하이 다이내믹 레인지 렌더링

High-dynamic-range rendering
비디오 게임 Half-Life 2: Lost Coast의 표준 고정 어터처 렌더링(왼쪽)과 HDR 렌더링(오른쪽)의 비교

하이 다이내믹 레인지 렌더링(HDRR 또는 HDR 렌더링)은 하이 다이내믹 레인지(HDR)에서 이루어지는 조명 계산을 사용하여 컴퓨터 그래픽 장면을 렌더링하는 것입니다.이를 통해 조영비 제한으로 인해 손실될 수 있는 세부 사항을 보존할 수 있습니다.비디오 게임, 컴퓨터 제작 영화 및 특수 효과는 보다 심플한 조명 모델보다 더 사실적인 장면을 연출하기 때문에 이점을 제공합니다.

그래픽스 프로세서 회사인 Nvidia는 HDR의 동기를 3가지로 요약하고 있습니다.밝은 것은 매우 밝을 수 있고 어두운 것은 매우 어두울 수 있으며 세부 사항은 두 가지 모두에서 [1]볼 수 있습니다.

역사

컴퓨터 그래픽에 HDRI(High-Dynamic-Range Imaging)를 사용하는 것은 1985년 Greg Ward에 의해 도입되었으며, 오픈 소스 Radiance 렌더링 및 조명 시뮬레이션 소프트웨어로 높은 다이내믹 레인지 이미지를 유지하는 최초의 파일 형식을 만들었습니다.HDRI는 컴퓨팅 능력, 스토리지 및 캡처 방법의 제약으로 인해 10년 이상 어려움을 겪어 왔습니다.HDRI를 실용화하는 기술은 최근에야[when?] [2][3]개발되었습니다.

1990년 나카메 등은 실제 [4]시뮬레이션에서 하이 다이내믹 레인지 처리의 필요성을 강조하는 시뮬레이터 구동용 조명 모델을 제시했다.

1995년 Greg Spencer는 SIGGRAPH에서 디지털 이미지에 대한 물리적 기반 글레어 효과를 발표하여 플레어 및 사람 [5]눈에 피어나기 위한 정량적 모델을 제공했습니다.

1997년 Paul Debevec은 SIGGRAPH에서 사진으로부터[6] 높은 다이내믹 레인지 방사도 맵을 발표했으며, 이듬해에는 합성 객체를 실제 [7]장면으로 렌더링하는 것을 발표했습니다.이 2개의 페이퍼에서는 로케이션의 HDR 광프로브를 작성한 후 이 프로브를 사용하여 렌더링된 장면을 조명하기 위한 프레임워크가 작성되었습니다.

HDRI와 HDRL(High-Dynamic-Range Image-Based Lighting)은 실제 환경에 3D 객체를 삽입하려면 광탐침 데이터가 필요한 3D 장면에서 많은 상황에서 사용되어 왔습니다.

게임 어플리케이션의 Riven: 1997년 The Secuel to Myst는 스펜서의 [8]논문에 직접 기반한 HDRI 후처리 셰이더를 사용했다.E3 2003 이후 밸브는 소스 엔진이 하이 다이내믹 [9]레인지의 도시 경관을 렌더링하는 데모 무비를 공개했습니다.이 용어는 E3 2004년 Epic Games가 Unreal Engine 3를 선보이고 밸브에서 2005년 Half-Life 2: Lost Coast를 발표했을 때, OGRE 3D와 같은 오픈 소스 엔진과 Nexuiz와 같은 오픈 소스 게임과 함께 훨씬 더 많은 관심을 끌었다.

예

HDR 렌더링의 주요 장점 중 하나는 대비비가 큰 장면의 세부 정보가 유지된다는 것입니다.HDR을 사용하지 않으면 너무 어두운 영역은 검은색으로 클리핑되고 너무 밝은 영역은 흰색으로 클리핑됩니다.이것들은 하드웨어에 의해 순수 검정과 순수 흰색의 부동소수점 값 0.0과 1.0으로 표시됩니다.

