7.2 高斯模糊与色调映射
7.2 高斯模糊与色调映射
本节摘要：模糊是后处理里复用率最高的原语，可分离性让它从平方开销降到线性开销；色调映射是线性渲染管线的规定收尾动作，把无上界的亮度压回屏幕能显示的范围。本节给出可分离高斯模糊的实现与两条经典映射曲线，并厘清它们在管线里的先后位置。
学习目标
读完本节，你应当能够：解释可分离性带来的计算量节省并写出两趟一维模糊；区分 Reinhard 与 ACES 的观感差异；说清色调映射与 gamma 校正的先后顺序。
可分离性：模糊提速的关键
二维高斯核有个漂亮的数学性质：二维卷积可以拆成先横向、再纵向的两趟一维卷积。这笔账值得算给直觉看——9 乘 9 的二维核每像素要采样 81 次，拆成横向 9 次加纵向 9 次只需 18 次，核越大差距越悬殊：33 乘 33 的核是 1089 次对 66 次。视觉结果几乎无差，性能差出一个数量级，这就是所有引擎的模糊都跑两趟的原因。
一维高斯模糊 pass 的实现（配合 7.1 的骨架，横竖各跑一趟）：
// 高效的一维模糊：5 次采样近似 9 点高斯（采样点落在双线性插值最优点上） #version 330 core in vec2 vUv; out vec4 FragColor; uniform sampler2D uTex; uniform vec2 uDirection; // 横向传 (1/宽, 0)，纵向传 (0, 1/高) void main() { vec4 sum = texture(uTex, vUv) * 0.227027; sum += (texture(uTex, vUv + uDirection * 1.3846154) + texture(uTex, vUv - uDirection * 1.3846154)) * 0.3162162; sum += (texture(uTex, vUv + uDirection * 3.2307692) + texture(uTex, vUv - uDirection * 3.2307692)) * 0.0702703; FragColor = sum; }
权重加起来恰好约等于 1——模糊不能凭空造亮。这版实现还藏了一个优化彩蛋：采样偏移量取在双线性插值的"合并点"上，一次 texture 调用等于免费混合两个相邻像素，5 次采样等效 9 点核。方向由 uniform 传入而不是写死，同一份着色器横竖两用，也方便做任意角度的运动模糊。
想扩模糊范围，不必加大核：把结果再跑一遍，或先降采样再模糊（7.1 的老朋友）。"降采样加多趟"是引擎级模糊的标准配方，每一步都在用分辨率换半径。
色调映射：把无限压进屏幕
线性管线里，亮度没有上界：太阳、灯泡、高光点的值可以是 10 也可以是 100，而屏幕最亮只能显示 1.0。直接截断（clamp）会把所有过亮区域糊成一片惨白的大色块，层次全无。色调映射（tone mapping）的任务是找一条平滑的压缩曲线：低亮度近乎线性保留，高亮度渐近压缩——亮，但亮得有层次。
两条经典曲线：
// Reinhard：简单优雅，整体偏灰偏软 vec3 reinhard(vec3 c) { return c / (1.0 + c); } // ACES 近似：暗部扎实、高光带滚动过渡，电影感的主流选择 vec3 aces(vec3 x) { return clamp((x * (2.51 * x + 0.03)) / (x * (2.43 * x + 0.59) + 0.14), 0.0, 1.0); }
图：三种输出策略对高亮度的响应曲线
选型经验：小项目与风格化渲染，Reinhard 一行搞定；写实场景与有强光源的画面，ACES 近似的观感明显占优——暗部不发灰、高光从亮到白有"滚动"过程而非生硬压扁。曲线还可整体乘一个曝光参数（进曲线前先乘 exposure），这就是相机曝光滑杆背后的全部数学。
顺序问题：色调映射、gamma 与管线位置
输出前的最后一段路有严格的顺序，错一步画面对比就会怪异：线性空间计算 → 色调映射 → gamma 校正 → 上屏。
回顾 6.3 的代码，结尾两行正是这个顺序：先 color / (color + 1) 压亮度，再 pow(color, 1/2.2) 做 gamma。为什么不能反过来？gamma 校正是对"显示设备响应"的补偿，作用对象是最终的 0 到 1 显示值；色调映射处理的是"超范围亮度"的压缩，作用对象是线性物理量。先 gamma 再压缩，等于给还没归一的数据做了非线扭曲，高光与暗部全走样。
完整的线性工作流可以概括成三句话：贴图以 sRGB 格式加载，采样时硬件自动转线性；全部光照与混合在线性空间完成；输出前色调映射加 gamma 一次到位。第 5 章的贴图、第 6 章的光照、本章的收尾，至此串成一条完整的色彩管线。
💡 关键直觉：画面"发灰没对比"多半是 gamma 被做了两次或零次；高光"惨白一片"多半是缺色调映射。色彩管线的故障有个特点——参数怎么调都救不回来，必须回到顺序上找。
曝光：曲线前的最后一个旋钮
正式的色调映射代码里总有一个 exposure（曝光）参数，位置在进曲线之前：
vec3 mapped = aces(color * uExposure); // 先曝光后压缩
它的意义是模拟相机的光圈快门：同一份线性亮度，乘上不同曝光得到不同明暗基调——白天场景低曝光保高光层次，夜戏高曝光把暗部细节捞出来。动态曝光（随场景亮度自动调整）就是游戏里"从洞穴走进雪原眼睛适应"的效果，机制无非是逐帧缓慢插值这个 uniform。
把曝光、映射、伽马连起来看，输出链的完整公式是三行：color *= exposure; color = aces(color); color = pow(color, 1/2.2);。调画面时按此顺序排查——曝光管整体明暗，曲线管高光形态，伽马管对比基调，各管一段互不越权。参数失控时按这个顺序归位，比乱调快得多。
本节要点回顾
- 可分离性：二维模糊拆横竖两趟，1024 核变 66 次采样，所有引擎模糊的提速根基；
- 半径换分辨率：多趟叠加或先降采样再模糊，比加大核便宜得多；
- 两条曲线：Reinhard 简单偏软，ACES 暗实高光滚，进曲线前乘曝光即得曝光控制；
- 顺序铁律：线性计算、色调映射、gamma 校正，不可颠倒，错序的症状是全画面发灰或过曝；
- 管线合龙：sRGB 贴图、线性光照、色调映射收尾，色彩管线自此完整。
跨平台的最后一公里在眼前。下一章把本册所有代码翻译成 HLSL 的表达，并审视两套语言的差异与兼容之道。