实时和GPU渲染
实时渲染通过利用图形处理单元（GPU）的大规模并行架构，以足够快的速度生成图像，通常每秒几十帧，以实现交互性。
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Definition
实时渲染是在严格的每帧时间预算内合成图像，利用GPU加速的光栅化和日益增长的硬件光线追踪来维持交互式帧率。
Scope
本主题涵盖可编程GPU管线和着色器阶段、纹理映射和过滤、阴影和反射的实时近似、延迟和前向着色策略、用于性能的细节层次和剔除，以及在固定预算内保持帧时间的工程权衡。
Core questions
- 如何在每帧毫秒内生成令人信服的图像？
- 着色器如何用于编程GPU管线？
- 哪些近似方法使全局效果在实时中变得经济可行？
- 如何通过剔除和细节层次来减少渲染工作量？
Key concepts
- 可编程着色器
- 纹理映射和过滤
- 阴影映射
- 延迟和前向着色
- 剔除和细节层次
- 帧时间预算
Key theories
- 可编程着色器管线
- 现代GPU暴露了可编程的顶点、几何和片段阶段，允许开发人员在保持专用并行硬件吞吐量的同时，自定义变换和着色。
- 阴影映射
- 阴影通过从光源视角渲染场景深度并将其与表面深度进行比较来近似，这是一种图像空间技术，速度足够快以用于实时应用，但容易出现锯齿。
Clinical relevance
实时GPU渲染驱动着视频游戏、虚拟和增强现实、交互式设计和模拟工具以及数据可视化，并且相同的GPU计算硬件支撑着现代机器学习的大部分内容。
History
1990年代的固定功能图形加速器在2000年代初期被可编程着色器取代，GPU计算在2010年代拓宽了硬件的作用，而专用光线追踪核心则在该十年末期出现。
Debates
- 延迟着色与前向着色
- 延迟着色将几何体与光照分离，以高效处理大量光源，但使抗锯齿和透明度复杂化；而前向着色自然地处理这些问题，但随着光源数量的增加而扩展性差；引擎通常采用混合集群方法。
Key figures
- Lance Williams
- Tomas Akenine-Moller
Related topics
Seminal works
- williams1978
- akenine2018
Frequently asked questions
- 为什么GPU在图形处理方面比CPU快得多？
- 渲染对大量的顶点和像素独立地应用相似的操作，而GPU拥有数千个简单的核心，旨在同时运行此类数据并行工作。
- 实时渲染如何实现路径追踪精确计算的效果？
- 它使用快速近似方法——预计算光照、阴影贴图、屏幕空间反射——这些方法牺牲了一些物理精度，以换取在每帧时间预算内所需的处理速度。