HDR圖在三維動畫應用中的研究

羅運毛　汪濤

【摘要】使用HDR圖像來照亮場景，已是越來越受歡迎的方法。布光在制作三維動畫是一個非常復雜的事情，經常要打幾十個甚至上百個燈才能得到好的結果。如今只需要一張照片就可以解決照明問題。時代的進步，機器的速度有了成倍的增長，現在每個人都可以用GI了，理論上已經不需要再手動布場景中的光。你可以選擇手動的方式布光設置更接近真實的光源，同時也可以選擇HDR貼圖來照亮你的三維動畫場景。

【關鍵詞】HDR燈光；GI通道；反射

一、HDR的概述

（一）HDR的定義

高動態范圍圖像（High-Dynamic Range，簡稱HDR），與普通的圖像相比較，它可以提供更多的動態范圍與圖像細節，不同的曝光的LDR（Low-Dynamic Range）圖像，利用不同的曝光對應的LDR圖來合成所需要的HDR圖。

如上所述HDR稱為高動態范圍，什么是高動態范圍，如現實存在的亮度差，最亮的物體亮度和最暗的物體亮度比為十的八次方，而人類的眼睛所能看到的范圍是十的五次方左右，但是一般的顯示器，照相機能表示的只有256種不同的亮度。我們可以用不同的曝光度多拍幾張照片甚至幾十張，曝光這些照片依次增大，隨著曝光的增大，照片會變亮，換一個角度說，照片的細節將由深變淺。

根據上述的原則，如果相機拍了很多照片合成，對比圖片效果的大小一般是四的十五次方。這樣問題就出現了，或者更高數量級的亮度只能存在電腦里，而一般的顯示器只能表示個亮度數量級，用256個數字來模擬二的十六次方所能表示的信息，這種模擬的方法就是HDR技術核心內容之一，學名叫Tone-Mapping。用色調映射壓縮后，合成的HDR圖像就能很好地顯示，可以提供一個令人影像深刻的圖片。

（二）HDR與LDR的區別

我們所說的低動態范圍圖像（LDR），它所指的是標值為整數類型存儲圖片。而HDR指的是以浮點值型存儲圖片。整數和浮點是計算機編程里所說的概念，也就是數學中的整數和小數。這些超出了顯示器顯示范圍外的數據因為不能被我們肉眼看到。那這些數據我們能拿來干什么呢？HDR圖像將主要用于攝影和三維動畫兩，主要的一點是它的動態范圍足夠大。當我們用相機去拍攝的時候，如果你直接拍攝天空，那么太陽和太陽附近，由于亮度太大，得到的亮度信息就會不夠完善，也就是曝光過度了。如果你使用HDR技術拍攝天空中的太陽，雖然直觀效果也白一塊，但是在軟件部分，我們可以通過調整曝光，所以隱藏在純白色的片內的亮度信息逐漸顯露。如前所述，HDR圖像可以是一個非常廣泛的信息存儲，有很多在你的屏幕上的信息不能被直接觀察到，只能通過調整曝光觀察。

雖然人的肉眼無法直接看到這些被隱藏的圖片信息，但這些信息是真實存在的。雖然肉眼無法直接看到但是在后期軟件中通過調整曝光值是可以觀察到的，特別是暗部和亮部的信息，在制作三維動畫時我們就可以利用這些信息來照亮場景。

二、三維動畫制作中HDR圖的應用

（二）HDR貼圖的制作

用普通的相機拍攝原始照片材料，為了最盡可能保留豐富細節的場景，制作HDR格式圖片需要拍攝4到8張一樣的場景，每張圖片用不同的曝光度進行拍攝，最后將所有照片在后期軟件中進行合成。至于調整曝光的方法，如果手動調整光圈那么景深將會發生變化，如果改變ISO、又會產生很大的噪點。所以應選擇改變快門速度調整曝光。改變快門速度有兩種方式。第一可以轉換到快門優先模式，使用自動包圍曝光，二是進入手動模式，你不需要進入菜單設置這樣可以更快、更準確，拍攝4張至8張。使用手動對焦的方式，以避免焦點發生變化。將ISO值調到最低，再將光圈數值調到最大。最好將相機放在三腳架上有用遙控拍攝這樣可以保證場景完全的相同。格式用RAW以便保留照片細節方便后期。

