Renderizado de alto rango dinámico

El ojo humano puede percibir escenas con una relación de contraste dinámico muy alta , de alrededor de 1.000.000:1. La adaptación se logra en parte mediante ajustes del iris y cambios químicos lentos, que requieren cierto tiempo (por ejemplo, el retraso en la capacidad de ver al pasar de una iluminación brillante a la oscuridad total). En cualquier momento dado, el rango estático del ojo es menor, de alrededor de 10.000:1. Sin embargo, este sigue siendo superior al rango estático de la mayoría de las tecnologías de visualización. ^{[ 10 ]}

Aunque muchos fabricantes afirman ofrecer cifras muy elevadas, las pantallas de plasma , las pantallas de cristal líquido y las pantallas CRT solo pueden proporcionar una fracción del contraste real, y estas mediciones suelen realizarse en condiciones ideales. El contraste simultáneo del contenido real en condiciones normales de visualización es significativamente menor.

Se puede lograr cierto aumento en el rango dinámico de los monitores LCD reduciendo automáticamente la retroiluminación en escenas oscuras. Por ejemplo, LG denomina a esta tecnología "Contraste Fino Digital"; ^{[ 11 ]} Samsung la describe como "relación de contraste dinámico". Otra técnica consiste en utilizar una matriz de retroiluminación LED más brillante y más oscura, por ejemplo, con sistemas desarrollados por BrightSide Technologies. ^{[ 12 ]}

Las pantallas OLED tienen mejores capacidades de rango dinámico que las LCD, similares a las de plasma pero con menor consumo de energía. Rec. 709 define el espacio de color para HDTV , y Rec. 2020 define un espacio de color más amplio pero aún incompleto para televisión de ultra alta definición .

Desde la década de 2010, las tecnologías de visualización OLED y otras tecnologías HDR han reducido o eliminado la necesidad de mapear los tonos de HDRR al rango dinámico estándar .

El efecto de dispersión de la luz es el resultado de la dispersión en el cristalino humano, que el cerebro interpreta como un punto brillante en una escena. Por ejemplo, una luz brillante en el fondo parecerá extenderse sobre los objetos en primer plano. Esto puede utilizarse para crear una ilusión óptica y hacer que el punto brillante parezca más intenso de lo que realmente es. ^{[ 5 ]}

El destello es la difracción de la luz en el cristalino humano, que produce "rayos" de luz que emanan de pequeñas fuentes luminosas y también puede generar algunos efectos cromáticos. Es más visible en fuentes de luz puntuales debido a su pequeño ángulo visual. ^{[ 5 ]}

Los dispositivos de visualización típicos no pueden mostrar una luz tan brillante como la del sol, y la iluminación ambiental de la habitación les impide mostrar un negro puro. Por lo tanto, los sistemas de renderizado HDR deben adaptar el rango dinámico completo de lo que el ojo percibiría en la situación renderizada a las capacidades del dispositivo. Esta adaptación tonal se realiza en relación con lo que ve la cámara de la escena virtual, combinada con varios efectos de pantalla completa, por ejemplo, para simular el polvo en el aire iluminado por la luz solar directa en una caverna oscura, o la dispersión de la luz en el ojo.

El mapeo de tonos y los sombreadores de floración se pueden usar conjuntamente para ayudar a simular estos efectos.

En el contexto de la renderización gráfica, el mapeo tonal es una técnica que se utiliza para asignar colores de un rango dinámico alto (donde se realizan cálculos de iluminación) a un rango dinámico menor que se ajuste a las capacidades del dispositivo de visualización deseado. Generalmente, el mapeo es no lineal: conserva suficiente rango para los colores oscuros y limita gradualmente el rango dinámico para los colores brillantes. Esta técnica suele producir imágenes visualmente atractivas con buen detalle y contraste. Existen diversos operadores de mapeo tonal, desde métodos sencillos en tiempo real utilizados en videojuegos hasta técnicas más sofisticadas que intentan imitar la respuesta perceptiva del sistema visual humano.

