高真實(shí)度圖形渲染技術(shù)探索計(jì)算機(jī)圖形學(xué)前沿研究從基礎(chǔ)原理到尖端技術(shù)課程導(dǎo)論1歷史發(fā)展從線框到光柵化2關(guān)鍵挑戰(zhàn)逼真度與計(jì)算效率3應(yīng)用領(lǐng)域電影游戲建筑醫(yī)學(xué)渲染基礎(chǔ)概念2D圖像最終視覺輸出轉(zhuǎn)換過程計(jì)算與變換3D模型幾何與材質(zhì)數(shù)據(jù)光線追蹤基礎(chǔ)視點(diǎn)出發(fā)光線從相機(jī)發(fā)出光線傳播計(jì)算光線與物體交點(diǎn)光源計(jì)算確定點(diǎn)亮度與顏色全局光照理論間接光照模擬光線多次反射輻射度理論光能傳遞數(shù)學(xué)基礎(chǔ)蒙特卡洛方法隨機(jī)采樣解決復(fù)雜積分物理基礎(chǔ)渲染科學(xué)精確性基于真實(shí)物理規(guī)律微觀模擬表面微觀幾何與光交互能量守恒入射能量等于出射能量材質(zhì)分離漫反射與鏡面反射分離處理材質(zhì)建模技術(shù)BRDF描述光如何從表面反射定義表面散射特性微表面模型將宏觀表面視為微小鏡面集合統(tǒng)計(jì)粗糙度分布復(fù)雜材質(zhì)多層材質(zhì)模擬異向材質(zhì)處理紋理映射高級(jí)技術(shù)程序化紋理算法生成而非存儲(chǔ)無限細(xì)節(jié)與變化法線貼圖保存表面法線變化增加細(xì)節(jié)不增加幾何置換貼圖真實(shí)改變幾何高度提供實(shí)際深度感著色器編程頂點(diǎn)著色器處理頂點(diǎn)位置變換幾何著色器動(dòng)態(tài)生成幾何體片段著色器計(jì)算像素顏色實(shí)時(shí)渲染技術(shù)60+幀率目標(biāo)流暢交互體驗(yàn)10x性能提升近年GPU計(jì)算能力增長(zhǎng)50%光線計(jì)算實(shí)時(shí)光追占用渲染資源深度學(xué)習(xí)在渲染中的應(yīng)用GAN生成生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建紋理神經(jīng)渲染學(xué)習(xí)替代傳統(tǒng)渲染管線超分辨率AI提升低分辨率渲染質(zhì)量智能降噪減少光線追蹤噪點(diǎn)光照模型計(jì)算復(fù)雜度視覺真實(shí)度陰影rendering技術(shù)硬陰影銳利邊緣計(jì)算簡(jiǎn)單軟陰影自然過渡真實(shí)感強(qiáng)環(huán)境遮蔽增強(qiáng)深度感提升真實(shí)度體積渲染體積數(shù)據(jù)三維密度場(chǎng)表示模擬參與介質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域云霧渲染醫(yī)學(xué)成像煙霧模擬渲染方法光線步進(jìn)體素渲染密度積分抗鋸齒技術(shù)技術(shù)名稱計(jì)算成本圖像質(zhì)量適用場(chǎng)景MSAA中等良好傳統(tǒng)渲染FXAA低一般移動(dòng)平臺(tái)TAA中高優(yōu)秀游戲引擎DLSS高(AI)極佳高端GPU光線追蹤加速算法基礎(chǔ)包圍盒簡(jiǎn)單幾何體包圍復(fù)雜物體層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建樹狀加速結(jié)構(gòu)空間分割KD樹或八叉樹劃分空間交叉測(cè)試快速剔除不相交區(qū)域物理模擬渲染全局光照高級(jí)算法路徑追蹤追蹤光線多次反射路徑漸進(jìn)式渲染隨時(shí)間累積采樣結(jié)果光子映射從光源發(fā)射光子建立映射雙向路徑追蹤同時(shí)從相機(jī)和光源追蹤實(shí)時(shí)全局光照實(shí)時(shí)輻射度簡(jiǎn)化計(jì)算的輻射度傳輸預(yù)計(jì)算光照傳遞屏幕空間技術(shù)使用深度緩沖信息僅考慮可見表面環(huán)境光遮蔽模擬小范圍光線阻擋增強(qiáng)幾何感與深度感次表面散射物理現(xiàn)象光線進(jìn)入表面后散射部分透明材質(zhì)特性應(yīng)用材質(zhì)人類皮膚大理石蠟牛奶實(shí)現(xiàn)方法散射近似擴(kuò)散輪廓多層材質(zhì)模型毛發(fā)與織物渲染毛發(fā)渲染各向異性散射模型織物微觀結