HDR 렌더링의 또 다른 측면은 겉보기 밝기를 증가시키는 지각적 신호를 추가하는 것입니다.HDR 렌더링은 반사나 굴절과 같은 광학 현상과 유리와 같은 투명 재료에서도 빛이 보존되는 방식에도 영향을 미칩니다.LDR 렌더링에서는 씬(태양 등)의 매우 밝은 광원의 상한은 1.0입니다.이 빛이 반사될 때 결과는 1.0 이하여야 합니다.다만, HDR 렌더링에서는, 매우 밝은 광원이 실제의 값을 시뮬레이트 하기 위해서 1.0 의 휘도를 넘을 가능성이 있습니다.이를 통해 표면의 반사가 밝은 광원에 대해 사실적인 밝기를 유지할 수 있습니다.

제한 및 보상

사람의 눈

인간의 눈은 약 1,000,000:1의 매우 높은 동적 대비로 장면을 감지할 수 있습니다.적응은 부분적으로는 홍채의 조정과 느린 화학적 변화를 통해 이루어지며, 시간이 걸립니다(예: 밝은 조명에서 칠흑 같은 어둠으로 전환할 때 볼 수 있는 지연).항상, 눈의 정적 범위는 약 10,000:1로 더 작습니다.그러나 이는 여전히 대부분의 디스플레이 [citation needed]기술의 정적 범위보다 높다.

디스플레이 출력

많은 제조업체가 매우 높은 수치를 주장하지만 플라즈마 디스플레이, LCD 디스플레이 및 CRT 디스플레이는 실제 콘트라스트비의 극히 일부만을 제공할 수 있으며, 일반적으로 이상적인 [citation needed]조건에서 측정됩니다.일반 보기 조건에서는 실제 컨텐츠의 동시 대비가 상당히 낮습니다.

어두운 장면의 백라이트를 자동적으로 줄이면, LCD 모니터의 다이내믹 레인지를 어느 정도 늘릴 수 있습니다.예를 들어, LG는 이 기술을 "디지털 미세 대비([10]Digital Fine Contrast)"라고 부르고, 삼성은 "동적 대비(Dynamic Contrast ratio)"라고 표현합니다.또 다른 기술은 예를 들어 BrightSide [11]Technologies가 개발한 시스템에서 LED 백라이트를 밝고 어둡게 배열하는 것입니다.

유기발광다이오드(OLED) 디스플레이는 플라즈마와 비슷하지만 전력 소비량이 적은 LCD보다 더 나은 다이내믹 레인지 기능을 가지고 있다.제709호에서는 HDTV의 색공간을 정의하고, 제2020호에서는 초고화질 TV의 색공간을 확대하지만 아직 불완전한 색공간을 정의하고 있습니다.

옅은 꽃

주요 기사:Bloom(그림자 효과)

빛은 인간의 수정체에 산란된 결과인데, 인간의 뇌는 이를 장면의 밝은 점으로 해석한다.예를 들어, 배경의 밝은 빛은 전경에 있는 물체에 반사되는 것처럼 보입니다.이것은 환상을 만들어, 밝은 점을 [5]실제보다 밝게 보이게 하는 데 사용할 수 있습니다.

플레어

주요 기사:렌즈 플레어

플레어는 작은 광원으로부터 나오는 빛의 "선"을 발생시키는 인간 수정체의 빛의 회절이며, 또한 일부 색채 효과를 초래할 수 있습니다.시야각이 [5]작기 때문에 점광원에서 가장 잘 보입니다.

