正版 光线追踪精粹——基于DXR及其他API的高质量实时渲染 (美)埃

目录第一部分 光线追踪基础第1章 光线追踪术语 31.1 历史回顾 31.2 定义 4参考文献 7第2章 什么是光线？ 92.1 光线的数学表示 92.2 光线区间 102.3 DXR中的光线 112.4 小结 12参考文献 12第3章 DirectX光线追踪介绍 133.1 介绍 133.2 概述 133.3 准备就绪 143.4 DirectX光线追踪管线 143.5 HLSL针对DXR的新增支持 163.5.1 在HLSL中生成新的光线 173.5.2 在HLSL中控制光线遍历 173.5.3 额外的HLSL内部函数 183.6 一个简单的HLSL光线追踪案例 193.7 主机端初始化DXR 203.8 基础的DXR初始化和设置 213.8.1 几何体和加速结构 223.8.2 根签名 253.8.3 编译着色器 263.9 光线追踪管线状态对象（RTPSO） 273.10 着色器表 303.11 发射光线 323.12 挖掘更深和更多的资源 333.13 小结 33参考文献 34第4章 天文馆球幕相机 364.1 介绍 364.2 方法 364.2.1 从视口坐标计算光线方向 384.2.2 环形立体投影 404.2.3 景深 424.2.4 抗锯齿 434.3 天文馆球幕投影的示例代码 43参考文献 43第5章 计算子数组的最小值和最大值 455.1 动机 455.2 整表查询法 455.3 稀疏表查询法 465.4 区间树递归查询法 475.5 区间树迭代查询法 485.6 结果 505.7 小结 51参考文献 51第二部分 相交和效率第6章 避免自相交的快速可靠的方法 556.1 引言 556.2 方法 556.2.1 计算物体表面上的交点 556.2.2 避免自相交 576.3 小结 60参考文献 61第7章 光线/球体相交检测的精度提升 627.1 光线/球体相交基础 627.2 浮点精度探究 637.3 相关资源 66参考文献 67第8章 精巧的曲面：计算光线/双线性曲面相交的几何方法 688.1 引言与当前技术 688.1.1 性能测试 708.1.2 网格四边形化 708.2 GARP细节 718.3 结果讨论 738.4 代码 76参考文献 77第9章 DXR中的多重命中光线追踪 809.1 引言 809.2 实现 819.2.1 朴素的多重命中遍历 839.2.2 节点剔除多重命中BVH遍历 859.3 结果 869.3.1 性能测量 869.3.2 讨论 899.4 结论 90参考文献 91第10章 一种具有高扩展效率的简单负载均衡方案 9210.1 引言 9210.2 要求 9210.3 负载均衡 9310.3.1 简单分块 9310.3.2 任务大小 9310.3.3 任务分布 9410.3.4 图像组装 9510.4 结果 96参考文献 97第三部分 反射，折射与阴影第11章 嵌套volume中材质的自动处理 10111.1 volume的建模 10111.1.1 独立边界 10111.1.2 添加空气间隙 10211.1.3 重叠的边界 10211.2 算法 10311.3 局限性 106参考文献 107第12章 基于微表面阴影函数解决凹凸贴图中的阴影边界问题 10812.1 介绍 10812.2 之前的工作 10912.3 方法 10912.3.1 法线分布函数 11012.3.2 阴影函数 11212.4 结果 113参考文献 114第13章 光线追踪阴影：保持实时帧速率 11513.1 介绍 11513.2 相关工作 11613.3 光线追踪阴影 11713.4 自适应采样 11913.4.1 时间重投影 11913.4.2 识别半影区域 12013.4.3 计算采样数目 12113.4.4 采样Mask 12113.4.5 计算可见性 12213.5 实现 12313.5.1 采样点集生成 12413.5.2 按距离剔除灯光 12413.5.3 限制总采样数 12413.5.4 在前向渲染管线中集成 12513.6 结果 12713.6.1 与阴影映射（方法）的对比 12713.6.2 软阴影与硬阴影对比 12813.6.3 限制 12913.7 总结和未来的工作 129参考文献 130第14章 DXR下的在单散射介质中引导光线的体积水焦散 13214.1 介绍 13214.2 体积光和折射光 13414.3 算法 13614.3.1 计算光束压缩比 13614.3.2 渲染焦散图 13714.3.3 光线追踪折射焦散图和累积表面焦散 13814.3.4 自适应地对水表面的三角形进行曲面细分 13914.3.5 构建三角形光束体积 14014.3.6 使用加算混合方式渲染体积焦散 14014.3.7 结合表面焦散和体积焦散 14114.4 实现细节 14114.5 结果 14114.6 将来的工作 14314.7 演示 143参考文献 143第四部分 采样第15章 重要性采样 14715.1 引言 14715.2 例子：环境光遮蔽 14815.3 理解方差 15115.4 直接光照 15315.5 结论 155参考文献 156第16章 采样变换集合 