古墓丽影10中HDR的运用

《古墓丽影：崛起》PC版中的画面给玩家留下深刻印象。2016年6月，晶体动力的老搭档，也是负责《古墓丽影：崛起》PC版制作的 Nixxes 工作室和 NVIDIA 的制作人共同讲述了如何在《崛起》中贯彻 HDR。讲述者分别是来自 Nixxes 的 Jeroen Soethoudt 和 Jurjen Katsman ，以及来自 NVIDIA 的 Holger Gruen。原文发表于 NVIDIA 博客，下文为古墓丽影中文站根据博客内容编译而成。

很多游戏都达到了 HDR，也就是高动态范围（higher dynamic range）渲染，但这些年来，色调映射都降到 SDR，也就是标准动态范围（standard dynamic range）。在对图像输出提出更高要求的今天，HDR 对于色调映射的要求也水涨船高，因为 SDR 已经无法满足需求。

NVIDIA 与 Nixxes 以及晶体动力共同协作，将真正的 HDR 运用到《古墓丽影：崛起》中，使画面细节达到史无前例的水准。

进入古墓

《古墓丽影：崛起》将我们带进一个壮美而危险的环境中展开史诗般的探险，去解开永生的秘密。下面这张游戏动画截图，呈现了 HDR 所能发挥的潜能。

游戏的高质量动画，是吸引 NVIDIA 的一大魅力。此外，对游戏大量截图的分析发现，游戏早期的色调映射数据给 HDR 提供了非常理想的动态范围。游戏引擎能够达到真实和现实水平的照明，以及达到相对现实的亮度值，而不是用光源亮度或 SDR 光照效果投机取巧。此外，大幅度提升 HDR 真实性的一大关键要素，就是基于物理的内容和光照模型（PBR），而经过改进的 HDR 备用引擎技术，因为大量使用了 PBR，也为真正的 HDR 的支持提供了很大的便利。我们所发现的这一切，都让我们相信，《古墓丽影：崛起》能够以真正的 HDR 营造出更高质量的沉浸式游戏体验。

NVIDIA 能够为游戏开发者提供用于处理 HDR 显示的应用编程接口（API）以及集成电影化 ACES（Academy Color Encoding System，美国电影艺术和科学学院的学院颜色编码系统）色调映射的 C++/着色器源码，帮助开发者在游戏中实现 HDR，并节省开发成本。

要在游戏中实现最佳的 HDR，需要满足一些先决条件，例如确保引擎渲染支持 PBR，色调映射后从着色器中移除所有的饱和操作，在色调映射执行前最好移除所有后期特效等等。以《古墓丽影：崛起》为例，在满足先决条件后，我们通过以下步骤实现游戏中的 HDR：

切换到 HDR 模式

将游戏切换到 HDR 模式后，NvAPI 才能得以运行。它提供的功能包括：

查询一个画面中的 HDR 性能；
激活 HDR 输出，并为 HDR 输出配置 HDR 显示效果。

晶体动力/Nixxes 的经验表明，查明你的显示是否真正切换到了 HDR 模式并那么不容易。为了确认 HDR 模式开启，需要在游戏的色调映射着色器中添加一个特殊的调试模式，下面的截图就是调试模式下的一个例子，整体颜色显示都不正确，因为调试模式将每隔一条水平带上全部的颜色要素设置为 1.0。此时，如果没有切换到 HDR 模式，这些水平带将是不可见的，因为所有高于 1.0 数值的颜色都将成为 SDR 模式下的白色。因此，如果你在屏幕上看到这些水平带，那就意味着 HDR 已经开启。否则，显示模式很可能仍然错误地停留在了 SDR 模式。

在 HDR 模式下显示一张不包含任何 HDR 内容的 SDR 图像时，HDR 往往倾向于加强 SDR 图像的亮度，使它看起来更为明亮，更引人注目。因此，在 HDR 模式下，如果你在显示器上并排对比一张 SDR 图像和一张 HDR 图像，SDR 图像看起来会非常晦暗。为了让对比更有意义，我们需要增强低动态范围（LDR）图像的亮度，以模拟 SDR 图像的显示。

一旦能够确保 HDR 模式开启，就轮到对色调映射着色器的优化，以确保在延伸的亮度范围中获得最佳的用户体验。通常，游戏开发者倾向于使用基于 Reinhard 模型的色调映射算法来处理 SDR 范围内的映射，而《古墓丽影：崛起》也是如此。

下面，我们来谈谈如何集成电影化 ACES 色调映射器。

集成电影化 ACES 色调映射器

NVIDIA 所提供的 C++/着色器源码能够用于设立 ACES 色调映射器着色器常数，这样就很容易增强游戏对一系列 ACES 色调映射曲线的支持。所要作的仅仅是运用现有的 C++ 类设置常量缓冲数据，然后导入 ACES 色调映射器着色器。下图呈现的就是色调映射函数，横轴为输入颜色/亮度，纵轴为输出亮度，以流明标示。