《图形的着色与渲染》课件

图形的着色与渲染通过复杂的算法和技术我们能够为各种计算机生成的图形添加逼真的色彩和细,节使之更加生动自然这个过程被称为着色和渲染是计算机图形学的核心内容,,之一课程目标全面了解图形渲染技术学习常用渲染优化方法12从渲染管线概念到光照模型、阴影、法掌握延迟渲染、前向渲染等渲染架构以,线贴图等技术全面掌握图形渲染的基本及纹理压缩、着色器优化等实用技巧,原理熟悉主流图形和着色语言提升图形性能和调试能力3API4深入学习、和渲了解架构特点运用各种性能优化方DirectX OpenGLWebGL GPU,染管线并掌握着色语言的语法和法并掌握图形调试工具的使用,GLSL,编写技巧渲染管线概述几何处理1将物体顶点数据转换为屏幕像素3D2D光栅化2根据几何数据计算出片元颜色光照计算3应用着色模型计算每个像素的最终颜色渲染管线是从模型到最终像素的一系列流程首先将顶点数据转换为屏幕坐标，然后根据图元信息进行光栅化操作以获得每个3D2D3D2D片元最后应用各种着色算法计算出每个像素的最终颜色，完成整个渲染过程这一系列流程是现代图形渲染的基础表面着色模型漫反射着色镜面反射着色基于光源和表面法线之间的夹角模拟镜面反射根据观察方向与反,,模拟表面的散射反射特性简单射光线方向的夹角计算高光的强易实现适用于多种材质度用于模拟金属、塑料等光滑,材质环境光遮蔽法线贴图计算表面点周围环境的遮挡程度使用纹理图存储表面法线信息能,,模拟环境光在复杂场景中的散射够在不增加几何复杂度的情况下与衰减增加真实感模拟细节丰富的表面,漫反射着色什么是漫反射着色兰伯特反射模型在渲染中的应用3D漫反射着色是最基本的着色模型之一它描兰伯特反射模型是漫反射着色的数学公式在图形渲染中漫反射着色是最常见和基,,3D,述了光线与表面的漫射反射行为表面上每它计算表面点接收到的漫反射光强度与入射本的着色方法之一用于模拟光线与物体表,个点接收来自各个方向的光线并均匀地反光方向和表面法线夹角的余弦成正比面的相互作用它可以用来渲染粗糙、哑光,射到所有方向的表面镜面反射着色高光效应镜面反射是物体表面光滑度和材质属性决定的一种光学效果，会在表面产生高亮的反射区域高光指数高光指数反映了表面光滑度，数值越大表示表面越光滑，高光反射越集中镜面反射强度镜面反射强度取决于表面材质属性，金属表面的镜面反射通常比非金属表面更强环境光遮蔽定义原理应用环境光遮蔽计算每个像素周围的环境广泛应用于电影、游戏和Ambient AOAO是一种模拟自遮蔽程度进而模拟自然界中建模等领域帮助创造出更加Occlusion,AO,,然光照效果的渲染技术它模环境光被遮挡的情况它可以真实、细腻的视觉效果它不拟了物体表面与周围环境之间增强细节并产生更加逼真的会引入过多的计算开销是一,,的遮挡关系产生更真实的阴阴影和光影变化种高效的渲染技术,影效果阴影映射光源位置深度贴图偏移校正光源的位置决定了阴影的方向和长度精确通过记录深度信息来生成阴影贴图可以实合理的偏移校正可以有效避免自阴影失真和,设置光源位置对于渲染逼真阴影很关键现基于硬件的快速阴影渲染失真问题提高阴影质量,法线贴图增强表面细节高效渲染法线贴图可以为平面几何体添加与使用高顶点数几何体相比法,逼真的表面纹理细节如凹凸不线贴图能够以较低的性能开销提,平的外观供类似的视觉效果灵活应用动态变化法线贴图可以应用于各种材质可通过动态生成法线贴图实现实,如金属、木材、岩石等增强其时的表面细节变化增强角色或,,表面质感物体的互动性视差贴图提升感知动态交互效果3D视差贴图可以通过模拟高度细节在物体移动或视角变化时视差贴,来增强表面的三维感知为场景增图可产生逼真的凸凹效果增强了,,添更加丰富的立体感互动体验优化渲染性能相比传统的高精度几何模型视差贴图能以更低的渲染开销实现类似的视觉,效果环境光照HDR技术概述环境光照应用图像获取光照烘焙HDR HDR HDRHDR环境光照可用于实现逼真通过拍摄多张曝光不同的照片将环境光照贴图烘焙到HDRHigh DynamicRange