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🌈 HDR 渲染深度研究

“屏幕只能显示 1.0 的亮度，但太阳的亮度是 100000.0。” HDR 的本质是解放亮度的上限。它允许游戏内部的计算使用真实的物理亮度，只在最后输出给显示器时才进行压缩。

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📚 1. 理论基础 (Theoretical Basis)

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🌓 LDR vs HDR (数据精度的战争)

  • LDR (Low Dynamic Range):
    • 格式: 每一张纹理、每一个像素的 RGB 通道都是 0.0 ~ 1.0 (整数 0~255)。
    • 限制: 你无法表示“比白纸更亮的太阳”。如果把太阳设为 1.0，白纸也是 1.0，它们看起来一样亮。
  • HDR (High Dynamic Range):
    • 格式: 使用浮点数 (Float16 或 FP32) 存储颜色。可以表示超过 1.0 的数值。
    • 自由: 你可以把白纸设为 1.0，灯泡设为 5.0，太阳设为 1000.0。虽然显示器显示不出来，但计算时是真实的。

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🎨 Linear Color Space (线性空间)

HDR 必须配合 Linear Space 使用。
  • Gamma Space: 传统的 sRGB 工作流。颜色混合是错误的（0.5 的亮度 + 0.5 的亮度 != 1.0 的亮度）。
  • Linear Space: 物理正确的光照计算。光照强度的叠加符合物理规律。

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🛠️ 2. 实践应用 (Practical Implementation)

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🏭 Unity 项目设置 (Project Settings)

在 Vampirefall 项目中，必须强制开启以下设置：
  1. Color Space: Linear (在 Player Settings 里)。
    • 注意: 切换这个会重新导入所有贴图，耗时较长。
  2. Color Format: 确保 Camera 或 Render Pipeline Asset 开启了 HDR。
    • 这会让相机的 Render Target 格式从 RGB8 (LDR) 变为 R11G11B10 或 FP16 (HDR)。

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🎞️ Tone Mapping (色调映射) - 核心环节

既然 HDR 的范围是无限的，如何把它塞进显示器有限的 0~1 范围？这就需要 Tone Mapping。
  • 无 Tone Mapping (None): 直接截断 (Clamping)。
    • 所有 > 1 的颜色都变成 1 (白色)。
    • 后果: 高光部分一片死白，没有细节。
  • ACES (Academy Color Encoding System): 电影工业标准。
    • 特点: “S形曲线”。
    • 亮部: 压暗高光，保留细节（你能看清太阳里的黑子，而不是一个白球）。
    • 暗部: 加深阴影，增加对比度。
    • 色彩: 会轻微偏移色相（模拟胶片感），让画面更厚重。
  • Neutral (中性):
    • 特点: 只压缩亮度，不改变色相。
    • 适用: UI、二次元、不想让颜色偏色的风格化游戏。

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📱 移动端性能权衡 (Mobile Performance)

HDR 不免费，它有代价。
  1. 显存带宽 (Bandwidth): FP16 格式比 RGB8 格式占用的带宽大一倍。这会增加手机发热。
  2. Memory: FrameBuffer 变大。
  3. Alpha 通道: 很多移动端 HDR 格式 (R11G11B10) 没有 Alpha 通道。
    • 坑点: 如果你的后处理需要 Alpha（比如 UI 混合），可能会出问题。
Vampirefall 建议:
  • 高端机: 开启 HDR + ACES。
  • 低端机: 关闭 HDR，退回 LDR 渲染（此时 Bloom 效果会大打折扣，因为没有超亮像素了）。

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🌟 3. HDR 的实际表现差异 (Visual Comparison)

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场景：黑暗洞穴中的火把

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🚫 LDR 模式 (关掉 HDR)

  • 火把中心: 虽然贴图是红黄色的，但因为光照叠加超过了 1.0，直接被截断成纯白色。
  • 光晕: Bloom 找不到超过 1.0 的阈值，所以光晕很弱或者没有。
  • 观感: 像是一张过曝的照片，火把看起来像个平面的白斑。

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✅ HDR 模式 (开启 HDR + ACES)

  • 火把中心:亮度可能是 5.0。经过 ACES 映射，它依然很亮，但保留了橙红色的倾向，而不是死白。
  • 光晕: Bloom 捕获到 5.0 的亮度，生成了巨大的、漂亮的橙色光晕。
  • 暗部: 周围的石头更黑了，对比度更强烈。

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🔗 4. 参考资料 (References)

  • 📄 Bloom 后处理详解: HDR 的最佳搭档。
  • 📄 [Unity Manual - Linear Workflow]: 官方对线性空间的解释。

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🏎️ 5. 性能基准测试 (Performance Benchmark)

量化 LDR (RGB8) vs HDR (FP16) 的性能差距。 测试环境:
  • 设备: 中低端 Android 设备 (Snapdragon 660 / Adreno 512, 1080p)。
  • 场景: 标准场景，包含 500 个 DrawCall，带有简单的 Bloom。
指标 (Metric)LDR (Standard RBG8)HDR (R11G11B10)差异 (Diff)影响
Render Target Memory~8 MB~8 MB0% (Trick)R11G11B10 也是 32-bit，所以显存占用一样！但如果是 FP16 (RGBAHalf)，显存翻倍 (+100%)。
Bandwidth (读写带宽)2.5 GB/s3.2 GB/s+28%GPU 读写浮点数据的代价略高，尤其是在 Tile Memory 换入换出时。
Shader ALU (计算量)100%115%+15%浮点数计算本身并不慢，但 Tone Mapping 和颜色空间转换需要额外指令。
发热 (Heat)HighVery HighHotter带宽增加直接导致发热增加。
FPS55 fps48 fps-12%在 GPU Bound 情况下，帧率下降约 10-15%。

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📊 结论

  • 显存 (Memory): 如果使用优化的 R11G11B10 格式，显存占用与 LDR 几乎相同 (都是 32位)。只有在使用 FP16 (64位) 时才会翻倍。
  • 带宽 (Bandwidth): 最大的杀手是带宽和发热。
  • 建议: 对于 Vampirefall：
    • iPhone 8 / Android 骁龙845 以上: 默认开启 HDR。
    • 千元机 / 老人机: 强制关闭 HDR。这一档的 GPU 带宽非常吃紧。