ハイダイナミックレンジレンダリング

ハイダイナミックレンジレンダリング( HDRRまたはHDR レンダリング) は、ハイダイナミックレンジ照明とも呼ばれ、ハイダイナミックレンジ(HDR) で行われる照明計算を使用してコンピューターグラフィックスシーンをレンダリングするものです。これにより、コントラスト比の制限により失われる可能性のある詳細を保持できます。ビデオゲーム、コンピューターで生成された映画、特殊効果では、より単純な照明モデルよりもリアルなシーンを作成できるため、このメリットが活かされています。

グラフィックプロセッサ企業であるNvidiaは、 HDRの動機を3つのポイントにまとめています。明るいものは非常に明るく、暗いものは非常に暗く、どちらにも細部が見えるということです。^[1]

歴史

コンピュータグラフィックスにおけるハイダイナミックレンジイメージング（HDRI）の使用は、1985年にグレッグ・ワードによってオープンソースのRadianceレンダリングおよび照明シミュレーションソフトウェアによって導入され、ハイダイナミックレンジイメージを保持する最初のファイル形式が作成されました。HDRIは、限られた計算能力、ストレージ、およびキャプチャ方法によって10年以上も停滞していました。最近になってようやく、HDRIを実用化する技術が開発されました。^[2]^[3]

1990年に中目らはドライビングシミュレータ用の照明モデルを発表し、現実的なシミュレーションにおける高ダイナミックレンジ処理の必要性を強調した。^[4]

1995年、グレッグ・スペンサーはSIGGRAPHでデジタル画像に対する物理ベースのグレア効果を発表し、人間の目のフレアとブルーミングの定量モデルを提示した。^[5]

1997年、ポール・デベベックはSIGGRAPHで「写真からの高ダイナミックレンジ輝度マップの復元^」[6]を発表し、翌年には「合成オブジェクトの実シーンへのレンダリング^」[7]を発表しました。これら2つの論文は、場所のHDRライトプローブを作成し、このプローブを使用してレンダリングされたシーンを照らすためのフレームワークを構築しました。

それ以来、 HDRI と HDRL (ハイダイナミックレンジ画像ベースライティング) は、3D オブジェクトを実際の環境に挿入する際に、リアルな照明ソリューションを提供するためにライトプローブデータが必要となる 3D シーンの多くの状況で使用されてきました。

ゲーム用途では、 1997年のRiven: The Sequel to Mystで、Spencerの論文を直接ベースとしたHDRIポストプロセスシェーダが使用されました。^[8]E3 2003の後、Valveは、ハイダイナミックレンジで都市の景観をレンダリングするSourceエンジンのデモムービーを公開しました。 ^[9]この用語は、E3 2004まで一般的には使用されませんでしたが、Epic GamesがUnreal Engine 3を披露し、Valveが2005年にHalf-Life 2: Lost Coastを発表し、 OGRE 3DなどのオープンソースエンジンやNexuizなどのオープンソースゲームと組み合わせて、はるかに注目を集めました。

例

HDR レンダリングの主な利点の 1 つは、コントラスト比の大きいシーンの詳細が保持されることです。HDR がない場合、暗すぎる領域は黒にクリップされ、明るすぎる領域は白にクリップされます。これらは、純粋な黒と純粋な白を表す浮動小数点値 0.0 と 1.0 としてハードウェアによって表されます。

HDR レンダリングのもう 1 つの側面は、見かけの明るさを増す知覚的手がかりの追加です。HDR レンダリングは、反射や屈折などの光学現象や、ガラスなどの透明な素材で光がどのように保持されるかにも影響します。LDR レンダリングでは、シーン内の非常に明るい光源 (太陽など) は 1.0 で上限が設定されます。この光が反射されると、結果は 1.0 以下になります。ただし、HDR レンダリングでは、非常に明るい光源は実際の値をシミュレートするために 1.0 の明るさを超えることがあります。これにより、表面からの反射で、明るい光源のリアルな明るさを維持できます。

制限と補償

人間の目

人間の目は、約 1,000,000:1 という非常に高いダイナミックコントラスト比でシーンを認識できます。順応は、虹彩の調整とゆっくりとした化学変化によって部分的に達成されますが、これにはある程度の時間がかかります (たとえば、明るい照明から真っ暗な照明に切り替わったときに見えるようになるまでの遅延など)。特定の時点で、目の静的範囲はそれよりも狭く、約 10,000:1 です。ただし、これはほとんどのディスプレイ技術の静的範囲よりも高い値です。^{[引用が必要]}

