HDR技術(shù)詳解（理論篇）

前言：

HDRi的全稱是high?dynamic?range?image，意思是高動(dòng)態(tài)范圍圖片。最近的這些年已經(jīng)非常的火熱了。使用一張HDR圖片或者再另外補(bǔ)一兩盞燈光作為場(chǎng)景的照明，已經(jīng)是越來越普及的做法。而很多對(duì)這種圖片以及這種照明方案了解不深的朋友心里可能總有個(gè)疑惑——在以前的CG行業(yè)里，照明是一件非常復(fù)雜的事情，一個(gè)場(chǎng)景經(jīng)常要打幾十甚至上百盞燈光才能得到好效果。怎么到了現(xiàn)在只需要一張圖片就解決照明問題了？世界上有這么輕巧的事情�。�

世界上就有這么輕巧的事情。CG行業(yè)是一個(gè)發(fā)展非常迅速的行業(yè)，往往你上個(gè)月還在用的軟件，這個(gè)月就出了新版本；你上個(gè)月還在使用的工作流程，這個(gè)月已經(jīng)有了更快的解決方案。在這樣一個(gè)日新月異的行業(yè)里，照明的解決方案，也當(dāng)然飛速地發(fā)展了。以前要手動(dòng)打很多盞燈光來照明的主要原因是機(jī)器性能不行，跑GI（全局照明）太慢，所以要手動(dòng)打補(bǔ)光，人為處理出全局照明的感覺。然而時(shí)代進(jìn)步了，機(jī)器速度已經(jīng)幾何級(jí)增長了，現(xiàn)在大家都用得起GI了，理論上完全不需要再依賴手動(dòng)打補(bǔ)光了。你可以選擇在場(chǎng)景中設(shè)置跟真實(shí)世界接近的光源，或者你還有這樣的選擇：使用一種HDRi貼圖來照亮你的場(chǎng)景。

因?yàn)榇蟛糠峙笥言缇蛯�HDR照明應(yīng)用到自己的工作流程中去了，所以，這篇文章的內(nèi)容對(duì)于大部分朋友來說都會(huì)很熟悉。如果你已經(jīng)知道怎么去運(yùn)用，而對(duì)這背后的原理和邏輯有一定興趣的話，可以看看理論部分。而這次的教程更傾向于對(duì)HDR并不太了解的新手朋友，相信你們看完這次的教程，會(huì)對(duì)HDR的概念原理有一定的認(rèn)知，并且知道該怎么使用HDR對(duì)自己的場(chǎng)景進(jìn)行照明。

雖然本教程使用三維軟件為maya，渲染器是mental?ray和vray。但是講述的原理是完全可以互通的，你只要理解透了這些概念，方法拿到哪里都是一樣適用的。

全文分理論部分，CG領(lǐng)域中的應(yīng)用部分，和噪點(diǎn)問題的解決方案三大塊兒。

其中理論部分梳理了完備的理論體系，全部消化吸收能夠讓你對(duì)整個(gè)CG技術(shù)的認(rèn)知有所提高，說起來適合所有人閱讀，但是如果你對(duì)理論頭大也可以先跳過或暫時(shí)跳過理論部分直接從實(shí)戰(zhàn)部分開始看起。

CG領(lǐng)域中的應(yīng)用部分則著重介紹在CG領(lǐng)域里怎么運(yùn)用HDR技術(shù)，以及HDR技術(shù)給我們帶來的好處到底體現(xiàn)在哪里，適合新手，或者知其然不知其所以然的朋友。這一部分觀看視頻會(huì)吸收得更好。

如果你已經(jīng)是個(gè)高手了，那么可以直接跳過前面兩個(gè)部分，到達(dá)這次教程在實(shí)戰(zhàn)意義上真正精華的最后一部分——噪點(diǎn)問題的解決方案，你將了解解決采用HDR照明時(shí)GI通道和reflection通道噪點(diǎn)問題的完美方案。

