《真實(shí)感圖形學(xué)》課件

真實(shí)感圖形學(xué)歡迎來到真實(shí)感圖形學(xué)的世界。這門課程將帶您探索計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最前沿的技術(shù)，讓虛擬世界栩栩如生。內(nèi)容大綱1基礎(chǔ)概念真實(shí)感圖形學(xué)定義、發(fā)展歷程和應(yīng)用場(chǎng)景2光照與材質(zhì)光傳播模型、光照計(jì)算、表面反射模型等3高級(jí)渲染技術(shù)全局光照、光線追蹤、參與介質(zhì)等4實(shí)時(shí)渲染GPU架構(gòu)、渲染管線優(yōu)化、未來趨勢(shì)等什么是真實(shí)感圖形學(xué)？定義真實(shí)感圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)分支，致力于生成與現(xiàn)實(shí)世界視覺上無法區(qū)分的圖像。目標(biāo)模擬光線傳播、材質(zhì)特性和物理現(xiàn)象，以創(chuàng)造出逼真的虛擬場(chǎng)景和物體。真實(shí)感圖形學(xué)的發(fā)展歷程11960年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)誕生，基本線框模型出現(xiàn)21970年代著色算法和紋理映射技術(shù)發(fā)展31980年代光線追蹤和輻射度算法引入42000年代至今基于物理的渲染和實(shí)時(shí)全局光照興起真實(shí)感圖形學(xué)的應(yīng)用場(chǎng)景電影特效創(chuàng)造逼真的虛擬場(chǎng)景和角色游戲產(chǎn)業(yè)提供沉浸式的游戲體驗(yàn)建筑設(shè)計(jì)可視化建筑方案和室內(nèi)設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造身臨其境的虛擬環(huán)境光的傳播模型幾何光學(xué)研究光的反射、折射和散射現(xiàn)象波動(dòng)光學(xué)解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象量子光學(xué)描述光與物質(zhì)相互作用的微觀過程輻射度學(xué)量化光能在空間中的傳播和分布光照計(jì)算直接光照計(jì)算光源直接照射到表面的光量間接光照考慮光線在場(chǎng)景中多次反射后的貢獻(xiàn)環(huán)境光遮蔽模擬物體周圍環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的陰影效果因果線計(jì)算光線在復(fù)雜幾何體上的傳播路徑表面反射模型漫反射光線均勻散射到各個(gè)方向，如啞光表面鏡面反射光線在光滑表面上有方向性反射，如鏡子混合反射結(jié)合漫反射和鏡面反射，模擬大多數(shù)現(xiàn)實(shí)材質(zhì)基于物理的渲染1能量守恒確保反射光能不超過入射光能2微表面理論模擬表面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光的影響3雙向反射分布函數(shù)描述光線在表面的散射行為4基于圖像的光照使用真實(shí)世界光照數(shù)據(jù)次表面散射光線進(jìn)入物體穿透表面進(jìn)入內(nèi)部內(nèi)部散射在物體內(nèi)部多次散射部分吸收一些光被物體吸收重新射出剩余光從不同點(diǎn)射出參與介質(zhì)體積散射光線在介質(zhì)中的散射，如霧氣或煙霧體積吸收介質(zhì)對(duì)光的吸收，如有色玻璃相位函數(shù)描述散射光的方向分布多重散射光線在介質(zhì)中多次散射的復(fù)雜過程高動(dòng)態(tài)范圍成像HDR優(yōu)勢(shì)捕捉更寬廣的亮度范圍，展現(xiàn)更豐富的細(xì)節(jié)和色彩色調(diào)映射將HDR圖像壓縮到顯示設(shè)備的有限動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用提高渲染質(zhì)量，增強(qiáng)圖像真實(shí)感和視覺沖擊力全局光照算法光子映射模擬光子在場(chǎng)景中的傳播和散射輻射度法計(jì)算場(chǎng)景中所有表面之間的能量交換路徑追蹤隨機(jī