ディスプレイへの出力

多くのメーカーが非常に高い数値を主張していますが、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ、CRT ディスプレイは現実世界で見られるコントラスト比のほんの一部しか実現できず、これらは通常理想的な条件下で測定されます。^[要出典]通常の視聴条件下での実際のコンテンツの同時コントラストは大幅に低くなります。

LCD モニターのダイナミックレンジをある程度拡大するには、暗いシーンのバックライトを自動的に減らす方法があります。たとえば、LG はこの技術を「デジタルファインコントラスト」と呼んでいます。^[10] Samsung はこれを「ダイナミックコントラスト比」と呼んでいます。別の手法としては、BrightSide Technologies が開発したシステムのように、明るい LED バックライトと暗い LED バックライトを並べる方法があります。^[11]

OLEDディスプレイは LCD よりもダイナミックレンジが優れており、プラズマに似ていますが消費電力は低くなります。Rec . 709 はHDTVの色空間を定義し、Rec. 2020 は超高精細テレビ用のより広いがまだ不完全な色空間を定義します。

光の花

光のブルーミングは人間のレンズの散乱の結果であり、人間の脳はそれをシーン内の明るい点として解釈します。たとえば、背景の明るい光は前景のオブジェクトに漏れているように見えます。これを利用して、明るい点が実際よりも明るく見えるように錯覚させることができます。^[5]

フレア

フレアは人間のレンズにおける光の回折であり、小さな光源から放射される光の「光線」となり、色彩効果も生じます。視角が小さいため、点光源で最も目立ちます。^[5]

一般的なディスプレイデバイスは、太陽ほど明るい光を表示できず、周囲の室内照明により真の黒を表示できません。そのため、HDR レンダリングシステムは、レンダリングされた状況で目に見えるものの完全なダイナミックレンジをデバイスの機能にマッピングする必要があります。このトーンマッピングは、仮想シーンカメラが見るものを基準に行われ、いくつかのフルスクリーン効果(暗い洞窟で直射日光に照らされた空気中のほこりや、目の散乱をシミュレートするなど) と組み合わせて行われます。

トーンマッピングとブルーミングシェーダーを併用すると、これらの効果をシミュレートするのに役立ちます。

トーンマッピング

トーンマッピングは、グラフィックスレンダリングのコンテキストでは、高ダイナミックレンジ (照明計算が実行される) から、目的の表示デバイスの機能に一致する低ダイナミックレンジに色をマッピングするために使用される手法です。通常、マッピングは非線形です。つまり、暗い色に十分な範囲が確保され、明るい色のダイナミックレンジが徐々に制限されます。この手法では、全体的なディテールとコントラストが優れた、視覚的に魅力的な画像が作成されることがよくあります。コンピューターゲームで使用される単純なリアルタイムメソッドから、人間の視覚システムの知覚反応を模倣しようとするより高度な手法まで、さまざまなトーンマッピング演算子が存在します。

コンピュータエンターテインメントにおける応用

現在、HDRR は主にPC、MicrosoftのXbox 360、SonyのPlayStation 3向けのゲームで普及しています。また、 PlayStation 2、GameCube、Xbox、Amigaシステムでもシミュレートされています。Sproing Interactive Media は、Wii向けの新しい Athena ゲームエンジンが HDRR をサポートすると発表し、Wii が HDRR をサポートするシステムのリストに追加されました。

デスクトップパブリッシングやゲームでは、カラー値が複数回処理されることがよくあります。これには乗算と除算 (丸め誤差が蓄積される可能性があります) が含まれるため、16 ビット整数または 16 ビット浮動小数点形式の拡張された精度と範囲があると便利です。これは、一部のハードウェアにおける前述の制限に関係なく役立ちます。

DirectXによるHDRRの開発

複雑なシェーダー効果は、DirectX 8 のShader Model 1.0のリリースとともに始まりました。Shader Model 1.0 は、いわゆる標準照明で 3D 世界を照らしました。しかし、標準照明には 2 つの問題がありました。