理論部分：

HDRi是一種類型的圖片的統(tǒng)稱，同時(shí)也是一種圖片格式。所謂HDR就是高動(dòng)態(tài)范圍圖片，和它對(duì)應(yīng)的一個(gè)概念是LDRi（low?dynamic?range?image），低動(dòng)態(tài)范圍圖片。而我們?nèi)粘Ｊ褂玫拇蟛糠謭D片，幾乎都是LDR，不管是我們的jpg、png、tga還是tiff，都是低動(dòng)態(tài)范圍。而我們現(xiàn)在用的最多的HDR圖片格式主要有兩種：openEXR和HDR。

那么這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍又是什么，怎么劃分的呢？

1.位深度的概念

這本來是一個(gè)攝影的概念，說起來復(fù)雜，相信看這文章的都是搞CG的，我就從CG的角度簡單地說些有用的。在我們的認(rèn)知領(lǐng)域里，你可以把動(dòng)態(tài)范圍簡單地理解為一個(gè)圖片所能涵蓋的信息量。涵蓋的信息量越多，那么動(dòng)態(tài)范圍越大，反之亦反。

這里就要說一個(gè)“位深度”的概念了。我們都知道，電腦是二進(jìn)制的，只有0和1，而你可以把位想象成一個(gè)開關(guān)，當(dāng)這個(gè)位等于1的時(shí)候，開關(guān)打開；當(dāng)這個(gè)位等于0的時(shí)候，開關(guān)關(guān)閉。所以，每一個(gè)位，有兩種可能。

而如果我有兩個(gè)位，或者說兩個(gè)開關(guān)呢？它們放在一起會(huì)有多少種組合？答案是4種，分別為：00,01,10,11。

那么，如果有三個(gè)位，或者說三個(gè)開關(guān)，又有幾種可能？答案是8種，分別為：000,001,010,011,100,101,110,111。

那么，如果是四個(gè)位呢？答案是16種。聰明的朋友應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)規(guī)律了：有多少位，就有2的多少次方種可能。這其實(shí)是高中的排列組合知識(shí)，我給大家義務(wù)復(fù)習(xí)了一下。

看到這里有人會(huì)說了，我是做美術(shù)的，你跟我說這些亂七八糟的數(shù)學(xué)知識(shí)搞毛呢？其實(shí)你不要急躁，了解這些知識(shí)，才能讓你完全吃透，并且駕馭你所使用的流程與工具。很快我就要講到，這些數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)知識(shí)跟我們的CG是怎么聯(lián)系的。

可能有的朋友一直有聽說過，我們的圖片也有位數(shù)。比如說，我們的jpg圖片就是8位的。而很多人只是知道，卻并不真正了解這到底意味著什么。根據(jù)我們前面說的知識(shí)，8位即意味著2的8次方種可能，即為256種可能。相信很多朋友看到這個(gè)數(shù)字心里會(huì)一激靈，因?yàn)橛悬c(diǎn)ps基礎(chǔ)的朋友都知道，我們的圖片放進(jìn)ps里是有256個(gè)色階的。這二者是不是有什么聯(lián)系？你猜的不錯(cuò)。

我們說的8位的jpg圖片，真正的說法應(yīng)該是：每個(gè)像素每個(gè)通道使用8個(gè)二進(jìn)制位儲(chǔ)存信息的圖片。

對(duì)于儲(chǔ)存顏色信息，我打一些比方，如果你只有一個(gè)位去儲(chǔ)存信息，那么你就只有開或者關(guān)兩種可能，如果你用開表示純白色，關(guān)表示純黑色，那么你就的世界就只有黑與白；如果你使用兩個(gè)位去記錄信息，那么你就有四種可能，你就可以在純黑和純白之間再加入兩個(gè)過度的灰色。

那么，你要是使用8個(gè)位共產(chǎn)生256種可能，亦即是256個(gè)色階，從黑到白有一個(gè)均勻的灰度過度。

你一定要弄明白，到這里為止，就算你有8個(gè)位，256個(gè)色階，你也暫時(shí)只能制造出灰色的過度色階。而如果你想要彩色的照片的話，你還要讓這些灰度的色階產(chǎn)生顏色，想要表達(dá)大自然絢麗的色彩，我們是使用三種純純的顏色，分別發(fā)出不同的亮度，復(fù)合在一起而產(chǎn)生出來的。這三種顏色就是我們頂頂大名的RGB紅綠藍(lán)了。

