《真实感图形学》课件.ppt

*******************真实感图形学欢迎来到真实感图形学的世界。这门课程将带您探索计算机图形学中最前沿的技术，让虚拟世界栩栩如生。内容大纲1基础概念真实感图形学定义、发展历程和应用场景2光照与材质光传播模型、光照计算、表面反射模型等3高级渲染技术全局光照、光线追踪、参与介质等4实时渲染GPU架构、渲染管线优化、未来趋势等什么是真实感图形学？定义真实感图形学是计算机图形学的一个分支，致力于生成与现实世界视觉上无法区分的图像。目标模拟光线传播、材质特性和物理现象，以创造出逼真的虚拟场景和物体。真实感图形学的发展历程11960年代计算机图形学诞生，基本线框模型出现21970年代着色算法和纹理映射技术发展31980年代光线追踪和辐射度算法引入42000年代至今基于物理的渲染和实时全局光照兴起真实感图形学的应用场景电影特效创造逼真的虚拟场景和角色游戏产业提供沉浸式的游戏体验建筑设计可视化建筑方案和室内设计虚拟现实创造身临其境的虚拟环境光的传播模型几何光学研究光的反射、折射和散射现象波动光学解释光的干涉和衍射现象量子光学描述光与物质相互作用的微观过程辐射度学量化光能在空间中的传播和分布光照计算直接光照计算光源直接照射到表面的光量间接光照考虑光线在场景中多次反射后的贡献环境光遮蔽模拟物体周围环境对其产生的阴影效果因果线计算光线在复杂几何体上的传播路径表面反射模型漫反射光线均匀散射到各个方向，如哑光表面镜面反射光线在光滑表面上有方向性反射，如镜子混合反射结合漫反射和镜面反射，模拟大多数现实材质基于物理的渲染1能量守恒确保反射光能不超过入射光能2微表面理论模拟表面微观结构对光的影响3双向反射分布函数描述光线在表面的散射行为4基于图像的光照使用真实世界光照数据次表面散射光线进入物体穿透表面进入内部内部散射在物体内部多次散射部分吸收一些光被物体吸收重新射出剩余光从不同点射出参与介质体积散射光线在介质中的散射，如雾气或烟雾体积吸收介质对光的吸收，如有色玻璃相位函数描述散射光的方向分布多重散射光线在介质中多次散射的复杂过程高动态范围成像HDR优势捕捉更宽广的亮度范围，展现更丰富的细节和色彩色调映射将HDR图像压缩到显示设备的有限动态范围应用提高渲染质量，增强图像真实感和视觉冲击力全局光照算法光子映射模拟光子在场景中的传播和散射辐射度法计算场景中所有表面之间的能量交换路径追踪随机采样光线路径来模拟光传播环境光遮蔽近似计算间接光照，提高渲染效率光线追踪1射线生成从视点向场景投射光线2相交测试计算光线与场景物体的交点3着色计算根据材质属性和光照条件计算颜色4递归追踪对反射和折射光线进行递归处理区域光源软阴影产生更真实的阴影过渡效果漫反射照明创造更均匀、自然的光照环境计算挑战需要更复杂的采样和积分技术材质建模金属高反射率，导电性强电介质非金属材质，如塑料、玻璃织物复杂的微观结构，散射特性有机材质如皮肤、植物，具有次表面散射纹理贴图颜色贴图定义表面颜色和图案法线贴图模拟表面细节和凹凸效果高光贴图控制表面的反射特性置换贴图实际改变表面几何形状几何细节1多边形建模基本的3D模型创建方法2细分曲面动态增加模型细节3置换映射在渲染时添加几何细节4程序化生成算法创建复杂几何形状毛发和皮毛几何表示使用曲线或细长多边形模拟单根毛发生长模拟模拟毛发的生长方向和分布动力学计算毛发在运动和外力下的行为渲染技术处理毛发的光照、阴影和透明度水与液体模拟流体动力学基于物理方程模拟液体运动表面重建从粒子数据生成平滑液体表面光学特性模拟水的反射、折射和散射效果泡沫与飞沫添加细节增强真实感粒子系统1粒子生成创建具有初始属性的粒子2运动模拟计算粒子在力场中的运动3碰撞检测处理粒子与环境的相互作用4渲染将粒子可视化为点、线或体积基于图像的建模摄影测量从多张照片重建3D模型图像处理提取纹理和材质信息深度学习利用AI技术增强重建质量虚拟纹理1大规模纹理支持超高分辨率纹理2按需加载仅加载可见的纹理部分3多级缓存优化内存和磁盘访问4无缝过渡在不同分辨率间平滑切换可编程图形管线1顶点着色器处理顶点数据2曲面细分增加几何细节3几何着色器生成或修改几何体4片段着色器计算像素颜色实时渲染技术阴影映射高效生成实