การเรนเดอร์ช่วงไดนามิกสูง ( HDRRหรือHDR rendering ) หรือที่รู้จักกันในชื่อการจัดแสงช่วงไดนามิกสูงคือการเรนเดอร์ฉากกราฟิกคอมพิวเตอร์โดยใช้ การคำนวณ แสงที่ทำในช่วงไดนามิกสูง (HDR) ซึ่งช่วยให้รักษารายละเอียดที่อาจสูญหายไปเนื่องจากอัตราส่วนคอนทราสต์ ที่จำกัด ได้วิดีโอเกมภาพที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ ภาพยนตร์ และเอฟเฟกต์ภาพได้รับประโยชน์จากสิ่งนี้ เนื่องจากสร้างฉากที่สมจริงกว่าการใช้โมเดลแสงที่เรียบง่ายกว่า เดิมที HDRR จำเป็นสำหรับการปรับโทนสีของภาพที่เรนเดอร์แล้วลงบน จอแสดงผล ช่วงไดนามิกมาตรฐาน (SDR) เนื่องจากจอแสดงผลที่รองรับ HDR รุ่นแรก เพิ่งออกมาในช่วงปี 2010 อย่างไรก็ตาม หากมีจอแสดงผล HDR รุ่นใหม่ ก็สามารถแสดงผล HDRR แทนได้ด้วยคอนทราสต์และความสมจริงที่มากขึ้น

บริษัทNvidia ผู้ผลิตหน่วยประมวลผลกราฟิก สรุปแรงจูงใจสำหรับ HDRR ไว้ 3 ประเด็น คือ สิ่งที่สว่างจะสว่างมาก สิ่งที่มืดจะมืดมาก และสามารถมองเห็นรายละเอียดได้ทั้งสองแบบ^{[ 1 ]}

การใช้ภาพช่วงไดนามิกสูง (HDRI) ในกราฟิกคอมพิวเตอร์ได้รับการแนะนำโดย Greg Ward ในปี 1985 ด้วย ซอฟต์แวร์ Radiance แบบโอเพนซอร์ส สำหรับการเรนเดอร์และการจำลองแสงซึ่งสร้างรูปแบบไฟล์แรกที่เก็บรักษาภาพช่วงไดนามิกสูงไว้ HDRI ซบเซามานานกว่าทศวรรษเนื่องจากข้อจำกัดด้านกำลังการประมวลผล พื้นที่จัดเก็บ และวิธีการจับภาพ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ เทคโนโลยีที่จะนำ HDRI มาใช้ในทางปฏิบัติจึงได้รับการพัฒนาขึ้น^{[ 2 ] [ 3 ]}

ในปี พ.ศ. 2533 Eihachiro Nakame และเพื่อนร่วมงานได้นำเสนอแบบจำลองแสงสำหรับเครื่องจำลองการขับขี่ ซึ่งเน้นย้ำถึงความจำเป็นในการประมวลผลช่วงไดนามิกสูงในการจำลองที่สมจริง^{[ 4 ]}

ในปี พ.ศ. 2538 เกร็ก สเปนเซอร์ ได้นำเสนอเอฟเฟกต์ภาพเรืองแสงตามหลักฟิสิกส์สำหรับภาพดิจิทัลที่งาน SIGGRAPHโดยนำเสนอแบบจำลองเชิงปริมาณสำหรับแสงแฟลร์และแสงฟุ้งกระจายในดวงตาของมนุษย์^{[ 5 ]}

ในปี พ.ศ. 2540 Paul Debevecได้นำเสนอRecovering high dynamic range radiance maps from photographs ^{[ 6 ]}ที่ SIGGRAPH และในปีต่อมาได้นำเสนอRendering synthetic objects into real scenes [ ^{7 ] เอกสาร}ทั้งสองฉบับนี้ได้วางกรอบสำหรับการสร้าง HDR light probesของสถานที่ และใช้ probe นี้ในการให้แสงสว่างแก่ฉากที่เรนเดอร์แล้ว

