色调映射

成像管线

flowchart LR
  A["渲染: 线性场景辐射亮度"] -->|"色调映射"| B["线性显示辐射亮度"]
  B -->|"显示编码 逆 EOTF"| C["非线性码值"]
  C -->|"显示器 EOTF"| D["屏幕发出的线性辐射亮度"]

• 两种图像状态：场景参考 (scene-referred) 与显示参考 (display-referred)，与编码无关，两者都可线性或非线性编码。
• 物理运算只在场景参考数据上有效；两种状态之间总需要一个非线性变换。

为什么是 S 曲线

• 目标是图像复现；另一种"偏好图像复现"追求比原场景更好看，即调色。
• 视觉系统有适应能力：昏暗房间屏幕上的户外场景亮度不到原场景 1%，仍能产生相似感知。但适应不完美：低亮度下感知对比度降低（Stevens 效应）、色彩丰富度降低（Hunt 效应）；显示器周围亮度影响感知对比（Bartleson–Breneman 效应）；显示眩光（缺陷或屏幕反射加入的杂光）显著降低实际对比度。因此需要提高对比度和饱和度。
• 场景动态范围远大于显示，只能复现一个窄亮度窗口，上下被截成黑白；提高对比度使窗口更窄，于是用柔和滚降找回部分暗部和高光细节。结果就是类似胶片的 S 形曲线——柯达等公司精心调整过胶片乳剂，所以讨论中常出现"filmic"。

曝光与全局映射

• 渲染中曝光是色调变换前对场景参考图像的线性缩放；难点是缩放因子。色调变换通常假设输入按某种方式曝光。
• 曝光缩放加色调曲线是全局色调映射（所有像素同一映射）；局部映射按像素邻域不同。实时应用几乎只用全局映射。

色调曲线

• 可分别作用于 R、G、B：结果自动在显示色域内，但非线性操作（尤其截断）会造成饱和度和色相偏移。饱和度提升在感知上可能有益（抵消 Hunt 效应），色相偏移通常不受欢迎，现代变换在曲线后做额外 RGB 调整以减少它。
• 作用于亮度可避免/减少偏移，但结果可能超出色域，需要映射回来。
• 对场景参考颜色做非线性变换可能干扰某些抗锯齿技术（见 5.4.2 节）。
• 常见曲线：Reinhard（暗部基本不变，亮部渐近于白）；Drago 等（可按输出显示亮度调整，可能更适合 HDR）；Duiker 近似柯达胶片曲线，Hable 加入更多控制并用于《神秘海域 2》（"Hable filmic 曲线"），后来又提出改进曲线；Day 的 S 曲线（Insomniac、《使命召唤：高级战争》）；Gotanda 模拟胶片与数码传感器（《星之海洋 4》）。
• Lottes 指出显示眩光对有效动态范围影响很大且取决于房间照明，因此应提供用户可调的色调映射，并给出同时适用于 SDR 和 HDR 的变换。
• 书中比较：截断丢失高光；Reinhard、Duiker、Frostbite 都保留高光，但 Reinhard 倾向使暗部去饱和，Duiker 增加暗部饱和度，Frostbite（保色相版）保持饱和度和色相，避免了其他三者在高亮处的强烈色相偏移。

ACES

• 把场景到屏幕变换分为两部分：RRT（参考渲染变换）把场景参考值转换到设备中立的输出空间 OCES；ODT（输出设备变换）针对具体显示设备和观看条件从 OCES 转换到最终编码。RRT 与对应 ODT 级联即总变换，模块化便于支持多种显示。
• 需要同时支持 SDR 和 HDR 时推荐使用 ACES。Unreal 默认启用 ACES 色调映射，Unity 也支持；Narkowicz、Patry 给出拟合 RRT+ODT 的廉价曲线，Hart 给出参数化 ODT。

HDR 显示与 Frostbite

• HDR 显示器自身还会做色调映射。Frostbite：SDR 用较激进的曲线，HDR10 用较温和的（随显示峰值亮度有所变化），Dolby Vision 不做色调映射，依赖显示器内建映射。
• Frostbite 变换设计为中性，对比度和色相修改交给调色；在 ICTCP 空间中对亮度做映射，并随亮度滚降到显示白而逐渐去饱和，没有色相偏移。讽刺的是，一些依赖旧变换色相偏移的资产（如火焰特效）出了问题，最终又允许用户重新引入一定的色相偏移。

自动曝光

• 常用方法分析场景参考亮度，为避免停顿通常采样上一帧。
• 早期用对数平均亮度（多次降采样直到单个值）；平均值对离群值敏感，少数亮像素就能影响整帧。改用亮度直方图求更稳健的中位数，也可利用其他数据点：Valve《橙盒》用第 95 百分位和中位数的启发式；可用计算着色器生成直方图。
• 问题是像素亮度本身就不是驱动曝光的正确指标。参考摄影实践（Ansel Adams 区域系统、入射式测光表），应只用光照（不含表面反照率）决定曝光：曝光大致是为了抵消光照，使照片主要呈现表面颜色，对应人眼的颜色恒常性；也保证色调变换得到正确输入——影视中多数变换把曝光后的场景值 0.18（主光下 18% 灰卡）映射到显示值 0.1。
• 实时中尚不普遍，但《合金装备 V：原爆点》有基于光照强度的曝光系统；许多游戏按已知光照为环境不同区域手动设定静态曝光，避免意外的动态变化。