我大概描述下這個(gè)過程。比如說紅通道，只能發(fā)紅光，而紅光的強(qiáng)度，根據(jù)你的色階來定：色階為0，則是純黑的紅色，色階為128，半亮的紅色，色階為255，則為純純的最亮的紅色（0-255一共256個(gè)色階）。同時(shí)綠通道和藍(lán)通道也是一樣，發(fā)出某種強(qiáng)度的光，最后把他們復(fù)合在一起，就產(chǎn)生我們所見的顏色。

也就是說，我們彩色的jpg圖片，每個(gè)像素點(diǎn)都有三個(gè)通道，每個(gè)通道都有8位，于是每個(gè)像素就需要24位來記錄色彩信息。到這里，我們可以做一個(gè)簡單的小實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們前面探討的知識(shí)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)中，1位即是1Bit，8個(gè)位占一個(gè)字節(jié)，即是1byte。而我們平時(shí)說的1kb則為1024byte，1Mb?為1024kb。那么根據(jù)我們剛才的說法，每個(gè)像素都占24位的空間，即是3byte的空間，那么我們創(chuàng)建一個(gè)1024*1024的圖片，就有1024*1024*3byte=3MB的大小了。我們可以在ps里創(chuàng)建這么大一張圖然后看看ps算出來的大小。果然論證了我們的說法。

在你儲(chǔ)存TGA圖片格式的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，ps會(huì)為你，到底要儲(chǔ)存多少位的圖片。我們主要關(guān)心的是24位和32位兩種。根據(jù)之前說的知識(shí)，你大概可以猜到，24位的圖片，意思是，24位/像素，即3個(gè)通道每像素；而32位怎么來的呢？32 = 4*8；也就是說，4個(gè)通道每像素？是的。那這多出來的通道是啥？其實(shí)就是我們平時(shí)說的alpha通道了。如果你做了一個(gè)帶alpha通道的TGA圖片，儲(chǔ)存的時(shí)候選的是24位，你會(huì)發(fā)現(xiàn)最后你的alpha通道不見了�？吹竭@里你應(yīng)該明白原因了。

2.LDRi與HDRi直觀感受

說了這么多，大家應(yīng)該已經(jīng)開始熟悉位深度相關(guān)的概念了。回到我們最開始的概念上。所謂低動(dòng)態(tài)范圍圖片LDR，一般是指數(shù)值以整型（integer）類型來儲(chǔ)存的圖片；而HDR，則是指數(shù)值以浮點(diǎn)（float）類型來儲(chǔ)存的圖片。整型和浮點(diǎn)是編程里的術(shù)語，用人的語言來說，就是整數(shù)和小數(shù)。比如說，我們傳統(tǒng)的jpg圖片，色階只能是整數(shù)0到255，不能是小數(shù)，你沒見過哪個(gè)色階是1.5，2.8什么的吧。但是我們的HDR圖片，因?yàn)樽陨愍?dú)特的編碼方式，卻可以用小數(shù)來表達(dá)色階；更重要的是，HDR的圖片，儲(chǔ)存的色階信息可以超出屏幕亮度范圍之外，亮的地方可以比純白還亮，黑的地方可以比純黑還黑。

而這些超出顯示范圍之外的數(shù)據(jù)，甚至不能被直接觀察到！那么我們要這些數(shù)據(jù)有什么用呢？HDR圖片主要會(huì)被攝影和CG兩個(gè)領(lǐng)域所使用，主要利用的點(diǎn)也正是它本身的動(dòng)態(tài)范圍夠大。我們傳統(tǒng)拍照的時(shí)候，你如果直接去拍天空，那么太陽以及其附近的范圍，因?yàn)榱炼忍�亮，所以�?huì)得到?jīng)]有細(xì)節(jié)的純白的一片，就是我們俗話說的曝掉了。但是如果你使用HDR的手法去拍攝天空太陽，雖然直觀的效果也是純白的一片，但是在后期軟件中，我們可以通過調(diào)整曝光，讓隱藏在純白色一片里面的亮度信息逐步顯現(xiàn)出來。如前文所說，HDR圖片可以儲(chǔ)存范圍極廣的信息，有很多信息在你的屏幕上不能直接觀察到，你只能通過調(diào)整曝光來觀察。

