什么是真实感渲染（一）：渲染历史

最近这两年，时不时会听到“（高）真实感渲染”这个词，什么效果才能称其为高真实感，其定义又是什么，本系列就和大家聊一聊我对真实感的一些浅薄理解。该系列包括三个方面：

• 渲染历史，概念上理解什么是真实感渲染
• 真实感渲染技术，技术上解释目前真实感渲染具体是哪些方面
• 前沿技术趋势，介绍目前比较热门的研究领域

本篇是系列一，介绍渲染技术的发展史以及不同阶段渲染领域专注的问题。

栅格化（Rasterization）

图片取自@Miamiamia0103

栅格化的对象是网格，网格表面可以通过三角形无限细分，而三角形是最简单的平面。接下来就是栅格化核心内容：如何绘制一个三角形。

图片取自CMU15-462 CG

栅格化的流水线主要有两个阶段：顶点（vertex）和片元（fragment），前者将三维空间下三角形的每一个点投射到二维平面上，后者则将投影后的三角形填充颜色，最终完成一个三角形的渲染。当多个三角形存在遮盖问题时，则通过深度检测（Z-buffer机制）来判断几何对象间的远近。

同一时代，还有一种称为Ray casting的渲染技术；该策略则以图像像素为中心，相机向每一个像素发射一条射线，该射线和所有的三角形求交，距离最短的三角形上的点作为该像素的颜色值。

图片取自Arthur Appel, 1964

首先，射线和三角形求交的算法简单高效，该策略避免了采用z-buffer维护深度的开销。但缺点也很明显，每个像素都需要构造一个射线，如果场景中三角面过多，计算性能消耗是无法接受的。因此，在上世纪七八十年代，栅格化是学术界主要研究对象，在工业界则通过OpenGL和DirectX标准，作为GPU渲染管线的一部分。

该阶段的先进技术主要包括shading下漫反射（diffuse）和镜面反射（specular）的模拟(Phong模型)、反射（Blinn的环境贴图）以及阴影（Stencil shadows）等效果，这是当年衡量真实感渲染的标准。

然而，栅格化是以几何对象为中心，并不能很好地模拟光线和几何之间的相互作用，人们把重点放在了射线光学（ray optics），期望得到更好的阴影，折射反射等模拟效果。

光线追踪（Ray Tracing）

图片素材来自网络搜索

Whitted-Style Ray Tracing算法（1979）采用射线模拟相机到光源间的光路传输，并考虑了射线和光源之间的遮盖，射线和物体间的反射，以及和半透明物体间的折射等光学现象。该算法模拟了光线传播中的基本物理规律，比如Fresnel， Beer law，折射率以及传输过程中的衰减等，非常健壮的实现了阴影、折射、反射效果。随后，’ Distribution Ray Tracing’引入了积分和蒙特卡洛采样的思想，优化了光线追踪渲染的细腻程度，比如反走样，软阴影，景深（Depth of field）以及运动模糊（Motion blur）等，增强了真实感。

1986年，Kajiya发表了’The Rendering Equation’，为计算机模拟真实世界的光路传输提供了物理正确的数学模型。1997年，Veach的论文‘ROBUST MONTE CARLO METHODS FOR LIGHT TRANSPORT SIMULATION’则完善了光路传输的理论体系。至此光线传输的理论基石已经搭建完毕，Ray Tracing几乎可以模拟所有的光学效果，比如光蚀（caustic），次表面散射（subsurface scattering）等。

总结

通过栅格化和光线追踪的发展来看，人们对真实感的定义随着时间而变化，最初希望有基本的阴影、折射、反射效果，随着技术和硬件能力的提升，人们的标准也不断的提高，正应了那句歌词，得不到的永远在骚动。这也反映了Moore‘s Law和Blinn's Law之间的相互制约：当计算能力不断提升时，人们也会提高渲染真实感的标准，从而保证渲染时间不变。

在概念上，无论栅格化还是光线追踪，真实感的标准主有三点：照片级别（photo realistic）和物理正确（physically based rendering）以及性能（high performance），只是两者给出了不同的优先级。光线追踪优先前两点，往往需要极大的计算量，因此在离线渲染领域成为主角。而Rasterization技术主要应用于实时渲染领域，为了性能而有条件地牺牲前两点。两种技术各取所长，共同造就了图形学两颗最璀璨的明珠：电影和游戏。

介绍完渲染技术的发展过程，相信大家对真实感渲染的概念有了基本的理解，下篇则针对Hybrid pipeline以及real time ray tracing方面，解读当下真实感渲染的具体技术点。