)采樣光線路徑來模擬光傳播環(huán)境光遮蔽近似計(jì)算間接光照，提高渲染效率光線追蹤1射線生成從視點(diǎn)向場(chǎng)景投射光線2相交測(cè)試計(jì)算光線與場(chǎng)景物體的交點(diǎn)3著色計(jì)算根據(jù)材質(zhì)屬性和光照條件計(jì)算顏色4遞歸追蹤對(duì)反射和折射光線進(jìn)行遞歸處理區(qū)域光源軟陰影產(chǎn)生更真實(shí)的陰影過渡效果漫反射照明創(chuàng)造更均勻、自然的光照環(huán)境計(jì)算挑戰(zhàn)需要更復(fù)雜的采樣和積分技術(shù)材質(zhì)建模金屬高反射率，導(dǎo)電性強(qiáng)電介質(zhì)非金屬材質(zhì)，如塑料、玻璃織物復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，散射特性有機(jī)材質(zhì)如皮膚、植物，具有次表面散射紋理貼圖顏色貼圖定義表面顏色和圖案法線貼圖模擬表面細(xì)節(jié)和凹凸效果高光貼圖控制表面的反射特性置換貼圖實(shí)際改變表面幾何形狀幾何細(xì)節(jié)1多邊形建模基本的3D模型創(chuàng)建方法2細(xì)分曲面動(dòng)態(tài)增加模型細(xì)節(jié)3置換映射在渲染時(shí)添加幾何細(xì)節(jié)4程序化生成算法創(chuàng)建復(fù)雜幾何形狀毛發(fā)和皮毛幾何表示使用曲線或細(xì)長多邊形模擬單根毛發(fā)生長模擬模擬毛發(fā)的生長方向和分布動(dòng)力學(xué)計(jì)算毛發(fā)在運(yùn)動(dòng)和外力下的行為渲染技術(shù)處理毛發(fā)的光照、陰影和透明度水與液體模擬流體動(dòng)力學(xué)基于物理方程模擬液體運(yùn)動(dòng)表面重建從粒子數(shù)據(jù)生成平滑液體表面光學(xué)特性模擬水的反射、折射和散射效果泡沫與飛沫添加細(xì)節(jié)增強(qiáng)真實(shí)感粒子系統(tǒng)1粒子生成創(chuàng)建具有初始屬性的粒子2運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算粒子在力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)3碰撞檢測(cè)處理粒子與環(huán)境的相互作用4渲染將粒子可視化為點(diǎn)、線或體積基于圖像的建模攝影測(cè)量從多張照片重建3D模型圖像處理提取紋理和材質(zhì)信息深度學(xué)習(xí)利用AI技術(shù)增強(qiáng)重建質(zhì)量虛擬紋理1大規(guī)模紋理支持超高分辨率紋理2按需加載僅加載可見的紋理部分3多級(jí)緩存優(yōu)化內(nèi)存和磁盤訪問4無縫過渡在不同分辨率間平滑切換可編程圖形管線1頂點(diǎn)著色器處理頂點(diǎn)數(shù)據(jù)2曲面細(xì)分增加幾何細(xì)節(jié)3幾何著色器生成或修改幾何體4片段著色器計(jì)算像素顏色實(shí)時(shí)渲染技術(shù)陰影映射高效生成實(shí)時(shí)陰影屏幕空間環(huán)境光遮蔽近似全局光照效果延遲渲染優(yōu)化復(fù)雜光照?qǐng)鼍皩?shí)時(shí)光線追蹤結(jié)合光柵化和光線追蹤硬件加速渲染GPU并行計(jì)算利用大量核心同時(shí)處理圖形任務(wù)專用硬件單元如光線追蹤核心，加速特定算法高帶寬內(nèi)存快速訪問紋理和幾何數(shù)據(jù)可編程流水線靈活定制渲染過程GPU架構(gòu)流處理器執(zhí)行并行計(jì)算任務(wù)紋理單元高效采樣和過濾紋理光柵化引擎將幾何體轉(zhuǎn)換為像素內(nèi)存控制器管理數(shù)據(jù)流和緩存渲染管線優(yōu)化1批處理減少API調(diào)用次數(shù)2層次細(xì)節(jié)根據(jù)距離調(diào)整模型復(fù)雜度3遮擋剔除避免渲染不可見物體4著色器優(yōu)化簡化復(fù)雜計(jì)算，利用硬件特性未來發(fā)展趨勢(shì)實(shí)時(shí)全局光照在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)逼真光照神經(jīng)渲染利用深度學(xué)習(xí)提高渲染質(zhì)量和效率云渲染分布式