【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

色調映射（Tonemapping）是Unity URP後處理中的關鍵技術，用於將高動態範圍（HDR）圖像適配到標準動態範圍（SDR）顯示設備，解決亮度範圍超出顯示器能力導致的細節丟失問題。以下是綜合解析：

‌作用

‌核心功能‌

• 動態範圍壓縮：將HDR光照數據（如陽光直射與陰影的極端亮度差）映射到0-1的LDR範圍，避免高光過曝或暗部細節丟失。
• 視覺優化：通過非線性曲線調整亮度和對比度，模擬人眼對光照的非線性感知，增強畫面電影感或自然感。
• 典型應用：HDR渲染、Bloom特效配合、影視化色彩分級。

‌與Gamma校正的區別‌

• Gamma校正是簡單的冪律變換，而色調映射涉及全局/局部的動態範圍適配策略，如ACES算法會改變色相和飽和度以實現電影級效果。

‌發展歷史‌

• ‌早期算法‌：如Reinhard算子（全局映射），通過對數壓縮保留整體氛圍，但局部對比度不足。
• ‌進階算法‌：ACES（學院色彩編碼系統）成為行業標準，提供更自然的亮部壓縮和色彩空間轉換。
• ‌現代優化‌：Unity URP/HDRP引入Custom模式，支持用户自定義曲線參數（如Toe/Shoulder強度），平衡性能與效果。

原理

色調映射(Tonemapping)是將高動態範圍(HDR)圖像轉換為標準動態範圍(SDR)顯示的核心技術，其底層原理主要涉及非線性壓縮和感知優化。以下是詳細解釋：

HDR到LDR的轉換需求

在HDR渲染中，光照強度可能遠超顯示器能表現的0-1範圍（如陽光亮度可達6.5單位），直接顯示會導致亮部細節丟失為純白。色調映射通過以下方式解決：

• ‌動態範圍壓縮‌：將HDR的高亮度值（如>1.0）非線性壓縮到LDR的0-1範圍，避免簡單截斷導致的亮部細節丟失。
• ‌感知適配‌：模擬人眼對亮度的非線性響應（如韋伯-費希納定律），在暗部保留更多細節。

核心算法原理

ACES曲線（常用電影級算法）

• ‌公式‌：通過有理分式實現高光柔和壓縮，同時增強中間調對比度。

  $f(x)=\frac {x(2.51x+0.03)}{x(2.43x+0.59)+0.14}$

• ‌示例效果‌：輸入亮度6.5會被映射到約0.95，而0.5亮度映射到0.45，既保留高光層次又避免整體發灰。

Neutral模式（中性映射）

• 採用對數變換：最小化色相偏移，適合需要後續色彩分級的場景。

  $f(x)=\frac {log(x+1)}{log(X_{max}+1)}$

自定義曲線參數

• ‌Toe/Shoulder控制‌：

  • Toe Strength調整暗部過渡（0.5時暗部細節更明顯）
  • Shoulder Angle控制高光壓縮斜率（值越大高光保留越多）（具體參數見下表）

URP實現示例

在URP中通過Volume組件添加Tonemapping覆蓋，關鍵代碼如下：

csharp
// 通過Volume API動態修改參數
var volume = GetComponent<Volume>();
if (volume.profile.TryGet(out Tonemapping tone)) {
    tone.mode.value = TonemappingMode.ACES;
    tone.shoulderStrength.value = 0.7f;
}

此代碼將模式設為ACES並調整高光過渡強度。

視覺對比實驗

測試場景中：

• 無Tonemapping時，陽光區域（亮度5.0）顯示為全白；
• 啓用ACES後，同一區域呈現為淡黃色並保留雲層紋理。

該技術本質是‌基於人眼感知特性的動態範圍重映射‌，通過非線性函數平衡物理準確性與視覺舒適度。

‌Unity URP實現流程‌

‌啓用Tonemapping‌

需通過Volume框架添加後處理覆蓋：

• 創建或選擇已有Volume GameObject。
• 在Inspector中點擊 Add Override > Post-processing > Tonemapping。

‌參數詳解‌

‌完整示例代碼‌

以下為URP中自定義Tonemapping的Shader實現示例：

代碼説明：

• Shader實現ACES算法，通過曝光參數(_Exposure)控制亮度映射。
• Volume腳本提供運行時參數調整，集成到URP後處理堆棧。

• TonemappingEffect.shader

  Shader "PostProcessing/Tonemapping"
  {
      Properties {...}
      SubShader
      {
          Pass
          {
              // ACES近似算法核心
              float3 ACESTonemap(float3 color)
              {
                  float a = 2.51, b = 0.03, c = 2.43, d = 0.59, e = 0.14;
                  return saturate((color*(a*color+b))/(color*(c*color+d)+e));
              }
              fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
              {
                  float4 src = tex2D(_MainTex, i.uv);
                  float3 tonemapped = ACESTonemap(src.rgb * _Exposure);
                  return float4(tonemapped, src.a);
              }
          }
      }
  }

• TonemappingVolume.cs

  using UnityEngine.Rendering;
  public class TonemappingVolume : VolumeComponent
  {
      public TonemappingModeParameter mode = new TonemappingModeParameter(TonemappingMode.ACES);
      public FloatParameter exposure = new FloatParameter(1.0f);
  }

‌實際用例建議‌

• ‌開放世界遊戲‌：使用ACES模式增強日落時的高光自然過渡。
• ‌移動端優化‌：改用Neutral模式減少計算開銷，或簡化ACES算法（如擬合矩陣）。
• ‌藝術風格化‌：結合Lookup Texture實現像素風或復古膠片效果。

通過調整參數組合（如Toe Length+Shoulder Angle），可精細控制畫面動態範圍分佈

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達
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