《Real-Time Rendering 4th》第一章介绍 Introduction

七彩极 · 发表于 2022-2-28 12:22

RTR4 汉化
个人译制，仅供参考；如有疏漏，敬请指正。

实时渲染涉及在计算机上快速地绘制图像。它是计算机图形学中交互性最强的领域。当图像出现在屏幕上时，观众可以做出反应，而这种反馈会影响接下来生成的内容。这种即时反馈和渲染的循环以足够快的速度进行，以至于观众不会看到单独的图像，而是沉浸在动态过程中。
我们使用帧每秒 (frames per second, FPS) 或赫兹 (Hertz, Hz) 为单位度量这种图像播放显示的速率。当每秒有一帧画面 (1 FPS) 时，几乎没有交互感，用户可以痛苦地感知到每一张图像缓缓到来；当达到大约6 FPS时，开始产生交互感；而游戏的目标是30, 60, 72甚至更高的FPS；在这种速率下玩家才可以专注于做出反应。
电影放映机会以24 FPS的速度播放，但会使用快门系统控制每一帧显示2 - 4次以避免闪烁现象。这里的刷新率 (refresh rate) 需要和显示速率相区分，刷新率使用Hz作为单位。快门如果将一帧显示3次就会得到72 Hz的刷新率。LCD显示器同样也会将刷新率和显示速率进行区分。
仅仅观看图像以24 FPS的速度显示或许可以被接受，但考虑到缩小反应时间的需求，更高的显示速率就非常重要了。15 ms的延迟就可以减缓并影响交互[1]。例如对于VR头戴式显示器需要更高的90 FPS的速率以减小延迟感。
实时渲染不仅仅是交互性。如果速度是唯一的标准，那么任何快速响应用户命令并能在屏幕上绘制东西的应用程序都将符合条件。实时渲染通常意味着生成三维图像。
交互性和与三维空间的某种联系感是实时渲染的充分条件，但实时渲染的定义中已经出现了第三个元素：图形加速硬件。许多人认为1996年推出的3Dfx Voodoo 1是消费者级三维图形硬件的真正开端[2]。随着这个市场的快速发展，现在每台计算机、平板电脑和手机都内置了图形处理器。图 1.1 和 1.2 显示了通过硬件加速实现的实时渲染结果的一些优秀案例。

Figure 1.1. A shot from Forza Motorsport 7. (Image courtesy of Turn 10 Studios, Microsoft.)

Figure 1.2. The city of Beauclair rendered in The Witcher 3

图形硬件的进步推动了交互式计算机图形学领域研究的爆炸式增长。我们将重点介绍提高速度和提高图像质量的方法，同时也介绍加速算法和图形 API 的功能特点和局限性。我们无法深入地涵盖每个主题，所以我们的目标是提供关键概念和相关术语，并指出哪里可以获取更多更完善的信息。我们希望本书作为一种工具，会有助于您理解该领域，也希望您觉得花费时间和精力阅读本书是值得的。
<hr/>1.1 内容概述

