Rendering Course by Wangningbei

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引言

偶然间发现了王贝贝老师的渲染课程录播，虽然只更新了五篇但还是特开一篇文章用以复习回顾。

渲染入门

Lec1


场景与渲染

材质描述的是几何体本身和光发生作用的时候呈现的颜色。

渲染过程涉及两个方面：

  • 着色 Shading
  • 光线传输 Light Transport：光线在场景中多次反弹的过程
ShaderToy示例

几何体

这些形状到底是怎么形成的？

  • 显式：三角形、四边形等离散的
  • 隐式：写方程得到的（数据量小，相交求解方便）
隐式表面

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float Scene(vec3 p, mat3 localToWorld)
{
	p = p * localToWorld;

	// ring
	vec3 t = p;
	t.y -= -.7;
	float r = Substract(Disc(t, 0.9, .1), Cylinder(t, .7, 2.));
	vec3 t2 = t - vec3(0., 0., 1.0);
	Rotate(t2.xz, 0.25 * MATH_PI);
	r = Substract(r, Box(t2, vec3(.5)));
	r = Union(r, Disc(t + vec3(0., 0.05, 0.), 0.85, .05));

	t = p;
	Rotate(t.yz, -.3);

	// body
	float b = Sphere(t, .8);
	b = Substract(b, Sphere(t - vec3(0., 0., .5), .5));
	b = Substract(b, Sphere(t - vec3(0., 0., -.7), .3));
	b = Substract(b, Box(t, vec3(2., .03, 2.)));
	b = Union(b, Sphere(t, .7));

	float ret = Union(r, b);
	return ret;
}
显式表面

隐式表达 vs 显式表达

各种文件类型

  • .obj：比较通用，但压缩上非常差
  • .fbx：Unreal 或者 Unity 引擎可直接使用
一个模型究竟包含了哪些信息呢？

  • 一些点、点和点之间如何相连（拓扑关系）
  • 点（vertex）：位置、法向（normalized）、uv 坐标等
  • 拓扑：这些点组合成 polygon（三角形）
物体坐标系和世界坐标系

相机（camera/sensor）

正交(orthographic) vs 透视(perspective)

透视投影

相机坐标系

渲染常见有两种方式：光栅化 和 光线追踪。

需要说明的是这两种方法和是否使用 CPU、GPU 无关，看的是有没有硬件的支持。

光栅化(rasterization)

以物体为中心，遍历所有的物体（三角形）向屏幕投影。

  • 通过 zbuffer 确定显示哪个点
  • 光栅化从很久很久以前就有硬件支持了，比如 OpenGL、Direct3D 等
光线追踪(ray tracing)

  • 以屏幕为中心，遍历所有的像素，发射光线与场景求交
  • 对光线追踪的硬件支持时间上晚于光栅化（从 Optix 2010 年开始，DX12 开始支持是近几年的事情）
  • 为什么？因为光线追踪太费了
为什么说光线追踪太费了呢

光线与场景求交：找到光线与场景中某个三角形的交点

  • 发射光线
  • 先找到三角形
  • 找到交点

如何找到三角形？可以遍历一遍（O(n)）；也可以借助于空间数据结构如 KD tree、BVH 等等（O(logn)）。

光线与场景求交

包围盒(bounding box)

光线与三角形求交(BVH)

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Intersect(Ray ray, BVH node) {
    if (ray misses node.box) return;
    
    if (node is a leaf node)
        test intersection with all objs;
        return closest intersection;
    
    hit1 = Intersect(ray, node.child1);
    hit2 = Intersect(ray, node.child2);
    
    return the clser of hit1, hit2;
}
光线与三角形求交（简单方案）

光栅化 vs 光线追踪

  • 光栅化：速度快，全局光照、阴影等处理方式繁琐
  • 光线追踪：准确，擅长镜面反射、阴影，计算全局光照、阴影等思路简单但是耗时
小结

Lec2


各种各样的材质

现实世界中有各种各样的不同材质，材质该如何表达呢？

材质的主要分类

材质是一个关于入射光和出射光的函数，双向反射分布函数（Bidirectional Reflection Distribution Function，BRDF）

BRDF

Shading Normal

着色是在局部坐标系下的，三角面片的割裂导致了右图的渲染效果。

Lec3


全局光照

Lec4


Lec5