HDR 렌더링 (3) ~ HDR 렌더링의 두 번째 효능

[칼럼 핵심 요약]
HDR 렌더링에서는, 매우 어두운 휘도 영역으로부터 매우 밝은 휘도 영역까지의 음영을 올바르게 버퍼에 기록하고 있기 때문에, 그 씬의 평균 휘도를 구하고 나서, 그 값을 중심으로 톤 매핑을 실시하면 그 씬을 적정 휘도로 볼 수 있다.
🌐 원문 링크: HDRレンダリング(3)～HDRレンダリングの第二の効能 (Mynavi News)
📅 원문 발행일: 2008-12-19 ｜ ✍️ 저자: 西川善司 (니시카와 젠지 / Zenji Nishikawa)

NOTE

💡 현대 그래픽스 관점에서의 발전사 (Modern Retrospective)

HDR 디스플레이 하드웨어 보급: 본문 연재 당시(2008~2009년)에는 SDR 모니터 출력을 위해 FP16 버퍼를 톤 매핑하는 것이 목적이었으나, 현재는 1000nit 이상의 OLED/Mini-LED HDR 디스플레이가 대중화되어 ACES(Academy Color Encoding System) 기반의 광색역 HDR10 출력이 표준화되었습니다.
노출 적응 및 물리 기반 카메라: 현대 게임 엔진은 실제 카메라의 셔터 스피드, 조리개(f-stop), ISO 감도를 그대로 모사하는 물리 기반 노출(Physical Camera Exposure) 모델을 사용합니다.

📖 본문 해설

[원문 리드문] > HDR 렌더링에서는, 매우 어두운 휘도 영역으로부터 매우 밝은 휘도 영역까지의 음영을 올바르게 버퍼에 기록하고 있으므로, 그 씬의 평균 휘도를 구하고 나서, 그 값을 중심으로 톤 매핑을 실시하면 그 씬을 적정 휘도로 볼 수 있다.

HDR 렌더링 제2의 효능~노출의 시뮬레이션을 실시할 수 있다

첫 번째 효능은 묻혀 있던 낮은 반사율의 음영이 보이게 된다… 현재, 일부 메이커로부터 하이 다이내믹 레인지 디스플레이 장치라고 하는 것이 발매되기 시작하고 있지만, 아직 비싸고 일반용이 아니다.

따라서, HDR 렌더링에 의해 생성된 프레임(영상)을, 일반적으로 보급되고 있는 디스플레이로 표시하려면, 아무래도 「표시하기 위한 조정(≒감색) 가공 처리」가 필요하게 된다. 이 처리 시스템은 "톤 맵핑"(Tone Mapping)이라고 불리며, 광의로는이 처리를 포함하여 HDR 렌더링이라고도합니다.

구 BRIGHTSIDE사(현재는 Dolby가 인수 취득) 개발, 닛쇼 일렉트로닉스사 발매의 HDR 디스플레이 「DR37-P」. 콘트라스트비 20만:1, 최대 휘도 3000cd/제곱m

그런데, 전출의 「시각의 다이나믹 레인지」의 그림에 나타낸 바와 같이 인간의 시각에 있어서, 인간이 지각할 수 있는 다이나믹 레인지는 80~120dB 전후라고 한다. 그러나 실제로 한 번에 색상으로 인식 할 수있는 범위는 보는 장면의 최대 휘도 또는 평균 휘도로 당겨집니다.

예를 들어 이런 경험이 있을 것이다. 휴대전화를 실내에서 열면 액정 화면이 잘 보이는데 화창한 날 야외에서 열면 거의 보이지 않는다. 휴대 전화의 액정 디스플레이의 밝기는 변하지 않았지만, 보일 때와 보이지 않을 때가있다.

이는 인간의 눈에 있는 광채(Iris)라는 부위가 보고 있는 정경 전체의 휘도에 적응해 닫거나 열거나 하여 안구 안에 통과하는 광량을 조정하고 있기 때문에 일어나는 현상이다. 실내에서는 광채를 열어 기색으로 하여 망막에 빛을 많이 도입하고 있었기 때문에, 액정 화면의 빛도 밝게 보이지만, 옥외에서는 광채가 좁혀져 망막에의 광량이 줄어들고, 액정 화면 정도의 휘도에서는 망막에 도달하기 어려워졌다는 셈이다.

HDR 렌더링에서는, 매우 어두운 휘도 영역으로부터 매우 밝은 휘도 영역까지의 음영을 올바르게 버퍼에 기록하고 있기 때문에, 그 씬의 평균 휘도를 구하고 나서, 그 값을 중심으로 톤 매핑을 실시하면 그 씬을 적정 휘도로 볼 수 있다. 물론, 적정 휘도 범위 이하의 계조는 죽어 검은색으로 우울하거나, 범위 이상의 계조는 흰색으로 날아가 버리는 것이지만, 실제 우리의 시각도 그렇기 때문에, 리얼한 시야를 재현한다는 의미에 있어서는, 오히려 편리하다. 이 톤 매핑 공정은 눈의 광채가보기 쉬운 조리개로 보는 동작을 모방하는 것에 해당한다.

이 톤 매핑을 매 프레임 단위로 순간적으로 수행하는 것이 아니라, 약간의 지연으로 서서히 수행하면 더욱 현실성이 증가한다.

현실 세계에서도 어두운 방에서 밝은 옥외로 뛰쳐나오면 일순간 눈이 흐르는 눈부심에 휩싸이지만 점차 눈이 익숙해져 적정한 휘도 밸런스로 정경이 눈에 들어오게 된다.

이 적정 휘도로 조정하는 동적인 톤 맵핑 처리를 일부러 약간의 지연을 수반하여 실시하면 '밝기/어두움에 눈이 익숙해져 간다'모습을 표현할 수 있습니다.

이러한 동적인 톤 매핑 처리는, 눈으로 말하면 광채, 카메라로 말하면 「조리개」제어에 상당하고, 이러한 광량 조정에 의한 명암의 컨트롤은 카메라 용어로 말하는 「노출 보정」에 가깝다.

HDR 렌더링의 두 번째 효능은 이러한 노출 시뮬레이션을 할 수 있는 곳에 있다. (계속)

"HalfLife2:Lost Coast"(VALVE,2005)에서. 어두운 실내에 눈이 익숙한 상태