（二）關于創建HDR貼圖照明環境

HDR貼圖照明環境的建立打開Maya，模型，在渲染設置切換到mental ray渲染。打開渲染設置點擊image based lighting，在圖像文件夾中創建全球環境為HDR全景圖導入需要的場景照明環境HDR圖片。

三、HDR技術使用過程中面臨的問題

（一）GI通道噪點的產生與原因

HDR圖不能夠直接對三維動畫場景進行照明，需要根據GI操作來照亮場景。大部分的時候，因為HDR圖像內容十分豐富，會使得GI通道產生很大的噪點，一般情況下可以通過提高精度的方式減少噪點的產生，但是這樣一來就會很大的增加渲染時間。

GI決策模型中每個點上的燈光顏色和亮度，將首先從相機的像素發出的光線，當光線擊中像素會以半球形狀爆開向外散射，這些光線射到場景里面找到環境亮度和色彩信息結束后會將所有的光線信息收集，除以向外散射的光線，會得出一個平均的數值。這個平均值就是這個像素的GI信息。

對于對比度稍大的HDR圖肯定有一些地方突出，比如說太陽。太陽在圖片中的比例很小，但卻格外明亮。當有射線射到太陽時，會增加平均亮度的數量。當采樣不高時，會出現在采樣光線全部射空。一條射線都沒有射向太陽，這樣一來這個像素點的亮度就會比較小。

由于采樣是隨機的機制，有時候即使采樣值不高也會有射線射到太陽。這時候這個像素點所得到的亮度平均值就會比較亮。當GI采樣低時這個每個像素點所射出的射線就少，那么射中太陽的概率就會變低，但也有射中太陽的可能性。因此你渲染出的GI通道就會產生噪點。

（二）GI通道噪點的解決方案

從它的原因，在一些地方的場景反差極大，區域小，這就很難射中。首先我們把HDR圖進行模糊處理，減少圖像區域與區域之間的差異，這樣圖片的亮度信息就更加均勻高亮地方的面積也會變大，射線就更容易擊中。所以，當你能保持GI精度不高，仍然可以得到一個很好的GI通道。因為GI影響的是漫反射效果，漫反射又對光線的細節信息不怎么敏感。只要我們有一個太陽在同一方向，亮度保持不變，那么漫反射的效果就基本不變。

由于HDR圖進行過模糊處理，在場景中有反射物體的時候，渲染的圖片中反射也會變得模糊。當需要HDR圖片作為場景的背景時背景也會變成模糊的。這時就需要打開渲染器自身的設置了。將背景反射和折射設為清晰的HDR圖以及將GI通道使用模糊的HDR圖。

可以看出消除噪點，需要很高的精度模糊反射。但渲染時間會迅速上升。有沒有類似的只是一種微妙的方式一舉兩得？當然有，精度為32時有噪點主要集中在白光的地方，實際上白色的地方反射的是太陽。這時最大的難題是太陽光問題。這里，有一個很巧妙的方法，既然產生噪點的是太陽，那么我們在圖片上直接把太陽給抹掉。這樣看起來好像沒有燈光效果。但是我們可以在圖片上相同的位置，放置一個平行光，或太陽節點，模擬太陽，只要知道位置，電腦能自動計算模糊效果非常完美。

四、HDR技術在制作三維動畫中的優勢

（一）HDR對GI和漫反射的影響

在三維動畫制作中為什么會選擇用HDR圖來對場景進行照明，而不是用傳統的JPG圖？我們將一個HDR圖像，在PS中保存一個JPG版本，原來的HDR圖像和JPG版本分別使用進行照明對比差異。可以看出JPG圖像的光照渲染效果比較平淡，缺乏細節，完全沒有保留原圖像色彩信息。對比后HDR照明效果好很多，在三維場景中只有一張HDR圖照明也出現了陰影，顏色保留的也非常豐富。

（二）使用HDR技術出圖的優勢

使用HDR圖照明三維動畫場景明顯優于LDR圖片。同樣的，在渲染圖片時也可以選擇將圖片格式輸出為HDR圖片格式。保存為HDR格式的圖片會更真實的保留原始的數據不會有丟失，更有利后期的調整。而Jpg的圖片會丟失圖片很多細節。