(jié)構(gòu)纖維級(jí)模擬與光交互織物類型絲綢絨布針織特性區(qū)別景深與鏡頭特效物理相機(jī)模型模擬真實(shí)鏡頭特性光圈與焦距控制景深范圍與模糊程度光學(xué)現(xiàn)象鏡頭光暈色差眩光膠片模擬顆粒感色彩科學(xué)曝光特性動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)時(shí)間采樣多時(shí)間點(diǎn)采樣與積分運(yùn)動(dòng)模糊增強(qiáng)動(dòng)態(tài)真實(shí)感性能平衡動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的質(zhì)量與速度權(quán)衡非真實(shí)感渲染繪制優(yōu)化技術(shù)視覺感知原則基于人眼識(shí)別限制進(jìn)行優(yōu)化細(xì)節(jié)級(jí)別(LOD)距離越遠(yuǎn)模型越簡(jiǎn)化視錐剔除僅渲染相機(jī)可見物體遮擋剔除不渲染被遮擋部分GPU渲染架構(gòu)組件功能性能影響著色器核心執(zhí)行渲染計(jì)算直接決定渲染速度RT核心光線追蹤加速提升光追性能張量核心AI計(jì)算加速降噪與超分顯存帶寬數(shù)據(jù)傳輸紋理加載速度輻射度量學(xué)基礎(chǔ)輻射通量單位時(shí)間能量傳遞瓦特(W)為單位輻射亮度單位方向單位面積能量渲染方程核心概念輻射度單位面積能量全局光照基礎(chǔ)顏色科學(xué)感知模型人眼如何感知顏色色彩空間RGBsRGBHSVLab顯示技術(shù)色域與設(shè)備適配HDR處理寬動(dòng)態(tài)范圍顏色表現(xiàn)反射與折射模型入射角與出射角幾何關(guān)系決定光路菲涅爾效應(yīng)反射率隨視角變化透明材質(zhì)折射率不同波長(zhǎng)光線不同折射角度復(fù)雜介質(zhì)模擬多層材質(zhì)光線傳播環(huán)境映射技術(shù)立方體貼圖六面體紋理捕捉環(huán)境高效反射計(jì)算球面環(huán)境映射單張紋理表示環(huán)境簡(jiǎn)單但有失真球面諧波低頻光照近似光照壓縮表示過程化建模地形生成分形噪聲創(chuàng)建自然地貌植被生成遞歸算法與L系統(tǒng)城市生成自動(dòng)化建筑與布局規(guī)則渲染性能分析CPU時(shí)間(ms)GPU時(shí)間(ms)跨平臺(tái)渲染圖形APIDirectXOpenGLVulkanMetal抽象層跨平臺(tái)渲染架構(gòu)設(shè)計(jì)硬件差異PC移動(dòng)主機(jī)規(guī)格適配自適應(yīng)渲染動(dòng)態(tài)調(diào)整渲染參數(shù)高動(dòng)態(tài)范圍成像HDR優(yōu)勢(shì)保留高光細(xì)節(jié)增強(qiáng)暗部可見度更自然光照過渡色調(diào)映射HDR壓縮到顯示范圍保留視覺關(guān)鍵信息曝光控制模擬相機(jī)曝光自動(dòng)適應(yīng)場(chǎng)景亮度實(shí)時(shí)反射技術(shù)反射技術(shù)視覺質(zhì)量性能開銷局限性環(huán)境映射中低靜態(tài)環(huán)境平面反射高中僅平面屏幕空間反射中高中僅屏幕內(nèi)容光線追蹤反射極高高需專用硬件粒子系統(tǒng)渲染管線現(xiàn)代發(fā)展1固定函數(shù)管線早期有限靈活性2可編程著色器自定義渲染效果3計(jì)算著色器通用GPU計(jì)算4光線追蹤管線實(shí)時(shí)高真實(shí)度多重散射理論單次散射光線僅散射一次多次散射模擬光在介質(zhì)中多次彈射各向異性散射不同方向散射概率不同介質(zhì)特性吸收散射相位函數(shù)實(shí)時(shí)全局光照反射探針捕獲局部環(huán)境光照近似間接光照體素化全局光照低分辨率光照傳播空間剪枝優(yōu)化即時(shí)輻射度快速光能傳遞模擬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景支持動(dòng)態(tài)全局光照?qǐng)鼍白兓瘷z測(cè)識(shí)別需更新光照區(qū)域增量計(jì)算僅更新變化部分時(shí)間平滑過渡幀間光照變化光照緩存空間與時(shí)間采樣復(fù)用渲染硬件發(fā)展12000