今天来学学HDR，并在OpenGL上实现它。

HDR

背景

存储在帧缓冲中亮度和颜色的值被限制在\([0,1]\)之间，我们一直在遵循这句话。但是存在一种特殊区域，多个光源使这些数值总和超过了1.0，如果还要遵循这句话，就会使大片场景的亮度被约束为1.0，导致整个场景都是亮的：

解决这种问题的一种方法是，减少光源的强度，控制场景亮度总和不超过1，这种方法并不好，不真实；还有一种更好的方法是允许颜色值暂时超过1.0，然后在最后一步控制到\([0,1]\)之间，以避免细节丢失。

概念

没有HDR的显示器只能显示\([0,1]\)间的颜色，但在光照计算中却没有这个限制。通过允许片段的颜色超过1.0，我们就有了更大的颜色范围，这也被称为 高动态范围（High Dynamic Range，HDR）。有了HDR，亮的东西就是真亮了，暗的东西就是真暗了，并且充满细节。

HDR原本只用于摄影，摄影师用不同曝光等级拍多张照片，获取大范围的颜色值。这些图片被合成为HDR图片，它综合不同的曝光等级使得更大范围的细节可见。例如下图中，左图和右图合成中间的HDR图片，使得能被看到的细节更多。

这和人眼的工作方式相似，也是HDR渲染的基础。当光线很弱的时候，人眼会自己调节，以便能看到更暗的细节；光线很强的时候同理。

HDR渲染也和它类似。我们允许渲染更大的颜色值范围，通过收集场景中大范围的亮暗信息，最后将HDR值变换回位于\([0.0, 1.0]\)中的LDR（Low Dynamic Range）值。将HDR值转换为LDR值的过程被称作 色调映射（Tone Mapping），并且有很多色调映射的算法供我们选择。这些色调映射算法通常包含一个选择倾向于暗/亮区域的参数。

对于实时渲染领域，HDR不仅允许我们超过在颜色值上超越LDR以保留更多细节，而且允许我们根据设置光源 真正的 光强。例如，太阳比手电筒的光强大得多，而LDR无法实现这种大光强。

由于不支持HDR的显示器只显示\([0,1]\)间的颜色值，我们必须要将当前HDR值转换为LDR值。通过取均值简单地转换这些颜色值并不能解决这个问题，因为明亮的地方会变得更亮。我们应该做的是 用一个不同的方程/曲线来进行色调映射。

浮点数帧缓冲

为了实现HDR，我们需要找到在每个片段着色器运行后预防颜色值被约束的方法。当帧缓冲使用标准化的定点数格式（如GL_RGB）作为其颜色缓冲的内部格式时，OpenGL会将这些值约束到LDR后才存入帧缓冲，除了浮点数格式。

常用的浮点数格式如下：GL_RGB16F，GL_RGBA16F，GL_RGB32F，GL_RGBA32F。这些浮点数格式可以存储HDR的值，非常适合实现HDR渲染。

创建一个浮点数帧缓冲的代码如下，只需更改内部格式即可：

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, colorBuffer);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA16F, SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, 0, GL_RGBA, GL_FLOAT, NULL);

OpenGL的默认帧缓冲中，每个颜色分量只有8位。而浮点数帧缓冲每个颜色分量有32位（使用GL_RGB32F或GL_RGBA32F）。由于这里对精度要求不高，这里使用GL_RGBA16F就够了。

将这个colorBuffer附加到一个FBO对象后，就能将场景渲染到HDR帧缓冲了。在这个教程demo中，首先渲染一个光照场景到HDRFBO中，然后展示这个FBO的colorBuffer，大致结构如下：

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, hdfFBO);
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
	// 渲染光照场景...
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

// 用色调映射着色器渲染这个HDRFBO的colorBuffer
hdrShader.use();
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, hdrColorBufferTexture);
RenderQuad();

在demo场景中，有如下4个光强不同的点光源：

std::vector<glm::vec3> lightColors;
lightColors.push_back(glm::vec3(200.0f, 200.0f, 200.0f));
lightColors.push_back(glm::vec3(0.1f, 0.0f, 0.0f));
lightColors.push_back(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.2f));
lightColors.push_back(glm::vec3(0.0f, 0.1f, 0.0f));  

目前给HDR的片段着色器如下：

#version 330 core
out vec4 FragColor;
  
in vec2 TexCoords;

uniform sampler2D hdrBuffer;

void main()
{             
    vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;
    FragColor = vec4(hdrColor, 1.0);
} 

这里简单采样了HDRFBO中colorBuffer的纹理值作为输出，然而最后仍然是LDR值，结果如下：

很明显，隧道尽头大片的光被被限制在1.0，导致几乎是白的，损失了大部分细节。接下来我们要实现色调映射，将HDR值无损映射到LDR值上。

色调映射

色调映射这一步骤将HDR范围的值尽量不失细节地转换到LDR范围内，通常是风格化的。

一种简单的色调映射算法是 Reinhard 色调映射，它将整个范围HDR值划分并映射到LDR中。这个算法将HDR值均匀分散到LDR上。我们将这个Reinhard色调映射实现到之前的片段着色器上。

void main()
{             
    vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb;
  
    // reinhard tone mapping
    vec3 mapped = hdrColor / (hdrColor + vec3(1.0));
  
    FragColor = vec4(mapped, 1.0);
}

可以发现画面像蒙了一层灰，原理是让亮的更暗，让暗的更亮。我这里好像有些问题，唉。

还有一种色调映射的方法如下：

// exposure tone mapping
vec3 mapped = vec3(1.0) - exp(-hdrColor * exposure);

这个动图展示了exposure参数对HDR带来的影响。

Ps：感觉这一节没学好，有时间抽空再看看吧。

参考资料

• HDR - LearnOpenGL CN (learnopengl-cn.github.io)
• LearnOpenGL - HDR