HDR и Tone Mapping

Полный код главы

Что уже должно быть понятно:

• render-to-texture и постпроцессинг
• направленный свет, diffuse lighting
• текстуры и вершинные буферы

Что появится в этой главе:

• HDR (High Dynamic Range) — рендеринг в формате с плавающей запятой
• Rgba16Float — формат текстуры, хранящий значения $>1.0$
• tone mapping — сжатие HDR → LDR для отображения
• кривая Reinhard и ACES
• два render pass: сцена → HDR текстура, тонмаппинг → экран

Итог: ярко освещённая сцена без выжженных белых областей — детали сохраняются и в светлых участках

---

Проблема LDR

Обычный формат Rgba8Unorm хранит значения от 0 до 1. Если яркость фрагмента превышает 1.0, он обрезается (clamps) до белого — детали пропадают. Яркий источник света и белая стена выглядят одинаково. Реальный мир содержит диапазон яркостей от ${10}^{-3}$ (лунный свет) до ${10}^6$ (прямое солнце), и обычный 8-битный формат не способен его передать.

HDR-рендеринг

HDR (High Dynamic Range) — рендеринг в текстуру с форматом, поддерживающим значения больше 1.0. В wgpu для этого используется Rgba16Float — 16-битный float на канал, диапазон $[-65504,65504]$ с достаточной точностью для графики.

let hdr_texture = ctx.device.create_texture(&TextureDescriptor {
    format: TextureFormat::Rgba16Float,
    usage: TextureUsages::RENDER_ATTACHMENT | TextureUsages::TEXTURE_BINDING,
    ...
});

Сцена рендерится в эту текстуру как обычно — но цвета могут выходить за пределы $[0,1]$.

Почему HDR текстуру не покажешь на экране

Монитор отображает значения от 0 до 1 (LDR). HDR-изображение нужно преобразовать в LDR — этот процесс называется tone mapping. Без него значения $>1.0$ всё равно обрежутся при выводе.

Tone mapping

Tone mapping — функция, сжимающая HDR-диапазон в $[0,1]$, сохраняя детали в ярких и тёмных участках.

Reinhard

Простейшая кривая, используемая с 2002 года:

$$L_{\text{out}}=\frac{L_{\text{in}}}{L_{\text{in}}+1}$$

fn reinhard(color: vec3<f32>) -> vec3<f32> {
    return color / (color + vec3<f32>(1.0));
}

Значение 0 → 0, 0.5 → 0.33, 1.0 → 0.5, 5.0 → 0.83, $\mathrm{\infty }$ → 1.0. Плавная кривая без жёсткой обрезки. Недостаток: яркие области выглядят «приглушёнными».

ACES (Academy Color Encoding System)

Кривая, разработанная киноиндустрией. Лучше сохраняет контраст и насыщенность:

fn aces(x: vec3<f32>) -> vec3<f32> {
    let a = 2.51;
    let b = 0.03;
    let c = 2.43;
    let d = 0.59;
    let e = 0.14;
    return clamp((x * (a * x + b)) / (x * (c * x + d) + e),
                 vec3<f32>(0.0), vec3<f32>(1.0));
}

ACES даёт более кинематографичную картинку: яркие участки плавно уходят в белый, а средние тона сохраняют насыщенность.

Два render pass

Структура аналогична Render-to-texture, но с другим форматом offscreen-текстуры:

Pass 1: scene pipeline → Rgba16Float offscreen texture
Pass 2: post pipeline  → surface (LDR, tone mapping applied)

Pass 1: сцена в HDR

Pipeline создаётся с цветовой целью Rgba16Float вместо surface format:

fragment: Some(FragmentState {
    targets: &[Some(ColorTargetState {
        format: TextureFormat::Rgba16Float, // HDR
        ...
    })],
    ...
}),

Шейдер умножает цвет на высокую интенсивность (intensity = 3.0), что даёт значения до ≈ 3.0 на ярко освещённых гранях — HDR-текстура это сохраняет:

let intensity = light.ambient + diffuse * light.intensity;
return vec4<f32>(tex_color.rgb * vec3<f32>(1.0, 0.95, 0.85) * intensity, 1.0);

Pass 2: tone mapping на экран

Полноэкранный квад сэмплирует HDR-текстуру и применяет ACES:

@fragment
fn fs_main(input: VertexOutput) -> @location(0) vec4<f32> {
    let hdr = textureSample(hdr_tex, hdr_sampler, input.uv);
    let mapped = aces(hdr.rgb);
    return vec4<f32>(mapped, 1.0);
}

Поверхность (surface_format) — обычно Bgra8UnormSrgb, которая автоматически конвертирует линейные значения в sRGB для монитора. После tone mapping цвета линейны, и эта конвертация корректна.

