《逼真光影渲染》課件

逼真光影渲染技術探索計算機圖形學前沿研究光線模擬與視覺真實感重建課程大綱導覽光照理論基礎物理學與光線原理渲染算法從光柵化到路徑追蹤實時技術硬件加速與優(yōu)化策略應用案例光的物理本質電磁波理論光是電磁波譜的可見部分波粒二象性既表現(xiàn)波動性又表現(xiàn)粒子性光譜與色彩不同波長對應不同色彩感知傳播規(guī)律光線傳播基礎反射入射角等于反射角折射光線穿過介質界面時改變方向散射光線在介質中多方向傳播材質影響輻射度量學基礎1輻射通量單位時間內傳輸?shù)哪芰?立體角三維空間的角度度量3光通量考慮人眼感知的光能量4亮度光照模型概述漫反射模型光線均勻散射到各個方向鏡面反射模型光線集中反射形成高光菲涅爾反射入射角度影響反射率微表面模型著色基礎著色器編程編寫控制渲染流程的程序頂點著色處理每個幾何頂點片元著色計算每個像素的最終顏色光照計算陰影生成技術陰影映射從光源視角渲染深度圖比較片段深度確定陰影陰影體積創(chuàng)建光線被遮擋區(qū)域的體積模板緩沖區(qū)技術實現(xiàn)軟陰影模擬半影效果全局光照理論輻射度算法計算表面間能量傳遞路徑追蹤跟蹤光線在場景中多次交互蒙特卡洛積分隨機采樣求解渲染方程間接光照光線追蹤基礎1算法原理從視點向場景發(fā)射光線計算顏色2相交測試計算光線與場景幾何體的交點3遞歸追蹤模擬光線的反射和折射渲染方程加速光線追蹤包圍盒技術用簡單幾何體包圍復雜對象BVH加速結構層次包圍體積提高效率KD樹遞歸分割空間的數(shù)據(jù)結構蒙特卡洛渲染4隨機采樣在積分域上隨機取點重要性采樣根據(jù)貢獻大小調整采樣概率方差減少降低結果波動提高穩(wěn)定性降噪算法去除采樣噪點提高質量物理基礎渲染1994年起源最早PBR理論提出時間100%能量守恒出射能量不超過入射能量2個材質工作流金屬/粗糙度和鏡面/光澤度5+參數(shù)映射基本材質參數(shù)數(shù)量材質建模金屬絕緣體半透明各向異性多層復合全局光照算法輻射度算法漫反射表面能量傳遞較低光子映射兩階段：光子追蹤與收集中等路徑追蹤從攝像機發(fā)射隨機光線較高雙向路徑追蹤同時從光源和攝像機追蹤極高實時渲染技術延遲渲染幾何階段與光照階段分離G-Buffer存儲場景信息適合多光源場景前向渲染直接計算最終像素顏色支持透明物體適合簡單光照場景分塊渲染將屏幕分成小塊處理限制每塊中光源數(shù)量平衡性能與效果全局光照渲染管線輻射度計算表面間能量傳遞光線傳播追蹤光線在場景中交互著色過程計算表面最終顏色后處理應用特效與濾鏡環(huán)境光照環(huán)境映射用立方體貼圖模擬周圍環(huán)境反射天空盒創(chuàng)建無限遠的背景環(huán)境環(huán)境光遮蔽考慮幾何體對環(huán)境光的遮擋光照積分計算環(huán)境對表面的總體貢獻高動態(tài)范圍(HDR)1HDR成像捕捉更廣范圍的亮度值色調映射將HDR壓縮到顯示設備范圍伽馬校正補償顯示設備非線性響應4顏色空間不同表示系統(tǒng)間的轉換全局光照采樣重要性采樣集中在高貢獻區(qū)域2層次采樣自適應精細度分配3馬爾可夫鏈采樣連續(xù)狀態(tài)探索策略4渲染降噪濾除采樣噪聲提高質量光照貼圖技術預計算光照提前計算存儲靜態(tài)場景光照靜態(tài)全局光照固定幾何與光源的光照解決方案烘焙技術將計算結果保存為紋理貼圖壓縮減小存儲需求保持視覺質量體積光照計算復雜度視覺真實度次表面散射大理石材質光線穿透表面產生柔和散射皮膚渲染模擬多層組織的光傳輸玉石效果半透明材質內部散射現(xiàn)象實時全局光照屏幕空間技術利用已渲染像素的深度信息限于屏幕可見部分動態(tài)全局光照適應場景變化的光照計算支持移動物體和光源實時輻射度簡化的能量傳遞模型適合實時應用要求性能優(yōu)化時間采樣與空間復用降采樣與智能重建光線追蹤硬件GPU光線追蹤現(xiàn)代圖形處理器的光線追蹤功能通用計算單元復用CUDA與OpenCL編程專用硬件為光線追蹤優(yōu)化的專用電路RT核心BVH遍歷單元NVIDIARTX實時光線追蹤商業(yè)解決方案光線生成加速三角形相交測試渲染性能優(yōu)化10倍著色器優(yōu)化算法改進的性能提升1000+計算著色器典型GPU計算核心數(shù)8+多線程渲染現(xiàn)代CPU核心數(shù)量95%GPU利用率優(yōu)化后的處理器使用效率渲染管線優(yōu)化狀態(tài)合并減少渲染狀態(tài)切換批處理合并繪制調用減少CPU開銷紋理壓縮減少內存帶寬需求著色器復用減少編譯與切換開銷著色技術程序化著色算法生成紋理與細節(jié)著色器編程定制渲染流程與效果著色器變體適應不同渲染路徑與設置3材質系統(tǒng)參數(shù)化控制表面屬性高級材質渲染幾何細節(jié)重建曲面細分動態(tài)增加模型幾何復雜度在渲染時細化網(wǎng)格置