Las pantallas HDR con mayor rango dinámico pueden reducir o eliminar el mapeo de tonos necesario después de la revisión HDR, lo que da como resultado una imagen aún más realista.

Los efectos de sombreado complejos comenzaron su andadura con el lanzamiento de Shader Model 1.0 con DirectX 8. Shader Model 1.0 iluminaba mundos 3D con lo que se denomina iluminación estándar. Sin embargo, la iluminación estándar tenía dos problemas:

1. La precisión de la iluminación se limitaba a enteros de 8 bits, lo que restringía la relación de contraste a 256:1. Según el modelo de color HVS , el valor (V), o brillo de un color, tiene un rango de 0 a 255. Esto significa que el blanco más brillante (un valor de 255) es solo 255 niveles más brillante que el tono más oscuro por encima del negro puro (es decir, un valor de 0).
2. Los cálculos de iluminación se basaban en números enteros , lo que no ofrecía tanta precisión porque el mundo real no se limita a números enteros.

El 24 de diciembre de 2002, Microsoft lanzó una nueva versión de DirectX . DirectX 9.0 introdujo Shader Model 2.0, que ofrecía uno de los componentes necesarios para permitir la renderización de imágenes de alto rango dinámico: la precisión de la iluminación no se limitaba a solo 8 bits. Aunque 8 bits era el mínimo en las aplicaciones, los programadores podían elegir hasta un máximo de 24 bits para la precisión de la iluminación. Sin embargo, todos los cálculos seguían basándose en números enteros. Una de las primeras tarjetas gráficas en admitir DirectX 9.0 de forma nativa fue la Radeon 9700 de ATI , aunque el efecto no se programó en los juegos hasta años después. El 23 de agosto de 2003, Microsoft actualizó DirectX a DirectX 9.0b, que habilitó el perfil Pixel Shader 2.x (Extended) para las unidades de procesamiento gráfico de la serie Radeon X de ATI y la serie GeForce FX de NVIDIA .

El 9 de agosto de 2004, Microsoft actualizó DirectX una vez más a DirectX 9.0c. Esto también expuso el perfil Shader Model 3.0 para High-Level Shader Language (HLSL). La precisión de iluminación de Shader Model 3.0 tiene un mínimo de 32 bits en comparación con el mínimo de 8 bits de 2.0. Además, todos los cálculos de precisión de iluminación ahora se basan en punto flotante . NVIDIA afirma que las relaciones de contraste usando Shader Model 3.0 pueden llegar a ser tan altas como 65535:1 usando una precisión de iluminación de 32 bits. Al principio, HDRR solo era posible en tarjetas de video capaces de efectos Shader-Model-3.0, pero los desarrolladores de software pronto agregaron compatibilidad con Shader Model 2.0. Como nota al margen, cuando se hace referencia a Shader Model 3.0 HDR, HDRR en realidad se realiza mediante mezcla FP16. La mezcla FP16 no forma parte de Shader Model 3.0, pero es compatible principalmente con tarjetas gráficas que también lo admiten (con la excepción de la serie GeForce 6200). La mezcla FP16 puede utilizarse para renderizar HDR de forma más rápida en videojuegos.

Shader Model 4.0 es una característica de DirectX 10, que se lanzó con Windows Vista. Shader Model 4.0 permite la renderización HDR de 128 bits, a diferencia de los 64 bits de HDR en Shader Model 3.0 (aunque teóricamente esto también es posible con Shader Model 3.0).

Shader Model 5.0 es una característica de DirectX 11. Permite la compresión 6:1 de texturas HDR sin una pérdida perceptible, algo común en versiones anteriores de las técnicas de compresión de texturas HDR de DirectX.

Es posible desarrollar HDRR mediante sombreadores GLSL a partir de OpenGL 1.4 en adelante.

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