOOM特效較為簡單，Bloom效果不受顯卡的性能的限制，TNT顯卡上也可實現bloom效果。而HDR特效，必須是nVIDIA6XXX以上的顯卡才能夠實現，nVIDIA和ATI的顯卡所實現的HDR是有區別的，從畫面效果來看，nVIDIA的顯卡實現的HDR好些。從技術角度而言，ATI的HDR是另一種途徑實現的盡可能接近的HDR，不能算“真”HDR，即使ATI的R520也只能實現FP16 HDR的效果。

圖1 Bloom特效開啟

實際上，游戲開發商常常將兩種特效一起使用以達到一個最終的效果。你在游戲中，從黑暗的房間中走到太陽地中，你眼前的景物會很刺眼，隨后亮度會降低，完全就同現實中的情況一致。這就是HDR特效的威力。而bloom效果實現的光照強度可能不會很真實，同時也是不可變的。下圖是Bloom特效的演示，如圖1所示。

4.3D游戲中HDR特效的實現

在3D游戲中，HDR特效并不是標準的光線模式，它只是—個虛擬的渲染算法。通過提高圖片的亮度來為將要渲染的場景指定環境光源。HDR在3D游戲中可以模擬肉眼適應光線的變化，讓場景更加逼真，提升游戲的真實感，同時也讓景色更加鮮明，陰暗和明亮部份的細節也能更清楚地呈現。以下面的游戲片段為例，當手槍打破建筑物的玻璃后，強烈的光線讓玩家的瞳孔收縮，四周原本的影像也暗了下來。一但視角轉回陰暗的室內，過了一兩秒，眼睛適應了黑暗，瞳孔慢慢放大，眼前昏暗的視線就逐漸亮了起來。

4.1 不斷變換的光強

這兩張圖片表現了游戲的曝光控制功能，它能夠模擬人眼自動適應光線變化的能力，如果你盯著一個面向陽光直射的物體，物體表面則有強烈的光反射（見圖2）;如果盯著不放，物體表面的泛光會漸漸淡出，還原出更多的細節（見圖3）。HDR特效是變化的，因此稱做高動態光照。

圖2 不斷變換的光強 ? ? ? ? ? ?圖3 不斷變換的光強

（光強度較高） ? ? ? ? ? ? （光強度隨視線減弱）

4.2 HDR的立方體映射

在HDR的立方體映射圖4中，槍閃亮的金屬表面很實際的反映出周圍事物留下的倒影，藍天映襯在擊錘左側，而褐色的建筑出現在右側，該場景中地面和前方的場景是比較暗的，以前的光渲染方式肯定會將手槍表面和周圍場景一致化，做出來的效果就是一團黑或者手槍表面是永遠單調的反光。

圖4 HDR的立方體映射

4.3 HDR開/關畫質對比

HDR特效是實時產生的，關掉并不影響游戲運行，但它和其它特效一起，共同產生了逼真的畫面（如圖6）。關掉HDR對比下面的畫面，圖5是是關掉HDR之后的效果，以旁人眼光來看也還不錯，體驗過HDR效果的游戲用戶，就無法再面對那些平淡無奇的畫面了。

圖5 HDR未開 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖6 HDR打開

5.結語

HDR特效改善了游戲中混亂的，缺乏層次的，銜接生硬的光照效果，得到的是逼真的，更具層次感的，淡入淡出柔和的光感，在最大化保留細節的同時使得亮的地方更亮，暗的地方更暗，這一切使3D游戲畫面更加的符合人類的視覺特征。動態、趨近真實的物理環境是HDR的特效表現原則，但HDR特效只是電腦3D游戲眾多畫面特效中的一種，將來電腦游戲特效會發展到什么層度，現在無法下結論，但是有一點可以肯定，那就是3D游戲畫面和物理效果都將越來越真實。

參考文獻

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