ओपनजीएल जानें। पाठ 5.7 - एचडीआर

फ़्रेमबफ़र पर लिखते समय, रंगों की चमक के मूल्यों को अंतराल से 0.0 से 1.0 तक कम किया जाता है। इस वजह से, पहली नज़र में हानिरहित, सुविधा, हमें हमेशा प्रकाश और रंगों के लिए ऐसे मूल्यों को चुनना होगा जो वे इस प्रतिबंध में फिट होते हैं। यह दृष्टिकोण काम करता है और सभ्य परिणाम देता है, लेकिन क्या होता है अगर हम विशेष रूप से उज्ज्वल क्षेत्र को बहुत सारे उज्ज्वल प्रकाश स्रोतों से मिलते हैं, और कुल चमक 1.0 से अधिक है? नतीजतन, 1.0 से अधिक सभी मान 1.0 में परिवर्तित हो जाएंगे, जो बहुत अच्छा नहीं लगता है:

चूंकि बड़ी संख्या में अंशों के लिए रंग मान कम होकर 1.0 हो जाते हैं, इसलिए छवि के बड़े क्षेत्रों को एक ही सफेद रंग से भर दिया जाता है, महत्वपूर्ण संख्या में छवि विवरण खो जाते हैं, और छवि स्वयं अप्राकृतिक दिखना शुरू हो जाती है।

इस समस्या का समाधान प्रकाश स्रोतों की चमक को कम करने के लिए हो सकता है ताकि मंच पर 1.0 की तुलना में कोई टुकड़े उज्जवल न हों: यह सबसे अच्छा समाधान नहीं है, जो अवास्तविक प्रकाश मूल्यों के उपयोग को मजबूर करता है। सबसे अच्छा तरीका यह है कि चमक मूल्यों को अस्थायी रूप से 1.0 की चमक को पार करने की अनुमति दी जाए और अंतिम चरण में रंगों को बदल दिया जाए ताकि चमक 0.0 से 1.0 तक की सीमा में वापस आ जाए, लेकिन छवि विस्तार के नुकसान के बिना।

कंप्यूटर डिस्प्ले 0.0 से 1.0 तक चमक के साथ रंग दिखाने में सक्षम है, लेकिन प्रकाश की गणना करते समय हमारे पास ऐसी कोई सीमा नहीं है। टुकड़े के रंगों को एकता की तुलना में उज्जवल होने की अनुमति देकर, हमें काम के लिए एक उच्च चमक रेंज मिलती है - एचडीआर (उच्च गतिशील) । एचडीआर के साथ, उज्ज्वल चीजें उज्ज्वल दिखती हैं, अंधेरे चीजें वास्तव में अंधेरे हो सकती हैं, और ऐसा करने में हम विवरण देखेंगे।

प्रारंभ में, फोटोग्राफी में एक उच्च गतिशील रेंज का उपयोग किया गया था: फोटोग्राफर ने विभिन्न जोखिमों के साथ दृश्य के कई समान तस्वीरें लीं, लगभग किसी भी चमक के रंगों को कैप्चर किया। इन तस्वीरों का संयोजन एक एचडीआर छवि बनाता है जिसमें अधिकांश विवरण विभिन्न एक्सपोज़र लॉस के साथ छवियों के संयोजन के कारण दिखाई देते हैं। उदाहरण के लिए, बाईं छवि के नीचे छवि के अत्यधिक प्रकाशित टुकड़े स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहे हैं (खिड़की को देखें), लेकिन उच्च जोखिम का उपयोग करते समय ये विवरण गायब हो जाते हैं। हालांकि, उच्च जोखिम छवि के अंधेरे क्षेत्रों पर विवरण बनाता है जो पहले दिखाई नहीं दे रहे थे।

यह मानव आंख के काम करने के तरीके के समान है। प्रकाश की कमी के साथ, आंख का पालन होता है, ताकि अंधेरे विवरण स्पष्ट रूप से दिखाई दें, और इसी तरह उज्ज्वल क्षेत्रों के लिए। यह कहा जा सकता है कि दृश्य की चमक के आधार पर मानव आंख का एक स्वचालित जोखिम नियंत्रण होता है।

