Real-Time Rendering 4th Chapter 1 Introduction 简介转载

实时渲染主要关注如何快速的在计算机上渲染出图像。是计算机图形学中最热门的领域。图像渲染到屏幕后，会影响到观察者的行为，而观察者的行为又会影响到接下来的渲染。这个反馈和渲染速度非常快，观察者不会看到单独的图像，而是沉浸到这一动态过程中。

使用每秒帧数(fps)或者(Hz)来衡量图像的渲染频率。一秒一帧的频率下，毫无交互性可言，用户感觉自己的操作需要很长时间。在6fps的频率下，有一点交互性。当一个应用达到15fps就可以称之为实时了，用户会聚集到操作和反馈。由于用户的限制，超过72fps之后，用户就很感知更高的频率。

当用户观看超过60fps的图像渲染时不会有任何延迟感，更高的帧率只不过减少用户操作的反馈时间而已。在某些强操作交互中，即使15ms的延迟也会影响到用户体验。当然我们这里主要讨论的是实时渲染而不是交互性。如果反应速度是关键因素，能快速响应用户操作并在屏幕上呈现结果的应用就是合格的。实时渲染一般指的是三维物体的渲染。

交互性和三维空间不是实时渲染的关键条件，而是一种第三方部件–图像加速硬件(显卡)。在工作站上的专用的三维图像渲染硬件已经出现了很多年，不过这种硬件在消费级领域出现时间不长。公认的第一次出现在消费级领域的硬件是1996年出现的3Dfx Voodo 1。随着市场的快速增长，这种三维图像渲染硬件已经成为PC的标配了。不仅仅是用在实时渲染领域，它也用于很多的实时应用。

过去几年，图形硬件引发了交互图形学的爆发式增长。我们主要研究加速渲染速度和提高图像质量，并且描述加速算法和图像API的特性和优缺点。我们不会深入每个主题，而是介绍概念和术语，介绍每种方法的使用场景，提供更深沉次信息的入口。我们希望我们的尝试可以让你理解这一领域，让你觉得值得花费时间在本书上。

1.1 内容预览

下面是每个章节的简介。
第二章，渲染管线，本章描述实时渲染的核心 - 渲染管线，一种机制接受场景描述并转换为我们所见图像。
第三章，渲染单元，现代GPU实现实的时渲染的固定管线功能和可编程功能。
第四章，变换，变换是操作位移、旋转、缩放和相机的变化的工具。
第五章，外观，本章开始讨论材质、光照和它们之间的结合应用以实现具有真实感的外观。还会覆盖到外观相关的反走样和伽马校正。
第六章，纹理贴图，实时渲染中最重要的工具，用来实现在表面上显示图像。本章主要讨论这种技术的机制，和各种各样的应用方式。
第七章，高级着色，本章讨论高级着色的理论和实践，主要是如何表示材质和使用光源。
第八章，区域和环境光，讨论更多的光源类型和算法。
第九章，全局光照，阴影、反射、折射、光线跟踪、预计算光源和环境光遮罩等技术。
第十章，图像效果，使用多边形并不是最快的方式来表现光晕、火等效果。本章主要讨论基于图像的效果。各种后处理特效，比如动态高光、运动模糊、景深。
第十一章，非真实渲染，本章讨论卡通渲染。
第十二章，多边形技术，几何数据来源范围很广，有时为了渲染速度回修改几何数据。本章讨论多边形数据的清理和简化操作。还会介绍一些压缩表示方式，例如三角形带，fans和网格。
第十三章，曲线曲面，硬件最终处理的还是点、线和多边形。一些复杂的表面会在质量和渲染速度上取得一些平衡，以及更好的压缩表示和光滑曲面的生成。
第十四章，加速算法，主要包含空间裁剪和LOD。
第十五章，管线优化，加速算法可以让应用更加流畅。本章主要研究如何找到瓶颈并处理瓶颈。还会介绍多遍渲染。
第十六章，相交测试，相交测速对渲染、用户交互和碰撞检测来说十分重要。本章主要介绍一系列有效的算法来判别几何体之间是否相交。
第十七章，碰撞检测，对某些实时应用来说，找出两种对象是否相交十分关键。本章会介绍一些这个领域中的有效算法。
第十八章，图形硬件，之前的章节讨论过GPU加速算法，本章讨论其他部分，例如颜色、深度、帧缓存等基础结构类型。研究一些图形加速例子。
第十九章，未来

