HDR全景贴图在三维场景中的应用流程
[摘 要] HDR全景贴图在三维场景中的应用非常广泛，本文结合在学习和制作过程中的体验,对HDR全景贴图在三维场景中的应用和制作流程进行了描述。包括如何用按一定曝光差拍摄的系列曝光照片制作HDR图片、如何制作全景HDR贴图以及三维动画场景制作中如何运用HDR贴图作为灯光和反射环境等方面的内容。
[关键词] HDR 全景贴图 三维场景 流程
1.HDR贴图含义及在三维动画中的用途
HDR是High-Dynamic Range的缩写，即高动态范围。高动态范围是指设备在不损失暗部和高光部分细节的情况下，记录的场景从黑暗到最亮之间的接近真实的亮度范围。普通的图形文件是8位，每个象素只有0 － 255的灰度范围，图片亮度等级在256个灰度单位以内。比如，一张普通的照片中如果有太阳和白云，那么太阳和白云在照片中呈现的是同样的亮度——纯白，而太阳和白云的实际亮度差别是非常大的。可见，普通的图形文件格式，远远没有纪录到现实场景真实的亮度关系。而HDR图片则是通过对场景的同一角度按一定的曝光
差进行多次曝光，得到的各个分段的亮度图像信息，经过合成软件合成后得到的32位宽动态范围图像，它的每一个像素除了普通的RGB信息，还有该点的实际亮度信息，亮度等级是2的32次方即几十亿，需要调整Exposure（曝光）值，才能看到整个图的各个断的细节。所记录的细节信息量接近于人的眼睛所能看到的真实景象，这是普通图像所无法企及的。因此，将其应用于三维动画和三维游戏、影视、广告等领域作为渲染三维场景环境和光照的贴图，大大的提高了场景的细节真实度，也大大减轻了三维场景设计的工作量，缩减了制作成本，应用前景极广。
2.制作HDR贴图
2.1 拍摄原始照片素材
为了尽可能保留场景中丰富的细节，制作一张HDR贴图最好拍摄5到7张同样场景、不同曝光的照片进行合成。至于调整曝光的方法，如果采用调整光圈的方法，景深就会有变化；如果调整ISO蒸螃蟹是冷水下锅还是热水下锅，高ISO又会产生很多噪点。所以应该选择改变快门速度的方法调整曝光。调整快门速度，有两种方法：第一种可以调到快门优先模式下，使用自动包围曝光；第二种是进入手动控制模式，就不必进入菜单进行各种设置，可以更快更准。以1 EV曝光差拍摄
5张至7张。手动对焦，可以防止焦点改变。将ISO设置到最低，同时将光圈调到最大。使用三脚架并且用快门线或无线遥控拍摄，可以保证合成时不错位。格式用RAW，这样可以记录更完整的细节。
要制作一张全景的HDR贴图，需要在拍摄点将周围360度范围分成8个等份，向8个方向用鱼眼镜头分别拍摄5张至7张以1 EV曝光差曝光的RAW格式的全景照片。
2.2 中国城市人口密度榜出炉合成HDR图片
得到不同曝光的图片以后，再用制作HDR的专业软件合成，这类软件大致有十几款，如Artizen HDR、Dynamic-Photo HDR、easyHDR、Essential HDR、HDR Darkroom、HDR PhotoStudio、HDRShop、Photomatix Pro、Photoshop等等，通常比较流行的是用Photomatix和Photoshop这两款软件来合成HDR图像，经过比较，觉得还是Photoshop的效果最好。下面分别介绍一下这两个软件的合成步骤：
2.2.1 Photomatix合成步骤：
打开软件后，先点击Generate HDR image（生成HDR图像）导入RAW图片，勾选Align s
ource images(对齐多张图片),一般选择“By matching features(通过匹配特征)”。这样会使多张照片根据特征对齐，但是如果是手持拍摄的照片，使用这个功能对齐后的效果并不理想，远不如Photoshop的对齐效果完美。 “Reduce chromatic aberrations（减少差）”与“Reduce Noise（减少噪点）”如果是使用RAW格式照片，则不需要勾选。
接下来的部分是“Attempt to reduce ghosting artifacts(尝试减少人造拖影)”，如果场景中有移动的物体可以勾选这个选项，如果没有，不要勾选，否则图像会过分锐化。剩下的选项保持默认就可以，然后点击面板上的“OK”， Photomatix就会把RAW文件处理为32位HDR图像。得到HDR图像后，在一般的显示器上并不能观看，因为一般的显示器不能显示32位的HDR图像，所以要借助像HDRView这样的专门的HDR浏览器来观看HDR图像的效果。