HDRHDR技术能够捕捉和表现更广泛的的室内外环境光照提升场然后合成为一张图像我场景中可以为物体表面添,3D,HDR,3D,亮度范围使图像更接近人眼景的真实感它能还原场景的们可以获得高动态范围的环境加逼真的漫反射光照效果这,所见的真实光照效果这有助明暗对比度营造出自然生动光照图这种图像能精准记录种技术广泛应用于游戏和电影,于创造更逼真、生动的渲染效的光影变化场景中的光照信息制作中果全局光照光照传播基于物理的渲染实时应用全局光照会模拟光线在整个场景中的传播过全局光照算法如路径跟踪和光子映射等利尽管全局光照计算量巨大但通过优化算法,,程让物体接受来自周围环境的间接光照增用物理定律模拟光线的传播可实现更逼真和硬件加速如实时光子映射已在游戏和影,,,,,加画面的真实感和细节的光照效果视中广泛应用抗锯齿技术锯齿消除多种算法抗锯齿技术通过平滑化图像边缘常见的抗锯齿算法包括多重采样消除了锯齿状的失真效果提高、超采样、、等各,,MSAA FXAA,了图像的清晰度和质感有优缺点性能考量针对性应用抗锯齿技术需要消耗一定的不同场景下可以选择合适的抗锯资源需要在图像质量和渲齿算法比如游戏、、图像GPU,,CAD染性能之间进行权衡编辑等帧缓冲概念帧缓冲概念多层渲染数据结构帧缓冲是一块内存区域用于存储图像的每帧缓冲支持将不同的渲染层如背景、模帧缓冲采用二维数组来存储像素数据每个,3D,个像素的颜色值它是渲染过程的关键组成型、用户界面等组合成最终的图像确保各像素包含颜色通道如以及深度信息,RGBA部分确保每一帧图像被正确地绘制和显示层之间的合理叠加和融合等形成完整的帧数据,,延迟渲染渲染效率提升1延迟渲染通过将渲染步骤分为几个阶段,可以有效提高渲染效率,特别是在高复杂度场景中灵活的光照处理2延迟渲染允许独立操作各种光照效果,如环境光、阴影、反射等,增加了渲染的灵活性多重通道输出3延迟渲染可以在一次渲染中输出多个通道,如颜色、法线、深度等,为后期处理提供更多信息前向渲染准备场景1收集模型、纹理、光照等资产遍历几何体2逐个对每个几何体进行渲染计算光照3根据材质和光源计算表面颜色前向渲染是一种常见的实时渲染方法它从场景中的每个几何体开始依次计算光照最终将结果输出到帧缓冲区这种方法简单直接但需,,,要为每个几何体单独计算光照效率较低尽管如此前向渲染仍是许多游戏和实时应用程序的主要选择,,架构简介GPU（图形处理单元）是一种专门用于图形和视频处理的微处理器与传统的GPU中央处理器（）相比，拥有大量的简单处理核心能够并行高效地进行CPU GPU,大量的浮点计算适用于图形渲染、流体模拟、人工智能等领域,架构通常包括多个流式多处理器每个流式多处理器又由多个位或位流GPU,3264式处理器组成这种高度并行的设计使能够同时处理大量的图形数据从而GPU,大大提高了图形处理性能渲染优化技术动态细分管理LOD根据视角调整几何体细节在远处根据物体与观察者的距离动态切,,使用较低的细分水平近处使用更换多个不同复杂度的模型保持视,,高的细分水平来提高渲染效率觉质量的同时降低渲染开销遮挡剔除纹理贴图优化在渲染前对模型进行可见性检测通过压缩、分级、切片等技术减,,剔除那些被其他物体遮挡住的不少纹理数据占用的显存空间提高,可见部分减少不必要的渲染工作纹理访问效率,纹理贴图格式常见格式格式格式格式DDS ETC/ASTC HDR主要包括、、是和是针对移动设备高动态范围格式如JPEG PNGBMP DirectDrawSurface DDSETC ASTCHDR、、等格式每种格一种专门为游戏和图形开发设的高效纹理压缩格式在保证可以存储更广泛的GIF TGA,OpenEXR式有不同的压缩算法和特性计的纹理格式支持压缩和多图像质量的同时大幅减小文件亮度范围适用于高质量渲染,,,适用于不同的场景级纹理大小和后期处理贴图压缩算法数据压缩贴图压缩算法通过减少数据量来提高图形渲染效率常见算法包括JPEG、PNG和WebP等质量保持压缩算法需要在保持图像质量和减少文件大小之间寻找平衡无损压缩可以完全保留原始信息硬件优化现代GPU可以硬件加速某些常见的压缩算法,进一步提高渲染性能压缩格式的选择需要考虑硬件支持图形简介API图形是软件开发人员与图APIApplication ProgrammingInterface形硬件交互的标准接口主流的图形包括、和API DirectXOpenGL等这些提供了丰富的绘图、渲染、材质、纹理等功WebGL