调色 (Color Grading)

• 偏好图像复现：对颜色进行创造性处理，从电影（《逃狱三王》《天使爱美丽》）传播到游戏并被广泛使用。
• 3D LUT 烘焙（Selan）：取恒等 LUT 切片成二维图像，在调色软件中只施加颜色操作（不能有模糊等空间操作），保存后打包成三维 GPU 纹理，渲染时用 RGB 作为 xyz 坐标查表，可表示任意颜色映射（受 LUT 分辨率限制）。Iwanicki 用最小二乘法减少 LUT 采样误差。
• 两种方式：在显示参考数据上调色（容易搭建），或在场景参考数据上调色并通过显示变换预览（保真度更高）。实时应用早期以前者为主，后者因质量更高逐渐流行；还可把色调曲线烘焙进调色 LUT 省计算（《神秘海域 4》）。书中《神秘海域 4》例子：同样的极端青色相乘，在色调映射前后施加效果明显不同。
• 查 LUT 前场景参考数据必须重映射到 [0,1]：Frostbite 用 PQ 的 OETF，Duiker 用对数曲线，Hable 建议开方一到两次。

HDR 显示编码

• SDR：显示器用 sRGB，电视用 Rec. 709 / Rec. 1886，二者色域和白点 (D65) 相同、编码曲线相似但不同，参考白约 80 cd/m²（sRGB）和 100 cd/m²（Rec. 709/1886）；厂商实际做得更亮。
• HDR：Rec. 2020 定义更宽色域（白点同为 D65）；Rec. 2100 定义 PQ 与 HLG 两种编码，渲染中主要用 PQ，峰值亮度定义为 10,000 cd/m²。实际消费级 HDR 显示器很少超过 1500 cd/m²，色域更接近 DCI-P3，因此显示器内部会做色调和色域映射，可受应用传入的元数据影响。

• 第四种选择：仔细调整曝光和颜色后，也可以通过普通 SDR 信号路径驱动 HDR 显示器并得到好结果。
• 除 scRGB 外，应用要在显示编码时用 3×3 矩阵把工作空间转换到 Rec. 2020，并施加比 sRGB 更昂贵的 PQ 编码（有廉价近似）。在 HDR 上合成 UI 要特别注意可读性和舒适的亮度。

GEA 的视角：HDR 与色调映射（卷 II 12.7.1、12.3.4.1）

• 电视、CRT 等显示设备只能产生有限范围的强度，所以帧缓冲颜色通道限定在 0 到 1；现实中光强可以任意大。HDR 光照做光照计算时不把结果钳制到 $[0,1]$，使极暗和极亮区域都能保留细节；显示前用色调映射把图像的强度范围平移缩放到显示设备支持的范围（浮点格式为 0 到 1，字节整数格式为 0–255）（卷 II 12.7.1）。
• GEA 说这样可以再现很多真实视觉效果，例如从暗室走进明亮区域时的短暂"失明"（对应本页的自动曝光），以及强背光物体后面光似乎溢出来的泛光（见 泛光与镜头光晕）。
• HDR 图像的存储：RGB 通道用 16 位或 32 位浮点代替 8 位整数，或者换一种颜色模型，例如流行的 LogLUV（卷 II 12.7.1，GEA 指向 11.3.3.2 节）。
• 颜色分量可以大于 1，这正是 HDR 光照计算的基础；写入显示用的帧缓冲之前，必须色调映射或钳制到 $[0,1]$（卷 II 12.3.4.1）。
• 与本页相比，GEA 只给出了色调映射的基本定义，没有讨论 S 曲线、ACES、调色和 HDR 显示编码。本页上文强调色调映射的目标是在显示上重现场景的感知印象而非简单压缩范围，GEA 的"平移缩放强度范围"是更粗略的表述。

LearnOpenGL 的视角：浮点帧缓冲与 Reinhard / 曝光色调映射（Advanced Lighting / HDR）

来源：HDR；摘录 Advanced Lighting — HDR。

默认 LDR 缓冲会把 >1 的颜色夹断，高亮区糊成一片白。用 GL_RGBA16F（或 32F）颜色附件的 浮点 FBO 暂存 HDR；灯光可用真实量级（如漫反射 100）。最后屏四边形做色调映射再输出默认 FBO。

• Reinhard：mapped = hdr/(hdr+1)，再 pow(..., 1/2.2)。
• 曝光：mapped = 1 - exp(-hdr * exposure)，低曝光看清亮部、高曝光看清暗部。

可在光照 shader 末尾直接映射，但复杂场景常需中间 HDR 缓冲。与 显示编码与 sRGB、泛光与镜头光晕 衔接：Bloom 宜在 tone map 之前 加到 HDR 上。