HDRI และ HDRL (high-dynamic-range image-based lighting ) ถูกนำมาใช้ในหลายสถานการณ์ในฉาก 3 มิติมาโดยตลอด ซึ่งการแทรกวัตถุ 3 มิติลงในสภาพแวดล้อมจริงนั้นต้องการข้อมูลจากเซ็นเซอร์วัดแสงเพื่อให้ได้โซลูชันแสงที่สมจริง

ในแอปพลิเคชันเกมRiven: The Sequel to Mystในปี 1997 ใช้เชเดอร์ประมวลผล HDRI โดยตรงตามเอกสารของ Spencer ^{[ 8 ]}หลังจากงาน E3 2003 Valveได้ปล่อยภาพยนตร์สาธิตการเรนเดอร์เมืองด้วยเอนจิ้น Sourceในช่วงไดนามิกสูง^{[ 9 ]}คำนี้ไม่ได้ถูกใช้บ่อยนักอีกจนกระทั่งงาน E3 2004 ซึ่งได้รับความสนใจมากขึ้นเมื่อEpic GamesนำเสนอUnreal Engine 3และ Valve ประกาศHalf-Life 2: Lost Coastในปี 2005 ควบคู่ไปกับเอนจิ้นโอเพนซอร์ส เช่นOGRE 3Dและเกมโอเพนซอร์สเช่น Nexuiz

ในช่วงปี 2010 จอแสดงผล HDRเริ่มวางจำหน่ายเป็นครั้งแรก ด้วยอัตราส่วนคอนทราสต์ที่สูงขึ้น HDRR สามารถลดหรือขจัดปัญหาการปรับโทนสีทำให้ได้ภาพที่สมจริงยิ่งขึ้น

ข้อดีหลักอย่างหนึ่งของการเรนเดอร์ HDR คือการรักษารายละเอียดในฉากที่มีอัตราส่วนความคอนทราสต์สูงเอาไว้ได้ หากไม่มี HDRR บริเวณที่มืดเกินไปจะถูกตัดให้เป็นสีดำ และบริเวณที่สว่างเกินไปจะถูกตัดให้เป็นสีขาว ซึ่งฮาร์ดแวร์จะแสดงค่าเหล่านี้เป็นค่าทศนิยม 0.0 และ 1.0 สำหรับสีดำและสีขาวบริสุทธิ์ตามลำดับ

อีกแง่มุมหนึ่งของการเรนเดอร์ HDR คือการเพิ่มสัญญาณการรับรู้ที่เพิ่มความสว่างที่ปรากฏ การเรนเดอร์ HDR ยังส่งผลต่อวิธีการรักษาแสงในปรากฏการณ์ทางแสง เช่นการสะท้อนและการหักเหรวมถึงวัสดุโปร่งใส เช่น กระจก ในการเรนเดอร์ LDR แหล่งกำเนิดแสงที่สว่างมากในฉาก (เช่น ดวงอาทิตย์) จะถูกจำกัดไว้ที่ 1.0 เมื่อแสงนี้สะท้อน ผลลัพธ์จะต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.0 อย่างไรก็ตาม ในการเรนเดอร์ HDR แหล่งกำเนิดแสงที่สว่างมากสามารถเกินความสว่าง 1.0 เพื่อจำลองค่าจริงได้ ซึ่งช่วยให้การสะท้อนจากพื้นผิวรักษาความสว่างที่สมจริงสำหรับแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างมาก

ดวงตาของมนุษย์ สามารถรับรู้ฉากต่างๆ ได้ด้วย อัตราส่วนความคมชัดแบบไดนามิกที่สูงมากประมาณ 1,000,000:1 การปรับตัวเกิดขึ้นบางส่วนจากการปรับม่านตาและการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอย่างช้าๆ ซึ่งต้องใช้เวลา (เช่น ความล่าช้าในการมองเห็นเมื่อเปลี่ยนจากแสงสว่างจ้าไปสู่ความมืดสนิท) ในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง ช่วงการมองเห็นแบบคงที่ของดวงตาจะแคบกว่า ประมาณ 10,000:1 อย่างไรก็ตาม นี่ก็ยังสูงกว่าช่วงการมองเห็นแบบคงที่ของเทคโนโลยีการแสดงผลส่วนใหญ่^{[ 10 ]}

