HDRI (obraz s vysokým dynamickým rozsahem)

Příklady z praxe

1. 01

   Produktový render s HDRI ateliérem

   Designér má model sluchátek a potřebuje fotorealistickou vizualizaci na web. Místo stavění softboxů použije HDRI panorama fotografického ateliéru: lesklý plast okamžitě dostane protáhlé odlesky panelů a kov realistické okolní světlo. Otočením prostředí o pár desítek stupňů změní celou náladu záběru během vteřin.

   import bpy
   
   world = bpy.data.worlds['World']
   world.use_nodes = True
   nodes = world.node_tree.nodes
   env = nodes.new('ShaderNodeTexEnvironment')
   env.image = bpy.data.images.load('//studio_4k.exr')
   world.node_tree.links.new(env.outputs['Color'],
                             nodes['Background'].inputs['Color'])

2. 02

   Odrazy v realtime konfigurátoru aut

   Web s konfigurátorem vozu běží na Three.js a potřebuje, aby lak reagoval na okolí. Vývojář načte .hdr panorama, nechá jej předzpracovat do prefiltrované mapy pro PBR materiály a nastaví ho jako prostředí scény. Karoserie díky tomu odráží oblohu i horizont bez jediného ručně umístěného světla, prohlížeč jen musí zvládnout stažení souboru v rozumné velikosti.

   const loader = new RGBELoader();
   loader.load('venice_sunset_1k.hdr', (texture) => {
     texture.mapping = THREE.EquirectangularReflectionMapping;
     scene.environment = texture;
     scene.background = texture;
   });

Časté omyly

MýtusHDRI je prostě hodně kontrastní fotka, jakou dělá režim HDR v mobilu.

Ve skutečnostiRežim HDR v telefonu sloučí několik expozic a výsledek ihned stlačí zpět do osmibitového JPEG, takže se dynamický rozsah zase zahodí. HDRI naproti tomu ta široká data zachovává v souboru s pohyblivou řádovou čárkou, aby se s nimi dalo dál počítat.

MýtusČím větší rozlišení HDRI, tím lepší osvětlení.

Ve skutečnostiRozlišení ovlivňuje hlavně ostrost viditelného pozadí a odrazů v zrcadlových materiálech. Difuzní osvětlení se stejně silně rozmazává, takže na samotné nasvícení scény často stačí verze 1k nebo 2k a šetří to paměť i čas načítání.

MýtusHDRI soubor stačí, když chci HDR obraz na televizi.

Ve skutečnostiZobrazení na HDR displeji vyžaduje kódování podle standardu jako HDR10 nebo HLG s definovanou přenosovou funkcí a metadaty. HDRI je pracovní formát pro výrobu obrazu, ne signál, kterému by televize sama o sobě rozuměla.

Časté dotazy

Jaké rozlišení HDRI zvolit pro render?

Volba rozlišení HDRI závisí na tom, k čemu mapa slouží. Pokud jde jen o osvětlení a měkké odrazy, stačí verze 1k nebo 2k, protože difuzní složka detaily stejně rozmaže. Jakmile má být panorama vidět v pozadí záběru nebo se zrcadlit v leštěném kovu či skle, je potřeba 8k i více, jinak se projeví rozmazané pixely. Běžnou praxí je používat malou mapu při náhledech kvůli rychlosti a přepnout na velkou až při finálním renderu.

Jaký je rozdíl mezi .exr a .hdr souborem?

OpenEXR (.exr) je novější a bohatší formát: umí half float i 32bitový float, více pojmenovaných kanálů, vrstvy, mip úrovně a několik kompresních režimů. Radiance HDR (.hdr) používá kódování RGBE, kde tři osmibitové kanály sdílí jeden osmibitový exponent, což je kompaktní, ale méně přesné zejména u nasycených barev. Ve filmové a herní produkci se dnes prakticky vždy pracuje s EXR, formát .hdr přežívá hlavně u knihoven panoramat a v realtime nástrojích na webu.

Jak nafotit vlastní HDRI panorama?

