01 Introduction

简介

1. 核心概念：什么是实时渲染？

实时渲染的本质是速度与交互。它不仅仅是快速地画出一张图，而是要在一个极短的时间内完成“渲染-反馈”的闭环，让用户感觉自己是在与一个动态的虚拟世界进行实时互动。

• 核心定义: 实时渲染是一个交互式过程，它以极高的速率，通常指每秒30次以上，将三维场景的数据转化为二维图像。

• 关键要素:

  1. 交互性 (Interactivity): 用户的输入能够几乎瞬时地影响下一帧画面的生成。这是实时渲染与离线渲染（如电影特效）最根本的区别。
  2. 三维场景 (3D Scenes): 渲染的对象是虚拟的三维空间中的模型、光照等元素。
  3. 图形加速硬件 (Graphics Acceleration Hardware): 现代实时渲染严重依赖于图形处理器 (GPU) 的强大并行计算能力，它是一切高性能表现的基础。

• 关键术语:

  • 帧率 (Frames Per Second, FPS): 衡量渲染速度的核心指标，指渲染器每秒能生成多少张新图像。游戏通常追求 30 FPS 或 60 FPS 以上，VR等对延迟敏感的应用则需要 90 FPS 或更高。
  • 刷新率 (Refresh Rate, Hz): 显示设备每秒刷新屏幕画面的次数。它与帧率是两个独立概念。高刷新率可以减少画面的闪烁感。
  • 延迟 (Latency): 从用户输入到屏幕上显示出相应画面的总时间。低延迟是实现流畅交互感的关键，通常认为大于15毫秒的延迟会开始影响体验。

2. 本书内容速览 (Roadmap)

这本书系统性地覆盖了实时渲染的方方面面，从底层硬件到顶层应用，可以看作一个完整的知识体系地图。

• 基础核心 (Ch 2-6):

  • Ch2: 图形渲染管线: 学习将3D数据一步步变成2D像素的经典流程。
  • Ch3: GPU: 了解现代GPU是如何通过可编程和固定硬件单元实现渲染管线的。
  • Ch4: 变换: 掌握控制物体与相机位置、姿态和投影的核心数学工具。
  • Ch5: 着色基础: 学习光、材质、抗锯齿、透明度等基本视觉表现概念。
  • Ch6: 纹理: 了解如何将2D图像贴到3D模型表面，这是提升真实感和细节的最强大技术之一。

• 视觉效果与真实感 (Ch 7-15):

  • Ch7: 阴影: 学习各种实时阴影生成算法。
  • Ch8-9: 光、颜色与基于物理的着色(PBR): 深入理解光照的物理原理，并学习如何构建模拟真实世界光照反应的PBR模型。
  • Ch10-11: 局部光照与全局光照(GI): 从简单的直接光照扩展到模拟光线在场景中多次反弹的复杂效果。
  • Ch12: 图像空间特效: 学习在渲染完成后对最终图像进行处理，以实现动态模糊、景深等效果。
  • Ch13-15: 高级渲染主题: 探索超越传统多边形的渲染技术（如体素、点云），以及卡通渲染等非真实感风格。

• 性能优化与数据处理 (Ch 16-20):

  • Ch16-17: 几何处理: 学习如何表示、压缩和处理多边形、曲线和曲面数据。
  • Ch18-20: 管线优化: 深入探讨如何定位性能瓶颈，并使用剔除、LOD、多线程以及高效着色等技术来提升渲染速度。

• 应用与底层 (Ch 21-24):

  • Ch21: VR/AR: 了解虚拟现实与增强现实领域的特殊渲染挑战和技术。
  • Ch22-23: 相交测试与图形硬件: 深入研究碰撞检测等算法，并进一步了解GPU的硬件架构。
  • Ch24: 未来展望: 探讨实时渲染技术的发展趋势。

3. 核心符号与定义

掌握这些基础约定是阅读后续章节、理解公式和算法的前提。

3.1 数学符号

• 基本原则:

  • 标量 (scalar): 小写斜体，如 $a,t$。
  • 向量 (vector) / 点 (point): 小写粗体，如 $\mathbf{v},\mathbf{p}$。通常写为列向量： $\mathbf{v}=\left(\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\end{array}\right)$
  • 矩阵 (matrix): 大写粗体，如 $\mathbf{M},\mathbf{T}$。
  • 平面 (plane): 使用公式定义，如 $\pi :\mathbf{n}\cdot \mathbf{x}+d=0$。

• 重要运算符与函数:

  • 点乘 (Dot Product): $\mathbf{a}\cdot \mathbf{b}$
  • 叉乘 (Cross Product): $\mathbf{a}\times \mathbf{b}$
  • 范数 (Norm) / 长度: $||\mathbf{v}||$
  • Clamp to Zero (限制到0): 一个在着色中非常常见的操作，将负数截断为0。 $x^{+}=\max (x,0)$
  • Saturate (限制在0-1之间): 同样是着色中的常用操作，将数值限制在 $[0,1]$ 区间内。 $x^{\mp }=\max (0,\min (x,1))$
  • atan2(y, x): 双参数的反正切函数，比常规 atan(y/x) 更健壮，能处理 $x=0$ 的情况并返回 $[-\pi ,\pi ]$ 范围内的正确角度。
  • log(n): 在本书中，特指自然对数 ${\log }_e(n)$。

3.2 几何定义

• 图元 (Primitive): GPU能够直接绘制的基本形状。现代硬件几乎只支持点、线、三角形。
• 模型 (Model) / 物体 (Object): 由一系列图元或其他几何体构成的集合，是场景中的独立单元（如一辆车、一棵树）。
• 场景 (Scene): 待渲染的整个环境，包含所有模型、材质、光照和相机信息。

3.3 “着色 (Shading)” 的双重含义

这是一个新手非常容易混淆的概念，务必厘清：

1. 指代视觉外观 (Appearance): 描述物体表面最终呈现出的样子。例如：着色模型 (shading model)、卡通着色 (toon shading)。
2. 指代可编程单元 (Programmability): 指在GPU上运行的、用于计算最终颜色的程序。例如：顶点着色器 (vertex shader)、像素着色器 (pixel/fragment shader)。

4. 拓展学习资源

• 官方网站: realtimerendering.com
  • 这是本书最重要的配套资源，没有之一。它包含了书中内容的更新、勘误、补充章节（如实时光线追踪）、以及大量外部链接。由于技术发展迅速，网站是获取最新信息的最佳渠道。