2.2.2 Photoshop合成步骤：
电脑显示器黑屏打开文笔好的穿越文Photoshop，在”文件”菜单中，点击“自动”→“合并到HDR…”，导入RAW图片，将左下角“尝试自动对齐源图像”勾选上，
点击“确定”即得到32位HDR图像。点击“图层”面板下方的“创建新的填充或调整图层蜂巢剧院”按钮，
在弹出的下拉面板中依次选择“曝光度”和“照片滤镜”对图像进行微调，在“照片滤镜”中，可以选择“加温滤镜”或“冷却滤镜”，或使用HDR调板选择颜对整体调进行调整。调整完成后，保存为HDR格式。这样，依次将8个方向拍摄的8套（每套5至7张）RAW图片合成为8张HDR图像。
2.3 制作HDR全景贴图
打开HDRshop，在“文件”菜单中打开合成的HDR图像，在“图像”菜单中点击“全景”→“全景转化”，在“目标图像”的格式栏，选择“纬度/经度”，设置好宽和高。单击“OK”,这样就得到了一张长方形展开的HDR图像。分别将另外7张HDR图像作同样处理，得到8张8个方向的展开的HDR图像。将这8张HDR图像在photoshop中进行对位拼接，并利用“调整图层”中的“曝光度”和“照片滤镜”对图像进行微调。最终得到一张全景的HDR贴图。
3.HDR全景贴图在三维动画场景制作中的运用
3.1 建立HDR贴图照明环境
打开Maya,以金属球的渲染为例，创建一个NURBS球体模型，在“渲染设置”中切换到ment
al ray渲染，在Final Gathering中勾选Final Gathering。在Environment中，点击Image Based Lighting后边的Create按钮，在创建的环境球的图像文件夹中导入“全景HDR贴图”。在Render Options中，取消“普通灯光照明”的勾选。这样就建立了基于图像的灯光照明环境。
3.2 为模型创建材质。
在Hypershade中创建blinn下冰雹车子砸坏了保险有赔吗材质球，将其赋给金属物体。将其Raflectivity值调至最大，Diffuse调为0，此时渲染，可见金属对环境的反射已经基本建立。
3.3 调整渲染。
试着在“渲染设置”面板中Final Gathering下的Accuracy值增大为400，Point Interpolation的值增大为20。在Final Gathering Quality中，将Filter值调大为2，将Raytrace/Scanline Quality中的Max Sample Level（最高采样级别）值调大为2，它是处理图像时每个像素使用的对象特定的最大采样数。该值不能超过全局最高采样级别值，超过的部分无效。渲染可见材质反射增加了很多细节。
此时，因为反射贴图使用的HDR图像的亮度反差很大，所以反射中的最亮部分和最暗部分的对比太大，暗的部分看不清细节，因此需要用mentalry材质节点中的mia_exposure_simple节点将亮度范围压缩调整到可接受的范围，以适应显示设备的限制。在mentalry的Lenses中，创建一个mia_exposure_simple节点，选择摄像机，将mia_exposure_simple节点用鼠标中键拖给Perspshape面板上的mentalray中的Lens Shader属性上，渲染可见，材质反射亮度对比已经比较合理，更加接近真实。至此，在三维场景中使用HDR全景贴图建立光照和环境的工作基本完成。
4.结语
随着 HDR相关的采集、显示等等软硬件技术的不断发展，HDR必将在数字影像领域得到越来越广泛的应用。对三维动画、游戏、广告…向高品质、 高信息量的方向发展起到了关键性的作用。学习和研究HDR贴图在三维场景制作中的应用技术也将越来越具有应用价值。
参考文献:
[1]朱秀明.高动态范围图像的合成及可视化研究 [D ].浙江:浙江大学 , 2008 .
[2]captainkimo/hdr-software-review-comparison.
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