雖然你不能直接觀察藏起來的信息，但是這些信息是一直存在圖片中的，你不知道電腦知道。它們可以正確讀取圖片上特別亮和特別暗的區(qū)域的信息，在我們的CG領(lǐng)域里，我們就可以使用這些信息對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行照明。

這一部分參考視頻教學(xué)會(huì)得到最直觀的感受。

3.HDR格式與openEXR格式分別是如何儲(chǔ)存信息

那么HDR貼圖為什么可以儲(chǔ)存這么大量的信息呢？這是跟我們HDR貼圖儲(chǔ)存信息的方式有關(guān)的。我們這里主要講講最常用的HDR格式和exr格式。

HDR格式是使用RGBE四個(gè)8位通道，一共32位通道來儲(chǔ)存信息。前面的RGB大家都知道是干嘛的了，那最后的E呢？這個(gè)通道指的是exponent，曝光通道，你可以把前面的RGB理解成某個(gè)像素的顏色，而這個(gè)E通道，可以理解成這個(gè)像素的亮度。他們的計(jì)算公式也很簡單，如下圖：

因?yàn)镋有8位，所以取值范圍也是0到255；當(dāng)E為128時(shí)，2的0次方為1，RGB值保持初始。當(dāng)E大于128時(shí)，沒大個(gè)1，RGB的亮度就會(huì)比之前亮一倍，指數(shù)上升。比如說，我們使用（100,100,130,150）的參數(shù)，得到的正真RGB值其實(shí)是：

你想象一下，在我們的電腦上，255就已經(jīng)是純白的了，這三個(gè)數(shù)字所代表的亮度是有多大！

而如果E小于128，則相當(dāng)于是用原先的RGB值除以2的倍數(shù)，會(huì)得到一些小數(shù)，就是我們之前說的浮點(diǎn)數(shù)，這樣就會(huì)在暗部得到很多8位圖片不具備的中間過渡信息。同樣，假如我們使用115作為我們的exponent，即E通道的值，那么結(jié)果就是：

可以想見，這是多么逼近于純黑的顏色，人眼根本無法察覺。而這些信息，就都老老實(shí)實(shí)地儲(chǔ)存在我們的HDR圖片中。

所以，HDR格式的圖片，是以RGBE?4個(gè)8位通道，一共32位信息儲(chǔ)存的�，F(xiàn)在我要講一講我們CG行業(yè)里更流行的另外一種圖片格式openEXR（以下簡稱exr），這個(gè)在早些年被工業(yè)光魔發(fā)明并且逐漸變成行業(yè)標(biāo)桿的格式。

Exr格式的儲(chǔ)存方式是使用4*16Bit?RGBA來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的，即是說，它使用四個(gè)通道分別為紅綠藍(lán)和alpha，每個(gè)通道占16位儲(chǔ)存空間，每個(gè)像素占48位儲(chǔ)存空間來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。而這16位信息exr圖片是這樣分配的，拿出一位來表示這個(gè)數(shù)值的正負(fù)；拿出10位來儲(chǔ)存RGBA的基本信息；拿出5位來表示曝光度。跟之前HDR圖片的記錄方式有些類似。

只不過，我們基本的RGBA值的精度更高，有2的10次方，1024個(gè)色階；而能表達(dá)的亮度范圍卻比較小一些，只有2的5次方，32個(gè)檔。

所以這兩種圖片格式的區(qū)別就很明確了。openEXR圖片的精度要高于HDR圖片（RGBA有1024色階）；而HDR圖片的亮度范圍要高于openEXR圖片；但是最關(guān)鍵的點(diǎn)在這里，HDR圖片不能帶alpha非常不方便合成，所以攝影里用的相對(duì)多一些；而openEXR格式除了能帶alpha通道以外，還可以人工置入一些我們?nèi)�維軟件里渲染出來的別的通道，非常適合CG工作者。