Настройки сэмплера для HDR

HDR-текстура использует FilterMode::Nearest. Rgba16Float с линейной фильтрацией поддерживается не на всех платформах — для максимальной совместимости:

let hdr_sampler = ctx.device.create_sampler(&SamplerDescriptor {
    mag_filter: FilterMode::Nearest,
    min_filter: FilterMode::Nearest,
    ..Default::default()
});

Адресация ClampToEdge по умолчанию — fullscreen quad не выходит за пределы $[0,1]$.

Bind groups

Сцена использует две группы (как в предыдущих главах), постпроцессинг — одну:

Pass	Group	Binding	Ресурс
Scene	0	0	CameraUniforms
Scene	1	0	LightUniforms (light_dir, ambient, intensity)
Scene	1	1	diffuse texture
Scene	1	2	diffuse sampler
Post	0	0	HDR texture (Rgba16Float)
Post	0	1	HDR sampler

Resize

При изменении размера окна HDR-текстура пересоздаётся, а bind group пересоздаётся с новой текстурой. Сэмплер и pipeline не меняются:

fn resize(&mut self, ctx: &GpuContext, _new_size: PhysicalSize<u32>) {
    let (hdr_tex, hdr_view) = Self::create_hdr_texture(ctx);
    self.hdr_texture = hdr_tex;
    self.hdr_texture_view = hdr_view;

    let hdr_bgl = self.post_pipeline.get_bind_group_layout(0);
    self.hdr_bind_group = ctx.device.create_bind_group(&BindGroupDescriptor {
        layout: &hdr_bgl,
        entries: &[
            BindGroupEntry { binding: 0,
                resource: BindingResource::TextureView(&self.hdr_texture_view) },
            BindGroupEntry { binding: 1,
                resource: BindingResource::Sampler(&self.hdr_sampler) },
        ],
        ...
    });
    // depth texture тоже пересоздаётся
}

Типичные ошибки

Рендер в surface format вместо Rgba16Float

HDR-значения обрежутся до 1.0 ещё до tone mapping, и весь смысл HDR теряется.

Tone mapping в сцене, а не в постпроцессинге

Если применить Reinhard/ACES прямо в сценовом шейдере, несколько перекрывающихся источников света дадут неверный результат: каждый clamp'ится независимо.

Забыли пересоздать HDR bind group при resize

Старая bind group ссылается на текстуру не того размера → артефакты или падение.

Linear filter для Rgba16Float без проверки

На некоторых GPU Rgba16Float не поддерживает линейную фильтрацию в textureSample. Используйте Nearest или проверяйте features.

Не учитывают sRGB surface

Если surface format = Bgra8UnormSrgb, финальный вывод получает автоматическую gamma-коррекцию. Не нужно добавлять pow(color, 1/2.2) вручную.

Что получилось

Ярко освещённая сцена, где детали сохраняются и в светлых, и в тёмных участках. Без HDR яркие грани выжигались бы в белое пятно — теперь tone mapping (ACES) плавно сжимает диапазон. Ключевая схема: сцена рендерится в HDR-текстуру (Rgba16Float), затем полноэкранный квад применяет tone mapping и выводит результат на LDR-поверхность. В следующих главах мы будем использовать HDR-рендеринг как основу для bloom и других эффектов, работающих с яркостью за пределами обычного диапазона.

Попробуем

• Изменить intensity на 1.0 — без HDR разницы почти не видно
• Переключить ACES на Reinhard — более «приглушённый» результат
• Поставить intensity на 10.0 — яркие области выжигаются, но детали в них сохраняются благодаря tone mapping

Полный код главы