Vlastní HDRI panorama se pořizuje ze stativu s nodálním bodem: fotograf udělá kolem dokola sérii záběrů a každý z nich ve více expozicích, obvykle s krokem dvou EV, aby pokryl i slunce. Snímky se pak sloučí do jednoho souboru s pohyblivou řádovou čárkou a sešijí do equirectangular projekce. Klíčové je zamknout clonu, ISO a vyvážení bílé a měnit pouze čas závěrky, jinak se mezi snímky rozjede hloubka ostrosti nebo barevný odstín.

Proč vypadá scéna osvětlená HDRI přepáleně nebo mdle?

Přepálený nebo naopak plochý vzhled scény osvětlené HDRI má obvykle dvě příčiny. První je nastavení síly prostředí: hodnoty v mapě jsou absolutní, takže venkovní poledne dodá řádově víc světla než interiér a expozici kamery je nutné dorovnat. Druhou příčinou je špatný view transform. Bez rozumného tone mappingu, například ACES nebo AgX, se jasné plochy tvrdě ořežou do bílé a barvy ve světlech ztratí sytost, i když jsou samotná data v pořádku.

Zdroje

1. OpenEXR(otevře se v novém okně)Wikipedia
2. High-dynamic-range imaging(otevře se v novém okně)Wikipedia
3. Blender Manual: World Environment(otevře se v novém okně)Blender Foundation
4. Khronos glTF Sample Environments and PBR specification(otevře se v novém okně)Khronos Group

Související pojmy

• 3D model3D model je digitální reprezentace objektu nebo prostoru ve třech rozměrech, složená z geometrie, materiálů a často i textur, animací či fyzikálních vlastností. Používá se v hrách, filmech, průmyslovém návrhu, architektuře, e-commerce i simulacích, kde software z modelu počítá zobrazení nebo další data.
• Ambient occlusionAmbient occlusion je technika stínování, která u každého bodu povrchu odhaduje, jak velká část okolní polokoule oblohy je zastíněna blízkou geometrií, a podle toho ztlumí rozptýlené okolní světlo. Výsledkem jsou tmavší kouty, spáry, záhyby a místa dotyku objektů, díky nimž scéna působí prostorově a objekty vypadají skutečně položené na podložce.
• Animace klíčových snímkůAnimace klíčových snímků je technika, při které animátor zadá hodnoty vlastnosti (polohu, rotaci, barvu, průhlednost) jen v několika vybraných časech a software dopočítá všechny mezilehlé snímky interpolací. Klíčový snímek tedy nese stav v daném okamžiku, křivka mezi klíči určuje rychlost změny a výsledkem je plynulý pohyb bez ručního kreslení každého snímku.
• Alfa kanálAlfa kanál je složka obrazových dat, která u pixelu určuje míru neprůhlednosti nebo průhlednosti. Doplňuje barevné kanály, typicky RGB, a umožňuje plynulé okraje, stíny, překryvy, masky i skládání vrstev. Hodnota alfa sama neurčuje barvu, ale říká, jak se barva pixelu promíchá s pozadím.
• Anti-aliasingAnti-aliasing je soubor technik, které omezují zubaté hrany a třepení detailů vznikající při převodu spojitého obrazu na mřížku pixelů. V grafice barvy na hranách obvykle průměruje nebo vzorkuje vícekrát, aby diagonály, text a 3D modely působily plynuleji, i když za cenu výkonu nebo mírné ztráty ostrosti.
• Baking texturBaking textur je proces, při kterém se výsledek náročného výpočtu (osvětlení, stínů, detailu vysokopolygonového modelu nebo procedurálního materiálu) předpočítá a uloží do rastrové textury namapované přes UV souřadnice modelu. Za běhu aplikace se pak místo opakovaného výpočtu jen čte hotová hodnota z obrázku, což výrazně šetří výkon.
• Barevný prostorBarevný prostor je definice toho, jakou skutečnou barvu představují číselné hodnoty v obrázku nebo na displeji. Určuje tři věci: primární barvy (rozsah zobrazitelných odstínů), bílý bod a přenosovou funkci mezi uloženým číslem a jasem. Bez této definice je trojice čísel jako 255,128,0 jen bezvýznamný údaj.
• BlenderBlender je open source 3D aplikace pro modelování, sculpting, animaci, simulace, kompoziting a renderování scén. Spojuje nástroje pro tvorbu polygonálních modelů, materiálů, kamer, světel a efektů do jednoho prostředí, takže se používá pro herní assety, vizualizace, motion design, výuku i menší filmovou produkci.