附录中有一些线性代数和三角函数相关知识。

1.2 符号和定义

先讨论本书所使用的数学符号，附录A详细的解释了本章的一些术语。

1.2.1 数学符号

表1.1总结了我们所使用的数学符号。这里会详细的讨论某些概念。

表1.1

类型	符号	示例
角度	小写希腊字母	$α_{i}, ϕ, ρ, η, γ_{242}, θ$
标量	小写斜体	$a, b, t, u_{k}, v, w_{i j}$
向量或者点	小写黑体	$a, u, v_{s}, h (ρ), h_{z}$
矩阵	大写字母	$T (t), X, R_{x} (ρ)$
平面	$π$	$π : n \cdot x + d = 0, π_{1} : n_{1} \cdot x + d_{1} = 0$
三角形	$Δ 3$	$Δ v_{0} v_{1} v_{2}, Δ c b a$
线段	两点	$u v, a_{i} b_{j}$
几何实体	大写斜体	$A_{0 B B}, T, B_{A A B B}$

角度和标量都是使用实数R来表示，向量和点使用加黑的小写字母来表示，如 $v = (\begin{matrix} v_{x} \\ v_{y} \\ v_{z} \end{matrix})$

齐次坐标系中使用 $v = (v_{x}, v_{y}, v_{z}, v_{w})^{T}$

矩阵要稍微复杂一点。常见的为2x2，3x3和4x4矩阵。我们主要介绍一下3x3矩阵M的访问方式，可以轻易的推广到其他尺寸。矩阵M的元素表示为 $m_{i j}, 0 \leq (i, j) \leq 2$

$\begin{matrix} (1.2) & M = (\begin{matrix} m_{00} & m_{01} & m_{02} \\ m_{10} & m_{11} & m_{12} \\ m_{20} & m_{21} & m_{22} \end{matrix}) \end{matrix}$

如公式1.3的3x3矩阵所示的符号是用来矩阵中的向量， $m_{, j}$

$\begin{matrix} (1.3) & M = (\begin{matrix} m_{, 0} & m_{=, 1} & m_{, 2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} m_{x} & m_{y} & m_{z} \end{matrix}) p m a t r i x = (\begin{matrix} m_{0}^{T} \\ m_{1} * T \\ m_{2}^{T} \end{matrix}) \end{matrix}$

使用 $π : n \cdot x + d = 0$

使用三点 $v_{0}, v_{1}, v_{2}$

表1.2列举常见的数学操作及其符号表示。附录A还包含了点乘、叉乘、行列式和取模。转置操作将列向量变换为行向量，反之亦然。故此列向量可以表示为 $v = (v_{x}, v_{y}, v_{z})^{T}$

$\begin{matrix} (1.4) & n! = n (n - 1) (n - 2) \cdot \cdot \cdot 3 \cdot 2 \cdot 1 \end{matrix}$

第十个操作符，二项式因子，定义如下1.5：
$\begin{matrix} (1.5) & (\binom{n}{r}) = \frac{n!}{k! (n - k)!} \end{matrix}$

更进一步来说，我们称 $x = 0, y = 0, z = 0$

符号[a,b]用来表示包含a和b的区间。如果不包含a和b，使用符号(a,b)表示。也可以任意组合这两种表示，如[a,b)表示a和b之间的区间，包含a但是不包含b。

本书经常使用C函数atan2(y,x)。这是标准函数arctan(x)的扩展。两者之间的区别在于， $- \frac{π}{2} < a r c t a n (x) < - \frac{π}{2}$

表1.2

n	操作符	描述
1	$\cdot$	点积
2	$\times$	叉乘
3	$v^{T}$	转置
4	$⨂$
5	$⊥$
6	$\| \cdot \|$	矩阵的行列式
7	$\| \cdot \|$	绝对值
8	$\| \| \cdot \| \|$
9	$n!$	阶乘
10	$(\binom{n}{r}) = \frac{n!}{k! (n - k)!}$	二项式
11	$a t a n 2 (y, x)$	点(x,y)到原点的向量和X轴之间的夹角(幅度)
12	$\bar{c o s (θ)}$	$m a x (0, c o s (θ))$
13	$\log (n)$

Clamped-cosine， $\bar{c o s (θ)}$

$\log (n)$

我们使用右手坐标系，因为这是计算机图形中三维几何的标准坐标系。

使用三元素(red, green, blue)来表示颜色，每个元素在范围[0,1]内。

1.2.2 几何定义

图形硬件使用的最基本图元为点，线和三角形。

贯穿本书，我们称基本图元的集合为模型或者对象。场景是模型的集合，包含场景中所有需要渲染的对象。场景还包含材质，灯光和观察者。

例如对象可以为车、建筑、甚至于直线。实际中，一个对象包含大量的渲染图元，但也不是总是这样。一些对象有更高抽象层次的集合表示，比如所贝塞尔曲线和曲面，细分表面等等。对象也可以包含其他对象，我们称车门为车的子集。

posted on 2020-08-07 15:42 拉风摊主阅读(180) 评论(0) 编辑收藏举报

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