그렇지 [non sequitur]않으면 HDR 렌더링 시스템은 렌더링된 상황에서 눈으로 볼 수 있는 모든 동적 범위를 디바이스의 기능에 매핑해야 합니다.이 톤 맵핑은 가상 장면 카메라가 보는 것과 관련된 것으로, 예를 들어 어두운 동굴에서 직사광선을 쬐는 공기 중의 먼지나 눈의 산란을 시뮬레이트 하는 등, 몇개의 전체 화면 효과와 조합되어 실시됩니다.

톤 매핑과 블루밍 셰이더를 함께 사용하여 이러한 효과를 시뮬레이션할 수 있습니다.

톤 맵핑

주요 기사:톤 맵핑

그래픽스 렌더링의 맥락에서 톤 매핑은 높은 다이내믹 레인지(조명 계산을 수행하는 경우)에서 원하는 디스플레이 디바이스의 기능에 일치하는 낮은 다이내믹 레인지로 색상을 매핑하기 위해 사용되는 기술입니다.일반적으로 매핑은 비선형입니다.어두운 색상의 범위를 충분히 유지하고 밝은 색상의 동적 범위를 점차 제한합니다.이 기술을 사용하면 전체적인 디테일과 대비가 좋은 시각적으로 매력적인 이미지를 만들 수 있습니다.컴퓨터 게임에서 사용되는 간단한 실시간 방법에서부터 인간의 시각 시스템의 지각 반응을 모방하려는 더 정교한 기술까지 다양한 톤 매핑 연산자가 존재합니다.

컴퓨터 엔터테인먼트의 응용 프로그램

현재 HDRR은 주로 PC, Microsoft의 Xbox 360, Sony의 PlayStation 3용 게임에서 널리 사용되고 있습니다.플레이스테이션2, 게임큐브, 엑스박스, 아미가 시스템에서도 시뮬레이트 되고 있다.Sproing Interactive Media는 그들의 새로운 Wii용 아테나 게임 엔진이 HDRR을 지원할 것이며, 이를 지원하는 시스템 목록에 Wii를 추가할 것이라고 발표했다.

데스크톱 퍼블리싱 및 게임에서는 색상 값이 여러 번 처리되는 경우가 많습니다.여기에는 곱셈과 나눗셈(반올림 오차가 누적될 수 있음)이 포함되므로 16비트 정수 또는 16비트 부동소수점 형식의 확장된 정확도와 범위가 있으면 유용합니다.이는 하드웨어에 따라서는 상기의 제한에 관계없이 도움이 됩니다.

DirectX를 통한 HDRR 개발

DirectX 8을 탑재한 Shader Model 1.0이 출시되면서 복잡한 쉐이더 효과가 시작되었습니다.Shader Model 1.0은 이른바 표준 조명으로 3D 세계를 비추었습니다.그러나 표준 조명에는 두 가지 문제가 있었습니다.

  1. 조명 정밀도는 8비트 정수로 제한되어 콘트라스트비가 256:1로 제한되었습니다.HVS 컬러 모델을 사용하는 경우 색상의 값(V) 또는 밝기의 범위는 0 ~255입니다.즉, 가장 밝은 흰색(값 255)은 순수한 검은색(값 0)보다 가장 어두운 색조보다 255단계만 밝습니다.
  2. 조명 계산은 정수를 기반으로 했습니다. 실제 세계는 정수에 국한되지 않기 때문에 그만큼 정확하지 않았습니다.

2002년 12월 24일 Microsoft는 DirectX의 새로운 버전을 출시했습니다.DirectX 9.0에서는 Shader Model 2.0이 도입되어 하이 다이내믹 레인지 이미지의 렌더링에 필요한 컴포넌트 중 하나가 제공되었습니다.조명 정밀도는 8비트로 한정되지 않았습니다.응용 프로그램에서는 8비트가 최소였지만 프로그래머는 조명 정밀도를 위해 최대 24비트를 선택할 수 있었습니다.그러나 모든 계산은 여전히 정수 기반이었다.DirectX 9.0을 네이티브로 지원하는 최초의 그래픽 카드 중 하나는 ATI의 Radeon 9700이었지만, 그 후 몇 년 동안 이 효과가 게임에 프로그래밍되지 않았습니다.2003년 8월 23일 Microsoft는 DirectX를 DirectX 9.0b로 업데이트하여 ATI의 Radeon X 시리즈 및 NVIDIA의 GeForce FX 시리즈 그래픽 처리 장치용 픽셀 셰이더 2.x(확장) 프로파일을 활성화했습니다.

