HDR 与 HDRI：高动态范围图像与环境贴图详解

什么是 HDR 和 HDRI

HDR（High Dynamic Range，高动态范围）指能够表示比标准图像更广泛亮度范围的技术。传统 LDR（低动态范围）图像每个通道通常为 8 位，最大亮度为 1（或 255）。HDR 图像使用浮点或更高位深存储，可以记录从最暗阴影到最亮高光的细节。HDRI（High Dynamic Range Image）即高动态范围图像，常用于环境贴图、光照探针等。

HDR 的优势

• **保留细节**：同时保留亮部和暗部细节，避免过曝和欠曝。
• **物理正确光照**：在渲染中，HDR 光照值可以超过 1，模拟真实光源强度。
• **后处理灵活性**：色调映射、曝光调整等可以在 HDR 缓冲上操作，避免颜色损失。

HDRI 环境贴图

HDRI 最常见的应用是作为环境贴图（Environment Map），用于基于图像的照明（IBL）。环境贴图是一张 360 度全景图像，记录场景周围的光照信息。在 PBR 渲染中，HDRI 为物体提供环境光照和反射，使其自然融入环境。

生成 HDRI

• **拍摄**：使用相机在不同曝光下拍摄同一场景，通过软件合成 HDR 全景图。
• **程序生成**：使用软件（如 Blender、Terragen）渲染天空和光照。
• **下载**：从 Poly Haven、HDRI Haven 等网站获取免费 HDRI。

使用 HDRI

在 Unity 中，将 HDRI 导入为 Cubemap 或 2D 纹理，设置天空盒材质。在 Unreal 中，使用 Sky Light 加载 HDRI。引擎会自动处理 IBL，为场景提供漫反射和镜面反射光照。

渲染管线中的 HDR

实时渲染通常使用 HDR 帧缓冲，流程包括：

1. 渲染场景到 HDR 缓冲（浮点纹理）。
2. 应用后处理（如色调映射、泛光）在 HDR 空间。
3. 色调映射将 HDR 转换为 LDR。
4. 伽马校正后输出到屏幕。

支持 HDR 的显示设备（如 HDR 电视、手机屏幕）可以直接显示 HDR 内容，但需要相应的色彩管理和元数据。

常见问题

HDR 和 HDRI 有什么区别？

HDR 是技术概念，表示高动态范围；HDRI 是具体的高动态范围图像文件，常用于环境贴图。

为什么渲染需要 HDR？

HDR 允许光照值超过 1，使光照计算物理正确，且后处理（如色调映射）不会丢失细节。

如何查看 HDRI 文件？

使用支持 HDR 的查看器，如 Photoshop、HDRView、或在线预览工具。注意普通显示器无法显示全部动态范围，需要色调映射。

移动端支持 HDR 渲染吗？

现代移动 GPU 支持浮点纹理，可以渲染 HDR，但需考虑带宽和性能，通常使用 R11G11B10 等压缩格式。

HDRI 可以用在非 PBR 渲染中吗？

可以，HDRI 作为环境贴图提供光照，即使非 PBR 着色器也可以采样环境贴图获得反射和漫反射。