15716.1 采样机制 15716.2 样本分布介绍 15716.3 一维分布 15916.3.1 线性函数 15916.3.2 三角形函数 15916.3.3 正态分布 15916.3.4 一维离散分布采样 16016.4 二维分布采样 16216.4.1 双线性 16216.4.2 二维纹理分布 16216.5 均匀表面采样 16516.5.1 圆盘 16516.5.2 三角形 16616.5.3 三角形网格 16716.5.4 球 16716.6 方向采样 16816.6.1 Z轴向余弦加权半球 16916.6.2 向量轴向余弦加权半球 16916.6.3 锥体方向采样 16916.6.4 PHONG分布采样 17016.6.5 GGX分布 17016.7 体积散射 17116.7.1 体积中的距离 17116.7.2 Henyey-Greenstein相函数 17216.8 添加到集合中 172参考文献 173第17章 忽略光线追踪时的不便 17417.1 引言 17417.2 动机 17417.3 截断法 17617.4 路径正则化 17617.5 总结 177参考文献 178第18章 GPU实现的多光源重要性采样 17918.1 概述 17918.2 传统算法回顾 18018.2.1 实时光源剔除 18018.2.2 多光源的算法 18118.2.3 光源重要性采样 18118.3 基础知识回顾 18218.3.1 光照积分 18218.3.2 重要性采样 18318.3.3 对光源的光线追踪 18518.4 算法 18618.4.1 光源的预处理 18618.4.2 加速结构 18718.4.3 光源重要性采样 18818.5 结果 19018.5.1 性能 19218.5.2 图像质量 19418.6 结论 196参考文献 197第五部分 降噪与滤波第19章 利用实时光线追踪和降噪技术在UE4中进行电影渲染 20319.1 引言 20319.2 在UE4中集成光线追踪功能 20319.2.1 阶段1：实验性的整合 20419.2.2 阶段2 21019.3 实时光线追踪和降噪处理 21119.3.1 基于光线追踪的阴影 21119.3.2 基于光线追踪的反射 21419.3.3 基于光线追踪的全局漫反射照明 21819.3.4 光线追踪中的透明度 22119.4 结论 222参考文献 223第20章 实时光线追踪的纹理LOD策略 22420.1 简介 22420.2 背景 22520.3 纹理LOD算法 22620.3.1 MIP第0层的双线性滤波 22620.3.2 射线微分 22620.3.3 射线微分与G-Buffer 22920.3.4 射线锥 23020.4 实现 23420.5 对照及结果 23620.6 代码 239参考文献 241第21章 使用射线锥和射线差分进行环境贴图的过滤 24221.1 引言 24221.2 射线锥 24321.3 射线差分 24321.4 结果 244参考文献 244第22章 通过自适应光线追踪改进时域抗锯齿 24522.1 简介 24522.2 时域抗锯齿相关工作 24722.3 一种新算法 24722.3.1 分割策略 24822.3.2 稀疏光线追踪超采样 25122.4 初步结果 25322.4.1 画面质量 25322.4.2 性能 25422.5 局限性 25522.6 实时光线追踪抗锯齿技术的未来 25622.7 结论 256参考文献 257第六部分 混合方法及系统第23章 寒霜引擎中的交互式光照贴图和辐照度体预览 26123.1 介绍 26123.2 全局光照解算器管线 26223.2.1 输入与输出 26223.2.2 全局光照解算器管线的总览 26523.2.3 光照计算与光路构建 26623.2.4 光源 26923.2.5 特殊材质 27023.2.6 规划待计算纹素 27123.2.7 性能开销 27223.2.8 后处理 27223.3 加速技术 27523.3.1 视图优先级 27523.3.2 灯光加速结构 27523.3.3 辐照度缓存 27623.4 实时更新 27923.4.1 生产环境中的灯光艺术家的工作流 27923.4.2 场景操控与数据更新 27923.5 性能与硬件 28023.5.1 方法 28023.5.2 结果 28123.5.3 硬件配置 28423.6 结论 285参考文献 286第24章 基于光子映射的全局光照 28724.1 介绍 28724.2 光子追踪 28824.2.1 基于RSM的第一次反弹 28924.2.2 跟随光子路径 29024.2.3 DXR的执行 29124.3 屏幕空间辐照度估计 29324.3.1 定义splatting内核 29424.3.2 光子发射 29724.4 滤波 29924.4.1 时间滤波 29924.4.2 空间滤波 30024.4.3 考虑正常阴影的影响 30224.5 结果 30324.6 未来工作 30524.6.1 忽略splatting过程优化辐射分布 30524.6.2 用于方差裁剪细节系数的自适应常数 305参考文献 306第25章 基于实时光线追踪的混合渲染器 30725.1 混合渲染器综述 