照明精度は 8 ビットの整数に制限されていたため、コントラスト比は 256:1 に制限されていました。HVSカラーモデルを使用すると、色の値 (V)、つまり明るさの範囲は 0 ～ 255 になります。つまり、最も明るい白 (値 255) は、純粋な黒 (値 0) の上にある最も暗い色合いよりも 255 レベルだけ明るいことになります。
照明の計算は整数ベースでしたが、現実世界は整数に限定されないため、それほど正確ではありませんでした。

2002 年 12 月 24 日、Microsoft は新しいバージョンのDirectX をリリースしました。DirectX 9.0 では Shader Model 2.0 が導入され、高ダイナミックレンジ画像のレンダリングを可能にするために必要なコンポーネントの 1 つが提供されました。照明の精度は 8 ビットだけに限定されませんでした。アプリケーションでは 8 ビットが最小でしたが、プログラマーは照明の精度として最大 24 ビットまで選択できました。ただし、すべての計算は依然として整数ベースでした。DirectX 9.0 をネイティブでサポートした最初のグラフィックカードの 1 つはATIのRadeon 9700でしたが、その効果がゲームにプログラムされるのはその後何年も経ってからでした。2003 年 8 月 23 日、Microsoft は DirectX を DirectX 9.0b に更新し、ATI のRadeon X シリーズおよび NVIDIA のGeForce FXシリーズのグラフィック処理ユニットで Pixel Shader 2.x (Extended) プロファイルを使用できるようになりました。

2004 年 8 月 9 日、Microsoft は DirectX を再度 DirectX 9.0c に更新しました。これにより、High-Level Shader Language (HLSL) の Shader Model 3.0 プロファイルも公開されました。Shader Model 3.0 の照明精度は、2.0 の最小 8 ビットに対して、最小 32 ビットです。また、照明精度の計算はすべて浮動小数点ベースになりました。NVIDIAは、 Shader Model 3.0 を使用した場合のコントラスト比は、32 ビットの照明精度を使用して 65535:1 まで高くなる可能性があると述べています。当初、HDRR は Shader-Model-3.0 効果に対応したビデオカードでのみ可能でしたが、ソフトウェア開発者はすぐに Shader Model 2.0 との互換性を追加しました。ちなみに、Shader Model 3.0 HDR と呼ばれる場合、HDRR は実際には FP16 ブレンディングによって行われます。 FP16 ブレンディングは Shader Model 3.0 の一部ではありませんが、Shader Model 3.0 にも対応しているカードのほとんどでサポートされています (例外として GeForce 6200 シリーズがあります)。FP16 ブレンディングは、ビデオゲームで HDR をより高速にレンダリングする方法として使用できます。

Shader Model 4.0 は、Windows Vista でリリースされた DirectX 10 の機能です。Shader Model 4.0 では、Shader Model 3.0 の 64 ビット HDR とは異なり、128 ビット HDR レンダリングが可能です (ただし、これは Shader Model 3.0 でも理論的には可能です)。

Shader Model 5.0 は DirectX 11 の機能です。これにより、以前のバージョンの DirectX HDR テクスチャ圧縮技術で一般的だった、目立った損失なしに HDR テクスチャを 6:1 に圧縮できます。

OpenGLによるHDRRの開発

OpenGL 1.4 以降では、 GLSLシェーダーを通じて HDRR を開発することが可能です。

HDRレンダリングをサポートするゲームエンジン

参照

参考文献

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外部リンク

NVIDIA の HDRR 技術概要 ( PDF )
OpenGL 2.0 による HDRR 実装
OpenGL HDRR 実装
OpenGL でのハイダイナミックレンジレンダリング ( PDF )
SM2.0 と比較した SM3.0 に関する Microsoft の技術概要
Tom's Hardware: 2006 年の新しいグラフィックカードの機能^{[永久リンク切れ]}
Chris Hare がまとめた GPU のリスト
techPowerUp! GPU データベース
ビデオ表示デバイスのコントラスト比を理解する
ソフトウェアでのリアルタイムHDRレンダリングを特徴とするTBLのRequiem
HDR をサポートするビデオゲームのリスト
ハイダイナミックレンジ写真の例
HDRIHaven - クリエイティブコモンズ HDRI マップライブラリ

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