एचडीआर रेंडरिंग उसी तरह से काम करता है। जब हम दृश्य के उज्ज्वल और अंधेरे विवरण के बारे में जानकारी एकत्र करने के लिए चमक मूल्यों की एक बड़ी रेंज का उपयोग करने के लिए प्रतिपादन करते हैं, और अंत में हम एचडीआर रेंज से मानों को एलडीआर (कम गतिशील सीमा, 0 से 1 तक सीमा) में बदल देंगे। इस परिवर्तन को टोन मैपिंग कहा जाता है, एलडीआर में परिवर्तित होने पर अधिकांश छवि विवरणों को संरक्षित करने के उद्देश्य से बड़ी संख्या में एल्गोरिदम हैं। इन एल्गोरिदम में अक्सर एक एक्सपोजर सेटिंग होती है जो उन्हें छवि के उज्ज्वल या अंधेरे क्षेत्रों को बेहतर ढंग से दिखाने की अनुमति देती है।

एचडीआर का उपयोग करते हुए जब रेंडरिंग हमें 0 से 1 तक केवल एलडीआर सीमा से अधिक नहीं होने देता है और अधिक छवि विवरण बचाता है, लेकिन प्रकाश स्रोतों की वास्तविक चमक को इंगित करना भी संभव बनाता है। उदाहरण के लिए, सूरज में टॉर्च जैसी किसी चीज की तुलना में प्रकाश की बहुत अधिक चमक होती है, इसलिए सूर्य को इस पर सेट क्यों नहीं किया जाता है (उदाहरण के लिए, इसे 10.0 की चमक दें)? यह हमें अधिक यथार्थवादी चमक मापदंडों के साथ दृश्य की रोशनी को बेहतर ढंग से समायोजित करने की अनुमति देगा, जो कि एलडीआर प्रतिपादन और 0 से 1 तक एक चमक रेंज के साथ असंभव होगा।

चूंकि डिस्प्ले केवल 0 से 1 तक चमक दिखाता है, हम मॉनिटर की रेंज में उपयोग किए गए एचडीआर मानों को वापस सीमा में बदलने के लिए मजबूर हैं। बस सीमा को स्केल करना एक अच्छा समाधान नहीं होगा, क्योंकि उज्ज्वल क्षेत्र छवि पर हावी होने लगेंगे। हालांकि, हम एचडीआर मूल्यों को एलडीआर में बदलने के लिए विभिन्न समीकरणों या घटता का उपयोग कर सकते हैं, जो हमें दृश्य की चमक पर पूरा नियंत्रण देगा। इस परिवर्तन को टोन मैपिंग कहा जाता है और यह एचडीआर रेंडरिंग का अंतिम चरण है।

फ्लोटिंग पॉइंट फ्रेमबफ़र

एचडीआर रेंडरिंग को लागू करने के लिए, हमें मानों को रोकने के लिए एक तरह की आवश्यकता होती है, जो कि खंड 1 से 1 तक लाया जा सकता है। यदि फ़्रेमबफ़र रंगीन बफ़र्स के लिए सामान्यीकृत निश्चित-बिंदु प्रारूप (GL_RGB) का उपयोग करता है, तो OpenGL स्वचालित रूप से फ़्रेमबफ़र पर सहेजने से पहले मूल्यों को सीमित करता है। यह प्रतिबंध फ़्लोटिंग पॉइंट प्रारूपों को छोड़कर अधिकांश फ़्रेमबफ़र प्रारूपों पर लागू होता है।

रेंज [0.0..1.0] के बाहर आने वाले मानों को संग्रहीत करने के लिए, हम निम्न प्रारूपों के साथ एक रंगीन बफर का उपयोग कर सकते हैं: GL_RGB16F, GL_RGBA16F, GL_RGB32F or GL_RGBA32F । यह hdr रेंडरिंग के लिए बहुत अच्छा है। इस तरह के बफर को फ्लोटिंग पॉइंट फ्रेमबफ़र कहा जाएगा।

एक फ़्लोटिंग पॉइंट बफ़र बनाना एक नियमित बफ़र से भिन्न होता है, केवल यह एक भिन्न आंतरिक स्वरूप का उपयोग करता है:

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

डिफ़ॉल्ट रूप से OpenGL फ्रेमबफ़र प्रत्येक रंग को संग्रहीत करने के लिए केवल 8 बिट्स का उपयोग करता है। GL_RGB32F या GL_RGBA32F प्रारूपों के साथ फ़्लोटिंग पॉइंट GL_RGBA32F , प्रत्येक रंग को स्टोर करने के लिए 32 बिट्स का उपयोग किया जाता है - 4 गुना अधिक। यदि बहुत अधिक सटीकता की आवश्यकता नहीं है, तो GL_RGBA16F प्रारूप काफी पर्याप्त होगा।

यदि रंग के लिए एक फ़्लोटिंग पॉइंट बफर फ्रेमबफ़र से जुड़ा हुआ है, तो हम इसमें दृश्य को ध्यान में रख सकते हैं कि रंग मान 0 से 1 तक की सीमा तक सीमित नहीं होंगे। इस लेख के लिए कोड में, हम पहले दृश्य को फ़्लोटिंग पॉइंट फ्रेमबफ़र में जमा करते हैं और फिर सामग्री प्रदर्शित करते हैं। एक आधा स्क्रीन आयत पर रंग बफ़र्स। यह कुछ इस तरह दिखता है:

 glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, hdrFBO); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // [...]    hdr glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0); //  hdr    2     hdrShader.use(); glActiveTexture(GL_TEXTURE0); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, hdrColorBufferTexture); RenderQuad(); 

यहाँ रंग बफर में निहित रंग मान 1 से अधिक हो सकता है। इस लेख के लिए, एक दृश्य एक बड़े लम्बी क्यूब के साथ बनाया गया था, जो प्रकाश के चार बिंदु स्रोतों के साथ एक सुरंग जैसा दिखता है, जिसमें से एक सुरंग के अंत में स्थित है और इसमें शानदार चमक है।

 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)); 

फ्लोटिंग पॉइंट बफर को रेंडर करना बिल्कुल वैसा ही है जैसे हम सीन को रेगुलर फ्रेमबफ़र को दे रहे थे। केवल नई चीज खंडित एचडीआर शेडर है, जो एक बनावट से मूल्यों के साथ एक पूर्ण-स्क्रीन आयत की एक सरल छायांकन से संबंधित है, जो एक फ्लोटिंग-पॉइंट रंग बफर है। शुरू करने के लिए, आइए एक सरल शेडर लिखें जो इनपुट डेटा को अपरिवर्तित करता है:

 #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); } 

हम रंगीन बफर के फ्लोटिंग पॉइंट से इनपुट लेते हैं और इसे shader के आउटपुट मान के रूप में उपयोग करते हैं। हालाँकि, चूंकि 2D आयत को डिफ़ॉल्ट रूप से फ्रेमबफ़र में प्रस्तुत किया जाता है, इसलिए shader का आउटपुट मान 0 से 1 तक अंतराल तक सीमित रहेगा, इस तथ्य के बावजूद कि कुछ स्थानों पर मान 1 से अधिक हैं।

यह स्पष्ट हो जाता है कि सुरंग के अंत में बहुत बड़े रंग मूल्य एकता तक सीमित हैं, क्योंकि छवि का एक महत्वपूर्ण हिस्सा पूरी तरह से सफेद है, और हम छवि विवरण खो देते हैं जो एकता की तुलना में उज्जवल हैं। चूंकि हम एचडीआर मानों का उपयोग सीधे एलडीआर के रूप में करते हैं, इसलिए यह एचडीआर नहीं होने के बराबर है। इसे ठीक करने के लिए, हमें छवि में कोई विवरण खोए बिना 0 से 1 के बीच अलग-अलग रंग मानों को वापस दिखाना होगा। ऐसा करने के लिए, तानवाला संपीड़न लागू करें।

टोन संपीड़न

टोन संपीड़न रंग मानों का रूपांतरण है जो उन्हें छवि विवरण खोए बिना 0 से 1 तक की सीमा में फिट करता है, अक्सर छवि को वांछित सफेद संतुलन देने के संयोजन में।

