渲染

渲染是从三维场景描述生成二维图像的过程，它模拟光线如何与表面相互作用并到达虚拟摄像机。

Definition

渲染是通过确定每个像素在给定光照和材质条件下从可见场景几何体到达摄像机的辐射度，从而计算像素图像的过程。

Scope

该领域涵盖了两种主要的渲染算法家族——光栅化（将几何体投影到图像平面）和光线追踪（跟踪场景中的光路），以及决定点如何呈现的光传输、表面反射和着色的物理和经验模型。它还包括使交互式图形成为可能的支持硬件加速的实时渲染管线。

Sub-topics

• rasterization and the graphics pipeline
• ray tracing and global illumination
• real time and gpu rendering
• shading and reflectance models

Core questions

• 给定一个包含几何体、光源和材质的场景，每个像素应该是什么颜色？
• 如何有效地近似光传输的物理过程进行计算？
• 物理精度和渲染速度之间有什么权衡？
• 如何重现阴影、反射和间接照明等全局光照效果？

Key concepts

• 光栅化和光线追踪
• 渲染方程
• 辐射度和辐照度
• 局部照明和全局照明
• 可见性和隐藏表面消除
• 着色和反射

Key theories

渲染方程

场景中的光传输由一个积分方程控制，该方程将某一点的出射辐射度表示为发射辐射度与在半球上积分的反射入射辐射度之和，为照片级真实感渲染提供了统一的物理基础。

局部照明与全局照明

局部照明仅使用直接光源对每个表面点进行着色，而全局照明则额外考虑在表面之间反弹的光线，从而产生柔和的阴影、颜色溢出和焦散，但计算成本显著更高。

Clinical relevance

渲染是电影视觉效果和动画、视频游戏、建筑和产品可视化、虚拟现实和增强现实、科学和医学可视化以及用于训练计算机视觉系统的合成数据管线的基础。

History

20世纪70年代的早期光栅图形确立了隐藏表面和着色算法；Whitted在1980年提出的递归光线追踪和Kajiya在1986年提出的渲染方程形式化了光传输，而2000年以来可编程GPU的兴起使基于物理的实时渲染成为主流。

Debates

实时图形中的光栅化与光线追踪

光栅化因其速度长期主导交互式渲染，而光线追踪则能更自然地呈现正确的阴影、反射和全局照明；硬件光线追踪加速缩小了但尚未消除性能差距，使得混合管线仍然普遍存在。

Key figures

• James Kajiya
• Turner Whitted
• Edwin Catmull

Seminal works

• kajiya1986
• pharr2016
• hughes2013

Frequently asked questions

光栅化和光线追踪有什么区别？

光栅化将场景几何体投影到图像上并填充其覆盖的像素，速度较快；而光线追踪则从摄像机向场景中跟踪光线，以确定每个像素看到的内容，这能更自然地捕捉反射、折射和阴影，但成本更高。

为什么照片级真实感渲染需要这么长时间？

模拟光线在表面之间多次反弹需要评估高维积分，通常通过追踪数百万条随机光路并对其进行平均来实现，因此将噪声降低到可接受的水平在计算上是昂贵的。