API能使开发人员能够充分利用图形硬件的强大性能,适当选择图形并深入学习其使用方法是图形编程的基础不同API有各自的优缺点开发人员需要根据具体需求做出选择API,渲染管线DirectX应用程序接口DirectX提供了一系列可编程的图形应用程序接口,如Direct3D、DirectDraw等,用于与显卡硬件进行交互绘制流程DirectX渲染管线包括几何处理、光栅化、像素着色等众多阶段,确保高效的3D图形渲染硬件加速DirectX充分利用GPU强大的并行计算能力,实现高性能的3D图形渲染和特效处理开发工具Visual Studio等开发工具为DirectX提供了丰富的编程接口和调试功能,大大提高了开发效率渲染管线OpenGL顶点着色OpenGL渲染管线的第一阶段是顶点着色器它将3D模型中的顶点位置、法线和材质属性等转换为屏幕空间坐标基元装配顶点着色器的输出会被组装成基元如三角形这些基元将构成最终的3D几何图形光栅化渲染管线的下一步是光栅化它将基元转换为屏幕上的像素片段,并计算各个片段的颜色和深度值片段着色片段着色器根据材质属性、光照和纹理信息,计算出最终的像素颜色这一步是渲染管线的核心混合最后一步是将计算出的颜色值与帧缓冲中的现有颜色进行混合,生成最终的图像渲染管线WebGL图形管线1WebGL采用了与OpenGL ES类似的图形渲染管线架构,包括顶点着色器、图元装配、光栅化以及片段着色器等关键步骤顶点处理2顶点着色器负责对每个顶点进行坐标变换、法线计算以及纹理坐标生成等操作图元光栅化3光栅化阶段会根据顶点着色器的输出,生成一个个对应的像素片段,并计算出每个像素的颜色片段着色4片段着色器负责处理光照、阴影、纹理映射等复杂的像素级着色效果,输出最终的像素颜色着色语言介绍着色语言概述语法特点编程工具着色语言是专门用于编写图形渲染着色器的着色语言通常采用语言的语法结构支持变着色语言编程需要专门的和编译器如C,IDE,高级编程语言它们可以在上运行为量、控制流、数学运算等常见编程功能同、同GPU,GLSL forOpenGL HLSLfor DirectX实时图形渲染提供高度可编程的灵活性时还包含专门的图形编程指令和内置函数时也有一些跨平台的着色器编程工具语法解析GLSL基本语法矢量和矩阵运算内置函数库着色器类型GLSL（着色器语言提供了丰富的矢量和矩内置了大量实用的数学主要包括顶点着色器、GLSL OpenGLGLSL GLSLGLSL）通过声明变量、函数和控制阵运算符可以轻松进行线性、纹理采样以及几何变换函数片元着色器、几何着色器等不,流结构来实现图形渲染它支代数运算如点乘、叉乘等用极大地简化了着色器的编写同类型负责不同阶段的图形,,,,持基本的数据类型如标量、向于实现诸如光照、变换等图形过程处理量和矩阵计算着色器优化技巧精简代码利用指令SIMD减少冗余变量和功能以降低计算充分利用的向量处理能力提GPU,开销仅保留必要的逻辑高指令级并行度减少分支预测优化纹理采样避免复杂的条件分支尽可能使用采用合适的过滤模式减少不必要,,数学运算来替代的采样次数图形调试工具图形调试工具是开发者必不可少的辅助工具它们可以帮助开发者诊断和解决图形渲染中的各种问题包括性能瓶颈、渲染错误以,及着色器错误常用的调试工具有、、GPU ProfilerRenderDoc等这些工具提供了丰富的功能如实时预览渲染PIX forWindows,管线、检查像素数据、分析性能指标等开发者可以根据具体需求选择合适的工具有效提高开发效率,课程总结课程总结回顾了图形渲染的基本概念和技术,从渲染管线、表面着色、光照模型到高级渲染技术,全面介绍了图形渲染的核心知识关键要点掌握了渲染管线的工作原理,理解了表面着色模型和光照模型,学习了各种高级渲染技术的应用未来发展图形渲染技术不断进化,未来或将应用更多基于物理的渲染算法和GPU加速技术,为3D图形创作带来更逼真的视觉体验问答环节通过本课程的学习，相信大家对图形渲染的基础概念和技术有了更加深入的理解在这里，我们将开放问答环节欢迎各位同学提出您在学习过程中遇到的任何,问题或疑惑作为授课老师我将竭尽全力解答您的问题帮助您更好地掌握本课,,程内容如果有什么不明白的地方请尽情发问我很乐意与您交流探讨,,让我们共同努力在互动交流中进一步巩固和提升我们对这一专题的认知这对,,于您未来从事相关工作或继续深造都将大有裨益那么请踊跃提问吧我期待与,,各位进行一场富有收获的问答环节。