सरलतम टोन मैपिंग एल्गोरिथ्म को रेइनहार्ड टोन मैपिंग एल्गोरिदम के रूप में जाना जाता है। यह LDR रेंज में किसी भी HDR मान को प्रदर्शित करता है। इस एल्गोरिथ्म को पिछले टुकड़े shader में जोड़ें, और गामा सुधार (और SRGB बनावट का उपयोग) भी लागू करें।

 void main() { const float gamma = 2.2; vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb; //   vec3 mapped = hdrColor / (hdrColor + vec3(1.0)); // - mapped = pow(mapped, vec3(1.0 / gamma)); FragColor = vec4(mapped, 1.0); } 

लगभग। प्रति। - x के छोटे मानों के लिए, फ़ंक्शन x / (1 + x) लगभग x की तरह व्यवहार करता है, बड़े x के लिए यह एकता को दर्शाता है। फंक्शन ग्राफ:

रेनहार्ड टोन संपीड़न के साथ हम अब छवि के उज्ज्वल क्षेत्रों में विस्तार नहीं खोते हैं। एल्गोरिथ्म उज्ज्वल क्षेत्रों को प्राथमिकता देता है, जिससे अंधेरे क्षेत्र कम विशिष्ट होते हैं।

यहां आप फिर से लकड़ी के बनावट जैसे छवि के अंत में विवरण देख सकते हैं। इस अपेक्षाकृत सरल एल्गोरिथ्म के साथ, हम एचडीआर रेंज से किसी भी रंग को स्पष्ट रूप से देख सकते हैं और छवि विवरण खोए बिना दृश्य की रोशनी को नियंत्रित कर सकते हैं।

यह ध्यान देने योग्य है कि हम प्रकाश की गणना करने के लिए अपने shader के अंत में सीधे तानवाला संपीड़न का उपयोग कर सकते हैं, और फिर हमें एक फ्लोटिंग पॉइंट फ्रेमबफ़र की बिल्कुल भी आवश्यकता नहीं है। हालांकि, अधिक जटिल दृश्यों में, आप अक्सर फ़्लोटिंग पॉइंट बफ़र्स में मध्यवर्ती एचडीआर मूल्यों को संग्रहीत करने की आवश्यकता का सामना करेंगे, इसलिए यह काम में आएगा।

टोन संपीड़न की एक और दिलचस्प विशेषता एक एक्सपोजर पैरामीटर का उपयोग है। आपको याद हो सकता है कि लेख की शुरुआत में छवियों में विभिन्न विवरण विभिन्न जोखिम मूल्यों पर दिखाई दे रहे थे। यदि हमारे पास एक दृश्य है जिसमें दिन और रात बदलते हैं, तो यह दिन के दौरान कम प्रदर्शन और रात में उच्च का उपयोग करने के लिए समझ में आता है, जो मानव आंख के अनुकूलन के समान है। इस एक्सपोज़र पैरामीटर के साथ, हम प्रकाश मापदंडों को कॉन्फ़िगर कर सकते हैं जो विभिन्न प्रकाश स्थितियों के तहत दिन और रात काम करेंगे।

एक्सपोज़र के साथ अपेक्षाकृत सरल तानवाला संपीड़न एल्गोरिथम इस तरह दिखता है:

 uniform float exposure; void main() { const float gamma = 2.2; vec3 hdrColor = texture(hdrBuffer, TexCoords).rgb; //     vec3 mapped = vec3(1.0) - exp(-hdrColor * exposure); // - mapped = pow(mapped, vec3(1.0 / gamma)); FragColor = vec4(mapped, 1.0); } 

लगभग। प्रति: 1 और 2 एक्सपोज़र वाले इस फ़ंक्शन के लिए एक ग्राफ़ जोड़ें:

यहां हमने एक्सपोज़र के लिए एक वैरिएबल को परिभाषित किया, जो डिफ़ॉल्ट रूप से 1 है और हमें छवि के अंधेरे और उज्ज्वल क्षेत्रों के प्रदर्शन की गुणवत्ता के बीच संतुलन को अधिक सटीक रूप से चुनने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, एक बड़े प्रदर्शन के साथ, हम छवि के अंधेरे क्षेत्रों में बहुत अधिक विस्तार देखते हैं। इसके विपरीत, कम जोखिम अंधेरे क्षेत्रों को अविभाज्य बनाता है, लेकिन आपको छवि के उज्ज्वल क्षेत्रों को बेहतर ढंग से देखने की अनुमति देता है। नीचे विभिन्न एक्सपोज़र स्तरों के साथ एक सुरंग की छवियां हैं।