年代早期可編程著色器出現(xiàn)22010年代統(tǒng)一著色器架構(gòu)普及32018-2020光線追蹤專用硬件4當(dāng)前AI加速與光追融合AI渲染技術(shù)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建紋理與內(nèi)容神經(jīng)輻射場(chǎng)從圖像重建3D場(chǎng)景智能超分低分辨率到高分辨率AI降噪減少渲染噪點(diǎn)科學(xué)可視化渲染醫(yī)學(xué)成像CT與MRI數(shù)據(jù)可視化流體動(dòng)力學(xué)復(fù)雜流場(chǎng)可視化地球科學(xué)氣象與地理數(shù)據(jù)渲染算法前沿渲染系統(tǒng)架構(gòu)渲染引擎整合各模塊協(xié)同工作渲染模塊光照材質(zhì)幾何后處理硬件抽象層適配不同圖形API底層驅(qū)動(dòng)直接與GPU通信光線追蹤優(yōu)化10x硬件加速專用RT核心提升性能85%降噪提升AI降噪減少采樣需求4-8每像素采樣實(shí)時(shí)渲染中的典型值50%混合渲染傳統(tǒng)技術(shù)與光追結(jié)合材質(zhì)掃描技術(shù)獲取設(shè)備光場(chǎng)相機(jī)多角度光源偏振濾鏡處理流程多角度采集數(shù)據(jù)擬合參數(shù)化提取材質(zhì)庫(kù)預(yù)制材質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)材質(zhì)混合與編輯動(dòng)態(tài)全局光照光照更新動(dòng)態(tài)物體移動(dòng)觸發(fā)重計(jì)算空間過濾保留光照空間連續(xù)性時(shí)間累積混合前后幀光照信息重要性采樣關(guān)注高能量光源區(qū)域渲染性能分析性能分析工具識(shí)別渲染瓶頸針對(duì)性優(yōu)化解決最大性能障礙權(quán)衡取舍視覺質(zhì)量與性能平衡跨學(xué)科渲染技術(shù)物理學(xué)光學(xué)原理材質(zhì)特性運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)學(xué)幾何代數(shù)概率積分優(yōu)化算法計(jì)算機(jī)科學(xué)并行算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)硬件加速渲染倫理與安全真實(shí)性偽造超真實(shí)渲染濫用風(fēng)險(xiǎn)深度偽造檢測(cè)隱私保護(hù)數(shù)字人物肖像權(quán)材質(zhì)獲取數(shù)據(jù)安全算法公平性渲染技術(shù)普惠可及不同膚色精確還原渲染教育與培訓(xùn)基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)學(xué)物理計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)踐技能編程與工具使用項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)真實(shí)渲染案例解決持續(xù)學(xué)習(xí)跟蹤前沿研究渲染算法開源生態(tài)未來渲染展望神經(jīng)渲染深度學(xué)習(xí)完全替代傳統(tǒng)管線云渲染分布式大規(guī)模計(jì)算量子計(jì)算突破蒙特卡洛計(jì)算瓶頸全息渲染逼真3D顯示技術(shù)渲染技術(shù)應(yīng)用游戲電影特效建筑設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)科學(xué)可視化其他渲染性能前沿240幀率目標(biāo)競(jìng)技游戲超高刷新率8K分辨率超高清渲染挑戰(zhàn)100M+多邊形次世代場(chǎng)景復(fù)雜度60%能耗優(yōu)化移動(dòng)平臺(tái)高效渲染渲染理論基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型微積分線性代數(shù)概率論物理原理光學(xué)電磁學(xué)材料科學(xué)計(jì)算方法數(shù)值積分蒙特卡洛采樣理論渲染技術(shù)挑戰(zhàn)計(jì)算