【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

色调映射（Tonemapping）是Unity URP后处理中的关键技术，用于将高动态范围（HDR）图像适配到标准动态范围（SDR）显示设备，解决亮度范围超出显示器能力导致的细节丢失问题。以下是综合解析：

‌作用

‌核心功能‌

动态范围压缩：将HDR光照数据（如阳光直射与阴影的极端亮度差）映射到0-1的LDR范围，避免高光过曝或暗部细节丢失。
视觉优化：通过非线性曲线调整亮度和对比度，模拟人眼对光照的非线性感知，增强画面电影感或自然感。
典型应用：HDR渲染、Bloom特效配合、影视化色彩分级。

‌与Gamma校正的区别‌

Gamma校正是简单的幂律变换，而色调映射涉及全局/局部的动态范围适配策略，如ACES算法会改变色相和饱和度以实现电影级效果。

‌发展历史‌

‌早期算法‌：如Reinhard算子（全局映射），通过对数压缩保留整体氛围，但局部对比度不足。
‌进阶算法‌：ACES（学院色彩编码系统）成为行业标准，提供更自然的亮部压缩和色彩空间转换。
‌现代优化‌：Unity URP/HDRP引入Custom模式，支持用户自定义曲线参数（如Toe/Shoulder强度），平衡性能与效果。

原理

色调映射(Tonemapping)是将高动态范围(HDR)图像转换为标准动态范围(SDR)显示的核心技术，其底层原理主要涉及非线性压缩和感知优化。以下是详细解释：

HDR到LDR的转换需求

在HDR渲染中，光照强度可能远超显示器能表现的0-1范围（如阳光亮度可达6.5单位），直接显示会导致亮部细节丢失为纯白。色调映射通过以下方式解决：

‌动态范围压缩‌：将HDR的高亮度值（如>1.0）非线性压缩到LDR的0-1范围，避免简单截断导致的亮部细节丢失。
‌感知适配‌：模拟人眼对亮度的非线性响应（如韦伯-费希纳定律），在暗部保留更多细节。

核心算法原理

ACES曲线（常用电影级算法）

‌公式‌：通过有理分式实现高光柔和压缩，同时增强中间调对比度。

$f(x)=\\frac {x(2.51x+0.03)}{x(2.43x+0.59)+0.14}$
‌示例效果‌：输入亮度6.5会被映射到约0.95，而0.5亮度映射到0.45，既保留高光层次又避免整体发灰。

Neutral模式（中性映射）

采用对数变换：最小化色相偏移，适合需要后续色彩分级的场景。

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

自定义曲线参数

‌Toe/Shoulder控制 ‌：
- Toe Strength调整暗部过渡（0.5时暗部细节更明显）
- Shoulder Angle控制高光压缩斜率（值越大高光保留越多）（具体参数见下表）

参数	作用	典型值
Gamma	整体伽马校正	2.2
Toe Length	暗部动态范围占比	0.3-0.5
Shoulder Strength	高光过渡硬度	0.5-0.8

URP实现示例

在URP中通过Volume组件添加Tonemapping覆盖，关键代码如下：

csharp 复制代码

csharp
// 通过Volume API动态修改参数
var volume = GetComponent<Volume>();
if (volume.profile.TryGet(out Tonemapping tone)) {
    tone.mode.value = TonemappingMode.ACES;
    tone.shoulderStrength.value = 0.7f;
}

此代码将模式设为ACES并调整高光过渡强度。

视觉对比实验

测试场景中：

无Tonemapping时，阳光区域（亮度5.0）显示为全白；
启用ACES后，同一区域呈现为淡黄色并保留云层纹理。

该技术本质是‌基于人眼感知特性的动态范围重映射‌，通过非线性函数平衡物理准确性与视觉舒适度。

‌Unity URP实现流程‌

‌启用Tonemapping‌

需通过Volume框架添加后处理覆盖：

创建或选择已有Volume GameObject。
在Inspector中点击 Add Override > Post-processing > Tonemapping。

‌参数详解‌

参数	说明	用例
‌Mode‌	映射算法类型	`ACES`适合电影感，`Neutral`保留原始色彩
‌Toe Strength‌	暗部过渡强度	值越高，阴影对比度越强（Custom模式有效）
‌Shoulder Length‌	高光动态范围	控制亮部细节保留程度
‌Lookup Texture‌	自定义LUT纹理	实现风格化调色（如赛博朋克色调）

‌完整示例代码‌

以下为URP中自定义Tonemapping的Shader实现示例：

代码说明：

Shader实现ACES算法，通过曝光参数(_Exposure)控制亮度映射。
Volume脚本提供运行时参数调整，集成到URP后处理堆栈。

TonemappingEffect.shader

c 复制代码

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