剖析逼真的实时渲染技术

实时渲染让我们可以实时地探索复杂的、逼真的 3D 项目。 Ricardo Ortiz 在本文中引导我们理解这个令人兴奋的新领域。

何谓实时渲染？

在作者上篇文章《何谓3D渲染: 3D可视化指南》中，回顾了创建3D影像的两大方法：光线追踪(ray tracing)和光栅化(rasterization)。让我们再次复习一下：

• 光线追踪 是通过追踪来自摄影机的光线穿过像素的虚拟平面并仿真其与物体相遇的效果来生成影像的。
• 光栅化是通过虚拟三角形的网格在屏幕上创建物体，从而创建物体的三维模型。

这两种方法各有优势：光线追踪是为高质量的相片级写实所设计的，而光栅化则以互动性为优先考虑。对任何 CG 从业人员来说，一定会想问这个问题:是否有办法同时拥有两种优势：光线追踪的质量与实时渲染的速度和互动性? 答案是肯定的。

为了理解逼真的实时渲染是如何运作的，我们需要深入了解物理精确渲染器计算 3D 场景的两个阶段：光线投射(ray casting)和着色(shading)。

什么是光线投射？

顾名思义，光线投射是光线与场景中所有物体相交的过程。在大型场景中，可能有数百万个几何体和数十亿个多边形。这种复杂的操作必须用特定的算法来处理，以减少计算时间。

着色的运作原理？

着色通过物体对光线的反应以决定物体的外观。着色过程还定义了阴影、反射、全局照明…等信息。在大场景中，着色网络是非常重要的。如果着色网络很复杂，那么就会相当耗费计算时间。

寻找速度与质量的平衡

几何体的数量和材质的复杂性可改变光线投射和着色之间的平衡。例如，在将单一的简单材质应用于数百万多边形的场景中，光线投射过程占渲染时间的90%。相反，在有许多复杂材质但几何体较少的场景中，光线投射可能只占评估时间的20%，但着色过程将占大部分时间。

以上两阶段都仰赖强大而高效的硬件和软件。幸运的是，由于行业不断演进，我们正处于一场技术革命之中：电脑游戏。

游戏引擎

电玩游戏引擎提供了以光栅化技术的实时体验计算机图形的能力，并通过图形处理单位（GPU）的硬件发展而加速。在热门的游戏机和电竞 PC 中，其配备的芯片可为超宽屏显示器和 VR 头盔上，以 4K 和 8K 分辨率的高端图形提供动力。

我们可利用这种计算能力，使用能够实时渲染最复杂项目的GPU，例如 NVIDIA 的 RTX 系列产品，具有专用的光线追踪（RT）核心，可加速光线投射和着色的过程。

英伟达 OptiX

光线追踪是复杂的算法，需要专业的程序设计来利用RT核心的优势。V-Ray 使用 NVIDIA OptiX，这个功能在渲染引擎中已经很常见。

NVIDIA OptiX 为光迹追踪过程提供了许多优势。NVIDIA OptiX 允许我们扩充多个 GPU 以提高计算能力，通过 NVLink 技术迭加 GPU 内存，因此可处理庞大的场景。此外，最重要的功能是人工智能加速的降噪器，可消除渲染过程中产生的影像噪声，减少渲染迭代的次数。

由于这些惊人的硬件，我们可体验到非常逼真的实时画面。而且，通过正确的实时渲染软件，如 Chaos Vantage，建筑师、设计师和艺术家可无缝、直观地探索他们的3D项目。

在下一篇文章中，我们将介绍 Chaos 软件是如何利用实时渲染硬件的。如果您等不及了，欢迎马上下载并使用 Chaos Vantage。