2004년 8월 9일 Microsoft는 DirectX를 DirectX 9.0c로 다시 업데이트했습니다.이것에 의해, High-Level Shader Language(HLSL)의 Shader Model 3.0 프로파일도 공개되었습니다.셰이더 모델 3.0의 조명 정밀도는 2.0의 8비트가 아닌 최소 32비트입니다.또한 모든 조명 정밀도 계산은 부동 소수점 기반입니다.NVIDIA에 따르면 셰이더 모델 3.0을 사용한 콘트라스트비는 32비트 조명 정밀도를 사용한 경우 65535:1까지 높아집니다.처음에 HDRR은 Shader-Model-3.0 효과가 있는 비디오 카드에서만 가능했지만 소프트웨어 개발자들은 곧 Shader Model 2.0에 대한 호환성을 추가했다.참고로 HDRR은 Shader Model 3.0 HDR로 불리며 FP16 블렌딩으로 이루어집니다.FP16 블렌딩은 Shader Model 3.0에는 포함되어 있지 않지만 Shader Model 3.0을 지원하는 카드가 대부분 지원됩니다(GeForce 6200 시리즈는 예외).FP16 블렌딩은 비디오 게임에서 HDR을 렌더링하는 더 빠른 방법으로 사용할 수 있습니다.

Shader Model 4.0은 Windows Vista와 함께 출시된 DirectX 10의 기능입니다.Shader Model 3.0에서는 64비트 HDR과 달리 Shader Model 4.0에서는 128비트 HDR 렌더링이 가능합니다.

셰이더 모델 5.0은 DirectX 11의 기능입니다.HDR 텍스처를 6:1 압축할 수 있어 큰 손실은 없습니다.이는 이전 버전의 DirectX HDR 텍스처 압축 기술로 널리 사용되고 있습니다.

OpenGL을 통한 HDRR 개발

OpenGL 1.4 이후부터는 GLSL 셰이더를 통해 HDRR을 개발할 수 있습니다.

HDR 렌더링을 지원하는 게임 엔진

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Simon Green and Cem Cebenoyan (2004). "High Dynamic Range Rendering (on the GeForce 6800)" (PDF). GeForce 6 Series. nVidia. p. 3.
  2. ^ Reinhard, Erik; Greg Ward; Sumanta Pattanaik; Paul Debevec (August 2005). High Dynamic Range Imaging: Acquisition, Display, and Image-Based Lighting. Westport, Connecticut: Morgan Kaufmann. ISBN 978-0-12-585263-0.
  3. ^ Greg Ward. "High Dynamic Range Imaging" (PDF). anywhere.com. Retrieved 18 August 2009.
  4. ^ Eihachiro Nakamae; Kazufumi Kaneda; Takashi Okamoto; Tomoyuki Nishita (1990). A lighting model aiming at drive simulators. SIGGRAPH. p. 395. doi:10.1145/97879.97922. ISBN 978-0201509335. S2CID 11880939.
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  6. ^ Paul E. Debevec and Jitendra Malik (1997). "Recovering high dynamic range radiance maps from photographs". SIGGRAPH.
  7. ^ Paul E. Debevec (1998). "Rendering synthetic objects into real scenes: bridging traditional and image-based graphics with global illumination and high dynamic range photography". SIGGRAPH.
  8. ^ Forcade, Tim (February 1998). "Unraveling Riven". Computer Graphics World.
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외부 링크