แม้ว่าผู้ผลิตหลายรายจะอ้างตัวเลขที่สูงมาก แต่จอแสดงผลพลาสมาจอแสดงผลคริสตัลเหลวและจอแสดงผล CRTสามารถให้ค่าอัตราส่วนความคมชัดได้เพียงเศษเสี้ยวของค่าที่พบในโลกแห่งความเป็นจริงเท่านั้น และโดยปกติแล้วค่าเหล่านี้วัดภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ความคมชัดพร้อมกันของเนื้อหาจริงภายใต้สภาวะการรับชมปกติจะต่ำกว่ามาก

สามารถ เพิ่มช่วงไดนามิกในจอ LCD ได้บ้าง โดยการลดแสงพื้นหลังโดยอัตโนมัติสำหรับฉากมืด ตัวอย่างเช่น LG เรียกเทคโนโลยีนี้ว่า "Digital Fine Contrast" ^{[ 11 ]} Samsung อธิบายว่าเป็น "อัตราส่วนคอนทราสต์แบบไดนามิก" อีกเทคนิคหนึ่งคือการใช้ไฟแบ็คไลท์ LED ที่สว่างและมืดสลับกัน ตัวอย่างเช่น ระบบที่พัฒนาโดย BrightSide Technologies ^{[ 12 ]}

จอแสดงผล OLEDมีความสามารถด้านช่วงไดนามิกที่ดีกว่า LCD คล้ายกับจอพลาสมา แต่ใช้พลังงานต่ำกว่ามาตรฐาน Rec. 709กำหนดพื้นที่สีสำหรับHDTVและRec. 2020กำหนดพื้นที่สีที่ใหญ่กว่าแต่ยังไม่สมบูรณ์สำหรับโทรทัศน์ ความละเอียดสูงพิเศษ

นับตั้งแต่ทศวรรษ 2010 เป็นต้นมาเทคโนโลยีจอแสดงผล OLED และ HDR อื่นๆ ได้ลดหรือขจัดความจำเป็นในการปรับโทนสี HDRR ให้เป็นช่วง ไดนามิกมาตรฐาน

การเกิดแสงฟุ้งกระจายเป็นผลมาจากการกระเจิงในเลนส์ตาของมนุษย์ ซึ่งสมองของมนุษย์จะตีความว่าเป็นจุดสว่างในภาพ ตัวอย่างเช่น แสงสว่างในฉากหลังจะดูเหมือนกระจายไปยังวัตถุในฉากหน้า ซึ่งสามารถใช้สร้างภาพลวงตาเพื่อให้จุดสว่างดูสว่างกว่าที่เป็นจริงได้^{[ 5 ]}

แสงแฟลร์คือการเลี้ยวเบนของแสงในเลนส์ตาของมนุษย์ ส่งผลให้เกิด "รังสี" ของแสงที่แผ่ออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงขนาดเล็ก และยังสามารถทำให้เกิดเอฟเฟกต์สีบางอย่างได้ด้วย มองเห็นได้ชัดเจนที่สุดบนแหล่งกำเนิดแสงแบบจุดเนื่องจากมีมุมมองภาพที่เล็ก^{[ 5 ]}