ये चित्र स्पष्ट रूप से hdr रेंडरिंग के लाभों को दिखाते हैं। जैसे-जैसे एक्सपोज़र का स्तर बदलता है, हम उस दृश्य का अधिक विवरण देखते हैं जो सामान्य रेंडरिंग में खो जाएगा। सुरंग के अंत को एक उदाहरण के रूप में लें - एक सामान्य जोखिम के साथ, पेड़ की बनावट मुश्किल से दिखाई देती है, लेकिन कम जोखिम के साथ, बनावट पूरी तरह से दिखाई देती है। इसी तरह, उच्च जोखिम पर, अंधेरे क्षेत्रों में विवरण बहुत स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं।

डेमो के लिए सोर्स कोड यहाँ है।

अधिक एचडीआर

जो दो टोन संपीड़न एल्गोरिदम दिखाए गए हैं, वे बड़ी संख्या में अधिक उन्नत एल्गोरिदम के बीच केवल एक छोटा हिस्सा हैं, जिनमें से प्रत्येक की अपनी ताकत और कमजोरियां हैं। कुछ एल्गोरिदम बेहतर रंग / चमक पर जोर देते हैं, कुछ एल्गोरिदम एक ही समय में अंधेरे और उज्ज्वल क्षेत्रों को दिखाते हैं, अधिक रंगीन और विस्तृत चित्र देते हैं। कई तरीके भी हैं जिन्हें स्वचालित जोखिम समायोजन या आंख अनुकूलन के रूप में जाना जाता है। वे पिछले फ्रेम में दृश्य की चमक को निर्धारित करते हैं और (धीरे ​​से) एक्सपोजर पैरामीटर को बदलते हैं, ताकि अंधेरे दृश्य धीरे-धीरे उज्जवल हो जाए, और उज्ज्वल - गहरा: मानव आंख की आदत के समान।

एचडीआर का वास्तविक लाभ बड़े और जटिल दृश्यों पर गंभीर प्रकाश एल्गोरिदम के साथ सबसे अच्छा देखा जाता है। प्रशिक्षण उद्देश्यों के लिए, इस लेख ने सबसे सरल संभव दृश्य का उपयोग किया, क्योंकि एक बड़ा दृश्य बनाना मुश्किल हो सकता है। दृश्य की सादगी के बावजूद, एचडीआर रेंडरिंग के कुछ फायदे इस पर दिखाई देते हैं: छवि के अंधेरे और उज्ज्वल क्षेत्रों में, विवरण खो नहीं जाते हैं, क्योंकि वे टोन संपीड़न का उपयोग करके सहेजे जाते हैं, कई प्रकाश स्रोतों के अलावा सफेद क्षेत्रों की उपस्थिति नहीं होती है, और मूल्यों को एलडीआर में फिट होने की आवश्यकता नहीं है। रेंज।

इसके अलावा, एचडीआर रेंडरिंग कुछ दिलचस्प प्रभावों को अधिक विश्वसनीय और यथार्थवादी बनाता है। इन प्रभावों में से एक खिलना है, जिसे हम भविष्य के लेख में चर्चा करेंगे।

अतिरिक्त संसाधन:

• एक बहुत लंबे उत्तर के साथ एक स्टैकएक्सचेंज प्रश्न जो एचडीआर रेंडरिंग के कुछ लाभों का वर्णन करता है : क्या एचडीआर रेंडरिंग का कोई लाभ है अगर ब्लूम लागू नहीं होगा?
• तानल संपीड़न के उदाहरण के रूप में अच्छी छवियों के साथ एक और दिलचस्प जवाब। टोन मैपिंग क्या है? यह एचडीआर से कैसे संबंधित है?

पुनश्च हमारे पास तबादलों के समन्वय के लिए एक तार है । यदि आपको अनुवाद में मदद करने की गंभीर इच्छा है, तो आपका स्वागत है!