換貼圖根據(jù)高度圖移動頂點位置創(chuàng)建真實幾何變化法線貼圖模擬表面法線變化不改變幾何僅影響光照細節(jié)重建從低精度模型恢復細節(jié)結合多種技術提升質量運動模糊時間采樣多個時間點的位置采樣快門模糊模擬相機曝光時間動態(tài)模糊根據(jù)物體速度拉伸效果序列重建綜合多幀信息創(chuàng)建連續(xù)效果4景深效果光學景深模擬真實相機焦點范圍模糊算法基于深度的模糊計算光圈效果模擬不同光圈形狀焦點模擬控制清晰與模糊區(qū)域全局光照降噪空間濾波利用相鄰像素關系去噪時間重用綜合多幀信息提高穩(wěn)定性AI降噪神經(jīng)網(wǎng)絡識別噪點模式實時全局光照實時路徑追蹤簡化采樣與降噪實現(xiàn)實時性混合渲染結合光柵化與光線追蹤硬件加速專用核心加速光線計算性能優(yōu)化智能采樣與空間結構優(yōu)化復雜材質渲染多層材質模擬物體表面多層結構涂層、底漆、基底層間交互計算透明材質光線透過與折射效果體積吸收與散射深度排序處理各向異性方向性反射特性絲綢、拉絲金屬纖維方向建模參與介質渲染散射強度吸收率光線追蹤優(yōu)化加速結構數(shù)據(jù)組織優(yōu)化查詢效率光線包圍盒快速剔除不相交區(qū)域空間劃分遞歸分割減少測試數(shù)量相交優(yōu)化高效幾何相交算法渲染方程解析方程推導基于能量平衡的數(shù)學模型積分求解半球面光照積分計算蒙特卡洛方法隨機采樣數(shù)值逼近數(shù)值解算法離散化積分域求解逆向渲染圖像輸入從照片或視頻獲取數(shù)據(jù)場景分析提取幾何、材質和光照信息參數(shù)估計優(yōu)化模型擬合真實場景重建渲染生成新視角或修改場景機器學習渲染生成對抗網(wǎng)絡創(chuàng)建逼真圖像和紋理智能降噪神經(jīng)網(wǎng)絡識別噪聲模式圖像合成生成缺失細節(jié)和紋理渲染優(yōu)化預測采樣重要性區(qū)域計算攝影學圖像重建從不完整信息恢復完整圖像超分辨率與HDR合成光場相機捕捉光線方向與位置信息后期重新對焦與視角調整計算成像編碼光學與數(shù)字信號處理突破傳統(tǒng)相機限制圖像增強改善細節(jié)、動態(tài)范圍與色彩智能化后期處理渲染系統(tǒng)架構核心設計管線組織與接口定義模塊化功能解耦與復用2可擴展性支持新技術與算法集成性能優(yōu)化資源管理與并行架構光線追蹤應用電影特效精細畫質優(yōu)先于實時性游戲渲染平衡視覺效果與性能建筑可視化精確光照模擬與材質表現(xiàn)工業(yè)應用案例電影特效渲染數(shù)百萬CPU核時單幀渲染計算量4K+分辨率標準電影分辨率要求數(shù)十TB數(shù)據(jù)量典型電影資產體積1000+渲染節(jié)點大型渲染農場規(guī)模游戲渲染技術實時要求每秒60幀以上的渲染速度快速光照計算LOD技術優(yōu)化技術平臺適配與性能調優(yōu)動態(tài)分辨率時間抗鋸齒藝術表現(xiàn)非真實渲染與風格化卡通渲染程序化生成科學可視化醫(yī)學成像CT與MRI數(shù)據(jù)三維重建分子結構復雜生物分子可視化數(shù)據(jù)可視化多維數(shù)據(jù)空間映射系統(tǒng)模擬物理現(xiàn)象動態(tài)過程再現(xiàn)建筑可視化藝術創(chuàng)作數(shù)字藝術創(chuàng)造非真實虛擬美學程序化藝術算法控制的創(chuàng)作過程視覺表現(xiàn)探索新的美學形式渲染技術展望硬件發(fā)展專用光線追蹤加速器算法創(chuàng)新更高效的路徑采樣技術2跨學科融合結合物理學和感知科學3AI渲染智能輔助創(chuàng)作與優(yōu)化硬件趨勢光線追蹤性能能耗比算法創(chuàng)新方向物理模擬更準確的物質光學特性微觀結構影響模擬機器學習智能采樣與降噪神經(jīng)網(wǎng)絡輔助渲染實時全局光照高效間接光照計算空間時間連貫性利用智能渲染感知驅動的自適應采樣計算資源智能分配跨學科融合計算機圖形學算法與實現(xiàn)技術光學物理光線傳播與材質交互數(shù)學積分求解與優(yōu)化理論人工智能智能優(yōu)化與圖像理解倫理與應用1技術倫理圖像合成的道德邊界2社會影響真實與虛擬界限模糊3創(chuàng)新責任技術發(fā)展的負責任應用4可持續(xù)發(fā)展計算資源高效利用教育與培訓基礎理論數(shù)學與物理基礎知識技術實現(xiàn)編程與工具應用實踐項目真實場景解決方案創(chuàng)新思維跨學科融合能力開源與協(xié)作100+開源引擎活躍開發(fā)的渲染項目10K+全球貢獻者參與開源渲染開發(fā)5M+用戶群體開源渲染技術使用者25%商業(yè)應用使用開源組件的產品比例創(chuàng)新挑戰(zhàn)計算復雜性高精度渲染的計算需求真實感重建完美模擬物理世界的難度實