อุปกรณ์แสดงผลทั่วไปไม่สามารถแสดงแสงที่สว่างเท่ากับดวงอาทิตย์ได้ และแสงสว่างในห้องก็ทำให้ไม่สามารถแสดงสีดำสนิทได้ ดังนั้น ระบบการเรนเดอร์ HDR จึงต้องแมปช่วงไดนามิกเต็มรูปแบบที่ดวงตาจะมองเห็นในสถานการณ์ที่เรนเดอร์ลงบนความสามารถของอุปกรณ์การแมปโทนสี นี้ ทำขึ้นโดยอ้างอิงจากสิ่งที่กล้องในฉากเสมือนจริงมองเห็น ร่วมกับเอฟเฟกต์เต็มหน้าจอหลายอย่าง เช่น การจำลองฝุ่นละอองในอากาศที่ส่องสว่างด้วยแสงแดดโดยตรงในถ้ำมืด หรือการกระเจิงของแสงในดวงตา

การปรับโทนสีและการสร้างเอฟเฟ็กต์แสงฟุ้งสามารถใช้ร่วมกันเพื่อช่วยจำลองเอฟเฟ็กต์เหล่านี้ได้

ในบริบทของการเรนเดอร์ภาพกราฟิก การปรับโทนสี (Tone mapping) คือเทคนิคที่ใช้ในการปรับสีจากช่วงไดนามิกเรนจ์สูง (ซึ่งมีการคำนวณแสง) ไปยังช่วงไดนามิกเรนจ์ที่ต่ำกว่าเพื่อให้ตรงกับความสามารถของอุปกรณ์แสดงผลที่ต้องการ โดยทั่วไป การปรับโทนสีจะเป็นแบบไม่เชิงเส้น กล่าวคือ จะรักษาระดับช่วงสีสำหรับสีเข้มไว้ และค่อยๆ จำกัดช่วงไดนามิกเรนจ์สำหรับสีสว่าง เทคนิคนี้มักสร้างภาพที่สวยงาม มีรายละเอียดและความคมชัดโดยรวมที่ดี มีตัวดำเนินการปรับโทนสีหลายแบบ ตั้งแต่วิธีการแบบเรียลไทม์ง่ายๆ ที่ใช้ในเกมคอมพิวเตอร์ ไปจนถึงเทคนิคที่ซับซ้อนกว่าซึ่งพยายามเลียนแบบการตอบสนองทางประสาทสัมผัสของระบบการมองเห็นของมนุษย์

จอแสดงผล HDRที่มีช่วงไดนามิกเรนจ์สูงกว่า สามารถลดหรือขจัดความจำเป็นในการปรับโทนสีหลังจาก HDRR ส่งผลให้ภาพมีความสมจริงยิ่งขึ้น

ปัจจุบัน HDRR เป็นที่แพร่หลายในเกมโดยส่วนใหญ่เป็นเกมพีซีแต่ก่อนหน้านี้เคยแพร่หลายในXbox 360ของMicrosoftและPlayStation 3ของSonyนอกจากนี้ยังมีการจำลอง HDRR บนระบบPlayStation 2 , GameCube , XboxและAmiga ด้วย บริษัท Sproing Interactive Mediaได้ประกาศว่าเอนจิ้นเกม Athena สำหรับWiiจะรองรับ HDRR ซึ่งทำให้ Wii ถูกเพิ่มเข้าไปในรายชื่อระบบที่รองรับ HDRR ด้วย

ในงานจัดพิมพ์เอกสารและเกม ค่าสีมักถูกประมวลผลหลายครั้ง ซึ่งรวมถึงการคูณและการหาร (ซึ่งอาจเกิดข้อผิดพลาดจากการปัดเศษ ) จึงเป็นประโยชน์อย่างยิ่งที่จะใช้รูปแบบจำนวนเต็ม 16 บิตหรือ จุดลอยตัว 16 บิตที่มีความแม่นยำและช่วงค่าที่กว้างขึ้นซึ่งเป็นประโยชน์โดยไม่คำนึงถึงข้อจำกัดของฮาร์ดแวร์บางอย่างที่กล่าวมาข้างต้น

เอฟเฟกต์แสงเงาที่ซับซ้อนเริ่มต้นขึ้นพร้อมกับการเปิดตัวShader Model 1.0ในDirectX 8 Shader Model 1.0 ให้แสงสว่างแก่โลก 3 มิติด้วยสิ่งที่เรียกว่าแสงมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม แสงมาตรฐานมีปัญหาอยู่สองประการ:

