В современном мире компьютерной графики и разработки игр особое внимание уделяется качеству изображения и естественности передачи света и цвета. Однако, с такими ограничениями аппаратного обеспечения и форматов цветов, как 8-битные каналы с диапазоном от 0 до 1, нередко возникают проблемы, связанные с переэкспозицией и некорректной цветопередачей. Чтобы справиться с этим, используется метод, известный как тонемаппинг. В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое тонемапы, почему они важны, как их применять в игровых шейдерах, а также познакомимся с некоторыми популярными алгоритмами тонемаппинга и основами HDR-рендеринга. Цветовое пространство и ограничения 8-битного цвета Большинство дисплеев и текстур в играх используют 8-битные каналы, где каждый цветовой компонент задается числом от 0 до 255, нормализованным в шейдере к диапазону 0.
0-1.0. Такое представление принято и называется unorm - unsigned normalized. Данное ограничение позволяет эффективно использовать память и процессорное время, однако не всегда соответствует задачам современных графических эффектов. Особенно это проявляется в сложных сценах с несколькими источниками света высокой яркости.
При умножении цвета на коэффициент яркости, например при моделировании солнечного света в игровых шейдерах, значения отдельных каналов могут превосходить единицу. При выводе на экран или в текстуру, происходящем с 8-битным ограничением, значения, превышающие 1.0, будут обрезаться, что приводит к искажению цвета и потере визуальной информации. Такой эффект часто проявляется как переэкспозиция или "выцветшие" участки на изображении. Более того, различные каналы могут достичь максимума в разное время, что меняет цветовой баланс и приводит к нежелательным эффектам, например резкому переходу от оранжевого к желтому.
Игровые движки и современные платформы стремятся устранить эти ограничения, внедряя поддержку HDR (High Dynamic Range) с использованием расширенных форматов поверхностей, таких как surface_rgba16float или surface_rgba32float. Однако даже при наличии HDR необходимо корректно привести цвета к отображаемому диапазону с помощью тонемаппинга. Что такое тонемаппинг и зачем он нужен? Тонемаппинг - это процесс преобразования цветового пространства с высоким динамическим диапазоном в нисходящий, ограниченный динамический диапазон (LDR), который может быть безопасно отображён на обычных экранах. Его задача не просто ограничить максимум, а сохранить цветовой баланс и детали изображения, препятствуя жесткой обрезке яркости. Без тонемаппинга цвета при ярких источниках света и освещении будут либо клешированными, либо мёртвыми и безжизненными, вызывая дискомфорт у глаз и воздействуя на восприятие сцены.
Видеоигры, фильмы и визуализация широко применяют различные тонемап операторы для сглаживания переходов яркости и сохранения контраста. Простейшим примером неудачного тонемаппинга является механическое сжатие значений яркости до диапазона [0;1] с помощью функции clamp. Это вызывает резкое прерывание кривой яркости и приводит к заметным артефактам. Популярные алгоритмы тонемаппинга В индустрии компьютерной графики сложилась практика использования нескольких известных операторов тонемаппинга, каждый из которых обладает своими особенностями и сферами применения. Первым и наиболее известным является ACES (Academy Color Encoding System) тонемап, разработанный для большего контроля над цветами и сохранения художественных особенностей изображения.
Он характеризуется более резким кривым переходом, обеспечивая насыщенные и глубокие цвета, которые напоминают пленочное изображение. В игровой среде ACES часто применяется для создания эффекта кинематографичности и усиления атмосферы. Другим популярным вариантом является тонемап Хейбла, известный из игр серии Uncharted. Его особенность в мягком и плавном переходе яркости к белому цвету без резких скачков, что способствует естественному восприятию света, особенно при имитации солнечных и искусственных источников. Такой подход отлично подходит для проектов, где требуется сбалансированный реализм без чрезмерной насыщенности.
Тонемап Unreal является самым мягким из рассмотренных, он обеспечивает наибольшую яркость и плавность переходов, при этом сохраняя визуальное удовольствие от ярких сцен. Его можно встретить в игровых движках Unreal Engine, где при работе с яркими эффектами используется именно этот оператор для максимальной выразительности. Кроме упомянутых методов, существует быстрый альтернативный вариант тонемаппинга на основе гиперболического тангенса (tanh), который иногда применяют в шейдерах благодаря своей простоте. Он предлагает схожие с ACES по характеру цвета - насыщенный и контрастный результат. HDR рендеринг и важность форматов поверхностей Для получения качественного освещения и цветопередачи с высокой точностью и динамическим диапазоном необходимо выходить за пределы 8-битного представления.
HDR рендеринг подразумевает использование плавающей точки с высокой точностью для хранения информации о цветах, которые при умножении на коэффициенты яркости не обрезаются преждевременно. Использование surface_rgba16float или surface_rgba32float предоставляет разработчикам возможность сохранить полноту данных освещения на каждом этапе отрисовки. Это особенно актуально для сложных систем освещения с множественными источниками света, эффектами bloom, deferred shading и других продвинутых визуальных техник. Однако просто хранить HDR данные недостаточно. Чтобы итоговое изображение корректно отображалось на мониторах, обязательно нужно применить тонемаппинг.
Без него визуализация будет "засвечена", цвета сольются, и детали потеряются. Практические советы для интеграции тонемапов При создании шейдеров для игровых проектов важно помнить, что тонемаппинг должен применяться на последнем этапе обработки освещения, когда все источники света уже смешаны. Это обеспечивает правильное балансирование яркости и цвета перед выводом на экран. Кроме того, выбирая оператор тонемаппинга, следует учитывать художественную концепцию проекта. Например, для стилизованных игр лучше подходят более выразительные и контрастные методы, а для симуляций и реалистичных игр - плавные и мягкие кривые.
При работе с GameMaker и другими движками с ограниченной поддержкой HDR необходимо внимательно изучить возможности новых форматов поверхностей и способы их использования. Использование расширенных форматов значительно повышает качество цветопередачи и дает гибкость для последующей обработки изображения. Заключение Тонемаппинг - это неотъемлемая часть современного процессинга изображений в компьютерной графике, особенно в игровой разработке. Он помогает преодолеть ограничения 8-битных цветов и дарит возможность создавать реалистичные и эстетичные сцены с ярким, но сбалансированным освещением. Понимание принципов HDR рендеринга, тонемаппинга и работы с форматом цветов позволяет разработчикам достичь оптимального визуального результата и повысить привлекательность своих проектов.
Правильно подобранный тонемап оператор не только решит проблемы переэкспозиции, но и усилит художественное восприятие игры. Освоив методы тонемаппинга и HDR обработки, вы сможете вывести качество графики своих проектов на новый уровень, открыв широкие возможности для творческого выражения и профессионального роста в сфере игровой индустрии. .