附一張各種HDR格式的對(duì)比。

16位整型與16位浮點(diǎn)圖片的區(qū)別

這里要跟大家梳理一個(gè)比較容易混淆的概念。就是16位/通道/像素的圖片，即有可能是HDR的也有可能是LDR的。比如說，你在ps里打開一些jpg圖片，然后你可以在模式里，將圖片的位深度從8位/通道/像素改成16位/通道/像素，但是這并不意味著圖片就被改成openEXR類型，圖片并沒有因此由LDR變成HDR。

這是因?yàn)橥瑯邮?6位/通道/像素，也是有兩種儲(chǔ)存方式的。像工業(yè)光魔的儲(chǔ)存方式我們剛才介紹過了，是一種浮點(diǎn)的儲(chǔ)存方式，結(jié)果是HDR的。但是ps默認(rèn)改成16位/通道/像素，卻是整型的儲(chǔ)存方式，即是說，把黑到白的信息，分配到2的16次方，65536個(gè)色階里去了。0表示黑色，65535表示白色，而其間的一些數(shù)值表示過度的灰階。只是說，相對(duì)于8位的256個(gè)色階，我們儲(chǔ)存的信息量確實(shí)大了很多，色階和色階之間的過度也微妙了很多。但是我們的儲(chǔ)存方式依然是用整數(shù)的方式，并且，我們的最大亮度也不能超過純白。所以，使用16位/通道/像素的整型方式儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的圖片，完全不具有HDR的效果。（16位/通道/像素整型儲(chǔ)存的圖片，主要作用于tone?mapping過程中，浮點(diǎn)數(shù)據(jù)塌陷為整型數(shù)據(jù)之后如果有調(diào)色的步驟，可以使用16位/通道/像素的整型格式作為緩沖格式，進(jìn)行調(diào)色之類的工作，完了之后再把16位/通道/像素的信息塌陷成8位/通道/像素的一般圖片，方便在網(wǎng)上發(fā)布和在pc上瀏覽；如果要打印，可能保留16位/通道/像素的信息以及將色彩空間設(shè)置在adobeRGB會(huì)得到更理想的效果。這是關(guān)于tone?mapping的知識(shí)，不是本篇教程所討論的主要內(nèi)容）

而在mental?ray的frame?buffer中，你是可以設(shè)定你的輸出類型的。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)你有兩種RGBA?4*16Bit，就是說你有兩種16位/通道/像素的圖片儲(chǔ)存方式。其中half類型就是工業(yè)光魔開發(fā)的方式，即是HDR的類型；而short，則是我們剛才說的整點(diǎn)儲(chǔ)存類型，實(shí)則是LDR類型。

所以對(duì)于你渲染輸出的圖來說，如果你想獲得HDR圖片的收益，就要使用RGBA（Half）4*16Bit。

HDR圖片的生成

HDR的圖片，主要有兩種生產(chǎn)方式。一種是我們熟悉的三維軟件渲染，另一種就是用相機(jī)拍攝。而用相機(jī)拍攝的時(shí)候呢，并不像一般拍照那樣，卡擦一下就拍好了。而是要對(duì)著同樣的構(gòu)圖，卡擦卡擦拍好多張，而每張的曝光度要有所差別，最后用軟件將這些曝光度有差異的圖片合成成一張，就得到了我們的HDR了。

所以說，其實(shí)一張HDR圖片，就相當(dāng)于我們正常的n張曝光圖片的合成，就涵蓋了很觀光的亮度范圍。有一句話概括得非常好：HDR圖片相當(dāng)于一個(gè)將當(dāng)時(shí)的光照信息完全記錄下來的打包文件。

所以說，我們每次使用HDR貼圖去照明的時(shí)候，就相當(dāng)于把我們的三維場(chǎng)景放置在當(dāng)時(shí)拍攝的環(huán)境里去照明一樣。所以，有很多時(shí)候，僅僅使用一張HDR貼圖作為你場(chǎng)景的光源就已經(jīng)足夠了。

視頻教程中，我使用自己拍攝的三張照片做了一個(gè)簡單的例子。因?yàn)橛布�的限制，只拍了三張，HDR的作用沒完全體現(xiàn)出來，但也足夠大家體會(huì)了。