1. ความแม่นยำของแสงถูกจำกัดไว้ที่จำนวนเต็ม 8 บิต ซึ่งจำกัดอัตราส่วนความคมชัดไว้ที่ 256:1 เมื่อใช้แบบจำลองสี HVSค่า (V) หรือความสว่างของสีจะมีช่วงตั้งแต่ 0 – 255 นั่นหมายความว่าสีขาวที่สว่างที่สุด (ค่า 255) จะสว่างกว่าเฉดสีที่มืดที่สุดเหนือสีดำสนิท (เช่น ค่า 0) เพียง 255 ระดับเท่านั้น
2. การคำนวณแสงสว่างนั้น ใช้ จำนวนเต็มซึ่งให้ความแม่นยำไม่มากนัก เนื่องจากโลกแห่งความเป็นจริงไม่ได้จำกัดอยู่แค่จำนวนเต็มเท่านั้น

เมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2545 ไมโครซอฟต์ ได้ปล่อย DirectXเวอร์ชันใหม่DirectX 9.0 ได้แนะนำ Shader Model 2.0 ซึ่งเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับการเรนเดอร์ภาพที่มีช่วงไดนามิกสูง: ความแม่นยำของแสงไม่ได้จำกัดอยู่แค่ 8 บิต แม้ว่า 8 บิตจะเป็นค่าต่ำสุดในแอปพลิเคชัน แต่โปรแกรมเมอร์สามารถเลือกความแม่นยำของแสงได้สูงสุดถึง 24 บิต อย่างไรก็ตาม การคำนวณทั้งหมดก็ยังคงใช้ฐานจำนวนเต็มอยู่การ์ดกราฟิก ตัวแรกๆ ที่รองรับ DirectX 9.0 โดยตรงคือRadeon 9700ของATI แม้ว่าเอฟเฟกต์นี้จะยังไม่ได้ถูกเขียนโปรแกรมลงในเกมจนกระทั่งอีกหลายปีต่อมา เมื่อวันที่ 23 สิงหาคม พ.ศ. 2546 ไมโครซอฟต์ได้อัปเดต DirectX เป็น DirectX 9.0b ซึ่งเปิดใช้งานโปรไฟล์ Pixel Shader 2.x (Extended) สำหรับ ซีรี่ส์ Radeon Xของ ATI และ ซีรี่ส์ GeForce FXของ NVIDIA

เมื่อวันที่ 9 สิงหาคม 2547 ไมโครซอฟต์ได้อัปเดต DirectX อีกครั้งเป็น DirectX 9.0c ซึ่งยังเปิดเผยโปรไฟล์ Shader Model 3.0 สำหรับHigh-Level Shader Language (HLSL) ด้วย ความแม่นยำของแสงใน Shader Model 3.0 มีขั้นต่ำ 32 บิต ต่างจาก 2.0 ที่มีขั้นต่ำ 8 บิต นอกจากนี้ การคำนวณความแม่นยำของแสงทั้งหมดใช้การคำนวณแบบจุดลอยตัว (floating-point ) NVIDIAระบุว่าอัตราส่วนคอนทราสต์โดยใช้ Shader Model 3.0 สามารถสูงถึง 65535:1 โดยใช้ความแม่นยำของแสง 32 บิต ในตอนแรก HDRR สามารถทำได้เฉพาะบนการ์ดแสดงผลที่รองรับเอฟเฟกต์ Shader Model 3.0 เท่านั้น แต่นักพัฒนาซอฟต์แวร์ได้เพิ่มความเข้ากันได้สำหรับ Shader Model 2.0 ในเวลาต่อมา หมายเหตุเพิ่มเติม เมื่อกล่าวถึง HDR ด้วย Shader Model 3.0 นั้น จริงๆ แล้ว HDRR ทำได้โดยการผสมแบบ FP16 การผสมสีแบบ FP16 ไม่ใช่ส่วนหนึ่งของ Shader Model 3.0 แต่ได้รับการสนับสนุนโดยการ์ดส่วนใหญ่ที่รองรับ Shader Model 3.0 (ยกเว้นซีรี่ส์ GeForce 6200) การผสมสีแบบ FP16 สามารถใช้เป็นวิธีที่เร็วกว่าในการเรนเดอร์ HDR ในวิดีโอเกมได้