30725.2 管线详细介绍 30825.2.1 阴影 30925.2.2 反射 31325.2.3 环境光遮蔽 31825.2.4 透明物体的渲染 32025.2.5 透光物体的渲染 32225.2.6 全局光照 32425.3 性能 32925.4 未来 33025.5 代码 330参考文献 332第26章 延迟的混合路径追踪 33426.1 综述 33426.2 混合渲染方法 33526.3 遍历BVH 33626.3.1 选择几何体 33626.3.2 顶点处理 33726.3.3 着色 33726.4 漫反射分量的传播 33826.4.1 启发式光线生成 33826.4.2 基于前一帧的重投影 33926.4.3 优化多次渲染进行时间和空间滤波 34026.5 高光分量的传播 34126.5.1 时间累积 34126.5.2 重用漫反射波瓣 34226.5.3 基于路径追踪的间接光照 34226.5.4 估计波瓣的足迹（lobe footprint estimation） 34226.6 半透明物体 34326.7 性能 34326.7.1 用于虚拟现实的立体渲染 34526.7.2 讨论 345参考文献 345第27章 基于光线追踪的高品质科学可视化 34727.1 简介 34727.2 光线追踪在大场景渲染中的挑战 34827.2.1 使用正确的几何图元 34827.2.2 冗余消除、压缩及量化 34827.2.3 关于加速结构的思考 35127.3 可视化方法 35127.3.1 科学可视化中的环境光遮蔽 35227.3.2 强化透明表面的边缘 35527.3.3 剔除过多的透明表面 35627.3.4 轮廓描边 35827.3.5 裁剪平面和球体 35927.4 结尾的思考 361参考文献 362第七部分 全局光照第28章 对不均匀的介质进行光线追踪 36728.1 光在介质中的传输 36728.2 Woodcock跟踪 36828.3 示例：对介质进行简单的路径追踪 36928.4 延伸阅读 374参考文献 374第29章 光线追踪中的高效粒子体积喷溅 37529.1 动机 37529.2 算法 37629.3 实现 37729.3.1 光线生成着色器 37729.3.2 相交着色器和任意命中着色器 37929.3.3 排序和优化 37929.4 结果 38029.5 总结 380参考文献 381第30章 使用屏幕空间光子映射技术渲染焦散 38230.1 引言 38230.2 概述 38330.3 实现 38430.3.1 光子发射和光子追踪 38430.3.2 光子收集 38730.3.3 光照 38830.4 结果 38830.4.1 局限与未来工作 38930.4.2 深度缓冲区中的透明对象 38930.4.3 实际应用 38930.5 代码 390参考文献 390第31章 在路径重用下使用迹估计减少方差 39231.1 介绍 39231.2 为什么假设完全重用会导致MIS权重的破坏 39331.3 有效重用因子 39431.3.1 一个近似的解决方案 39431.3.2 迹的估计 39531.4 实现影响 39731.5 结果 398参考文献 400第32章 使用辐射度缓存的精确的实时高光反射 40232.1 介绍 40232.2 之前的工作 40332.2.1 平面反射 40332.2.2 屏幕空间反射 40432.2.3 基于图像的照明 40432.2.4 混合方法 40432.2.5 其他 40432.3 算法 40532.3.1 辐射度缓存 40632.3.2 光线追踪 40732.3.3 光线辐射度计算 40932.4 时空滤波 41432.4.1 空间滤波 41432.4.2 时间滤波 41632.4.3 反射运动向量 41732.5 结果 42132.5.1 性能 42232.5.2 质量 42432.6 总结 42632.7 未来工作 427参考文献 427

张静，1986年生，毕业于上海交通大学。目前在心动网络任专家工程师，负责渲染、优化、工具等方面工作。在GPU、计算机图形学和计算机视觉领域有1O多年研发和产品经验。曾翻译出版过《Proeessing语言非常不错指南》及《OpenCV2计算机视觉编程手册》，也是知乎专栏《黑客与画家》的作者。

在本书中你将学到：
可用于多个领域中实时光线追踪技术
;使用微软 DirectX Raytracing (DXR) API 的指导意见及最佳实践
;如何实现交互可视化、游戏及模拟领域的高性能渲染

本书共分七大部分：第一部分帮你理解现代光线追踪的基础知识和进行高效渲染所需的思维模式；第二部分为从事光线追踪器编写工作的读者提供一些对于问题的洞察，乃至解决方案；第三部分介绍构建一个产品级的光线追踪渲染器时对基本的效果进行处理的方法；第四部分介绍采样的相关知识；第五部分介绍了多个实用的降噪和滤波技术；第六部分展示五种混合使用光栅和光线追踪的渲染系统；第七部分介绍了用光线追踪实现全局光照的五个开拓性工作。本书提供了不少独门绝技，当这些技巧和技术由撰写本文的专家们分享出来时，它们成为了无价的珠宝。本书可供图形处理、游戏开发等相关技术人员参考，也可作为高等院校计算机及相关专业教材或参考手册。