下面是对每一章节内容的简要概述。
第2章图形渲染管线 (The Graphics Rendering Pipeline)。实时渲染的核心是一系列的步骤，用于获取场景的描述和信息并将其转换为我们所看到的内容。
第3章图形处理单元 (The Graphics Processing Unit)。现代GPU实现渲染管线的各个阶段时，使用了固定函数和可编程的单元。
第4章变换 (Transforms)。变换是对物体位置、方向、大小和形状以及照相机的位置、视角进行操作的基本工具。
第5章着色基础 (Shading Basics)。讨论从定义材料和灯光开始，并应用于实现我们希望的表面外观，其中包含了写实的与风格化的两方面。此外还介绍了其他与外观相关的主题，例如使用抗锯齿、透明度和伽玛校正来提升图像的质量。
第6章纹理 (Texturing)。纹理是实时渲染最强大的工具之一，提供了快速访问的能力，还能在表面上显示图像。纹理在各类方法中有广泛的应用。
第7章阴影 (Shadows)。向场景中添加阴影可以提高真实感。本书提供了更多可以快速计算阴影的著名算法。
第8章光照与色彩 (Light and Color)。在我们表述基于物理的渲染之前，我们首先需要理解如何量化光线与色彩。在我们物理渲染的过程完成后，我们需要将量化的物理结果转化为表现在屏幕上的数值，这将涉及屏幕和观察环境两方面的特性。这些话题在本章都会涵盖到。
第9章基于物理的着色 (Physically Based Shading)。我们从头开始构建对基于物理的着色模型的理解。本章从潜在的物理现象开始，涵盖了各种渲染材质的模型，最后介绍了将材质混合在一起并使用滤波的方法以避免锯齿、保持表面外观的方法。
第10章局部光照 (Local Illumination)。探索了用于描绘更精细光源的算法。表面着色考虑了光线的来源，是具有形状等物理性质的物体发出的。
第11章全局光照 (Global Illumination)。模拟光线和场景之间多种交互作用的算法进一步提高了图像的真实感。我们讨论了环境和定向遮挡、在漫反射和镜面反射表面上渲染全局光照效果的方法，以及一些具有前景的统一方法。
第12章基于图像的效果 (Image-Space Eects)。图形硬件擅长快速地进行图像处理。这一章首先讨论了图像滤波和重投影技术，之后是几种流行的后处理效果：镜头光晕、运动模糊和景深。
第13章更多的多边形 (Beyond Polygons)。三角形并不总是描述物体的最快或最真实的方式。其他的基于图像、点云、体素和采样方法的物体表示方法，也各有其优点。
第14章体积渲染与半透明渲染 (Volumetric and Translucency Rendering)。本章的重点是体积渲染材质的理论和实现，以及其与光线的交互作用。模拟的范围上至大规模的大气效果，下至毛发纤维内的光线散射。
第15章非真实感渲染 (Non-Photorealistic Rendering)。使场景更具真实感只是一种渲染的方式，其他的风格还包括卡通效果和水彩效果。此外还讨论了渲染文本和线条的技术。
第16章多边形技术 (Polygonal Techniques)。几何数据通常来源广泛，有时需要经过修改才能更快更好地渲染。本章给出了多边形数据的一些表示方法和压缩方法。
第17章曲线和曲面 (Curves and Curved Surfaces)。更加复杂的曲面表示也具有相应的好处，如可以在质量和速度间权衡、更简洁的表示方法、生成更平滑的表面等。
第18章管线优化 (Pipeline Optimization)。当应用程序运行并使用高效的算法时，我们可以使用各种优化技术进一步加快运行效率。找到性能瓶颈并学会如何处理是本章的主题。此外包括了多进程并行处理 (Multiprocessing)。
第19章加速算法 (Acceleration Algorithms)。既然加速了，那还能再加快点。本章讨论了各种形式的剔除和LOD (level of detail) 渲染。
第20章高效着色 (Ecient Shading)。场景中大量的灯光会显著降低渲染的性能；在测试可见性之前对所有片元进行表面着色也是一种性能浪费。本章我们讨论了很多方法来解决此类着色时影响渲染效率的问题。
第21章虚拟现实与增强现实 (Virtual and Augmented Reality)。该领域的主要挑战和技术在于如何高效、快速、稳定地生成真实感的图像。
第22章交点测试方法 (Intersection Test Methods)。交点测试是渲染、交互、碰撞检测中非常重要的部分。本章深度覆盖了大部分最高效的对于常见几何体的交点测试算法。
第23章图形硬件 (Graphics Hardware)。本章的重点是诸如颜色深度 (color depth)、帧缓冲区 (framebuers) 和基本架构类型。同时本章还提供了典型的GPU的案例供读者研究。
第24章来 (The Future)。自行想象。
由于篇幅限制，我们在 realtimerendering.com 提供了免费下载的一个章节，内容关于碰撞检测，此外还包括了线性代数和三角学的附录。

1.2 符号与定义

首先，我们将解释本书中用到的数学符号。同时，为了更彻底地理解这一部分的许多术语以便理解本书，建议从realtimerendering.com 获取线性代数附录。
1.2.1 数学符号

表1.1 总结了多数我们会使用的数学符号，部分概念我们会稍做阐述。
请注意，表格中的符号有一些例外，主要是在着色方程中使用的符号，它们在文献中已经被广泛地确立，例如用 $L$ 来表示radiance， $E$ 来表示irradiance，以及 $\sigma_s$ 表示散射系数 (scattering coefficient)。
角度与标量通常取值于实数 $\mathbb{R}$ ；向量与点通常使用粗体小写字母表示，且其中的要素通常以下面的形式组织：

$\mathbf{v}=\left(\begin{array}{l}v_{x} \\ v_{y} \\ v_{z}\end{array}\right) \\$
也就是列向量的形式，这一形式也在图形学中广泛地被使用。有时在文本中我们为了便于阅读，会使用 $\left(v_{x}, v_{y}, v_{z}\right)$ 而不是严格正确的格式 $\left(v_{x}, v_{y}, v_{z}\right)^T$

表1.1 本书中使用符号的总结

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参考

^Watson, Benjamin, and David Luebke, &quot;The Ultimate Display: Where Will All the Pixels Come From?&quot; Computer, vol. 38, no. 8, pp. 54-61, Aug. 2005.http://www.intercom.virginia.edu/~luebke/publications/pdf/ieee.computer.Aug2005.pdf
^Eccles, Allen, &quot;The Diamond Monster 3Dfx Voodoo 1,&quot; GameSpy Hall of Fame, 2000. https://web.archive.org/web/20010105133000/http://www.gamespy.com/halloffame/october00/voodoo1

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