Shader Model 4.0 เป็นคุณสมบัติหนึ่งของ DirectX 10 ซึ่งเปิดตัวพร้อมกับ Windows Vista Shader Model 4.0 ช่วยให้สามารถเรนเดอร์ HDR แบบ 128 บิตได้ ต่างจาก Shader Model 3.0 ที่รองรับ HDR แบบ 64 บิตเท่านั้น (ถึงแม้ว่าในทางทฤษฎีแล้วจะสามารถทำได้ใน Shader Model 3.0 ก็ตาม)

Shader Model 5.0 เป็นคุณสมบัติหนึ่งของ DirectX 11 ซึ่งช่วยให้สามารถบีบอัดพื้นผิว HDR ในอัตราส่วน 6:1 ได้โดยไม่สูญเสียคุณภาพอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไปในเทคนิคการบีบอัดพื้นผิว HDR ของ DirectX เวอร์ชันก่อนหน้า

สามารถพัฒนา HDRR ผ่านGLSL shader ได้ตั้งแต่OpenGL เวอร์ชัน 1.4 เป็นต้นไป

• Unreal Engine 5
• Unreal Engine 4
• Unreal Engine 3 ^{[ 13 ]}
• โครมเอ็นจิ้น 3
• แหล่งที่มา^{[ 14 ]}
• แหล่งที่มา 2
• Godot ^{[ 15 ]}
• เซอร์เชียลเอ็นจิ้น 2
• กรอบงาน MT 2
• เครื่องยนต์ RE
• REDengine 3 ^{[ 16 ]}
• CryEngine [ ^{17 ]} CryEngine 2 ^{[ 18} ] ^{CryEngine 3}
• เครื่องยนต์ดุนเนีย
• เกมบรีโอ
• เดซิมา^{[ 19 ]}
• ความสามัคคี
• ไอดี เทค 5
• ลิธเทค
• Unigine ^{[ 20 ]}
• ฟรอสต์ไบต์ 2
• เรียลเวอร์ซิลิตี้ 2, 3 และ 4
• เครื่องยนต์ HPL 3
• บาบิโลน เจเอส^{[ 21 ]}
• แรงบิด 3 มิติ^{[ 22 ]}
• เครื่องยนต์เอ็กซ์เรย์

• การบดบังแสงโดยรอบ
• เชเดอร์

• เอกสารสรุปข้อมูลทางเทคนิคของ NVIDIA เกี่ยวกับ HDRR ( ไฟล์ PDF )
• การใช้งาน HDRR ด้วย OpenGL 2.0
• การใช้งาน OpenGL HDRR
• การเรนเดอร์ช่วงไดนามิกสูงใน OpenGL ( PDF )
• เอกสารสรุปทางเทคนิคของ Microsoft เกี่ยวกับ SM3.0 เมื่อเปรียบเทียบกับ SM2.0
• Tom's Hardware: คุณสมบัติใหม่ของการ์ดจอปี 2006
• รายชื่อ GPU ที่รวบรวมโดย คริส แฮร์
• techPowerUp! ฐานข้อมูล GPU
• ทำความเข้าใจอัตราส่วนความคมชัดในอุปกรณ์แสดงผลวิดีโอ
• Requiem โดย TBL โดดเด่นด้วยการเรนเดอร์ HDR แบบเรียลไทม์ด้วยซอฟต์แวร์
• รายชื่อเกมวิดีโอที่รองรับ HDR
• ตัวอย่างภาพถ่ายที่มีช่วงไดนามิกสูง