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第1章 导言 1

1.1 关于真实感图像合成 1

1.1.1 真实感图像合成的重要性 2

1.1.2 照片级真实感渲染的历史 3

1.1.3 全局照明算法框架 8

1.2 本书的结构 9

1.3 如何使用本书 10

第2章 光传输物理学 12

2.1 光学发展简史 12

2.2 光的模型 15

2.2.1 量子光学 15

2.2.2 波模型 15

2.2.3 几何光学 15

2.3 辐射测量 16

2.3.1 辐射量 16

2.3.2 辐射测量项之间的关系 19

2.3.3 辐射亮度的属性 20

2.3.4 示例 22

2.4 发光 26

2.5 光与表面的相互作用 26

2.5.1 双向反射分布函数 26

2.5.2 双向反射分布函数的属性 27

2.5.3 双向反射分布函数示例 29

2.5.4 着色模型 32

2.6 渲染方程 35

2.6.1 半球形公式 35

2.6.2 区域公式 36

2.6.3 直接和间接照明公式 37

2.7 重要性方程 38

2.8 测量方程 38

2.9 小结 38

2.10 练习 39

第3章 蒙特卡罗方法 40

3.1 简史 40

3.2 简单而好用的蒙特卡罗技术 41

3.3 概率论的回顾 41

3.3.1 离散随机变量 42

3.3.2 连续随机变量 44

3.3.3 条件概率和边际概率 46

3.4 蒙特卡罗积分 47

3.4.1 随机变量的加权和 47

3.4.2 估计量 49

3.4.3 偏差 51

3.4.4 精确度 51

3.4.5 估计方差 52

3.4.6 确定性求积法与蒙特卡罗 52

3.4.7 多维蒙特卡罗积分 53

3.4.8 蒙特卡罗方法小结 54

3.5 对随机变量进行采样 54

3.5.1 逆累积分布函数 55

3.5.2 拒绝采样 57

3.5.3 查找表 58

3.6 减小方差 58

3.6.1 重要性采样 59

3.6.2 分层采样 60

3.6.3 N-Rooks或拉丁超立方算法 62

3.6.4 将分层采样和重要性采样结合在一起 63

3.6.5 将不同分布的估计量结合在一起 64

3.6.6 控制变量 65

3.6.7 准蒙特卡罗 66

3.7 小结 68

3.8 练习 68

第4章 计算光传输的策略 70

4.1 渲染方程的公式 70

4.1.1 出射辐射亮度＋在半球上积分 72

4.1.2 出射辐射亮度＋在表面上积分 72

4.1.3 入射辐射亮度＋在半球上积分 73

4.1.4 入射辐射亮度＋在表面上积分 74

4.1.5 辐射通量 74

4.2 重要性函数 76

4.2.1 定义 76

4.2.2 入射和出射的重要性 77

4.2.3 通量 78

4.3 伴随方程 78

4.3.1 线性传输算子 79

4.3.2 函数的内积 79

4.3.3 伴随算子 80

4.4 全局反射分布函数 81

4.4.1 说明 81

4.4.2 全局反射分布函数的属性 82

4.4.3 全局反射分布函数的重要性 83

4.5 全局照明算法的分类 83

4.5.1 入射和出射表现形式 84

4.5.2 系列扩展 85

4.5.3 物理解释 86

4.5.4 分类 90

4.6 路径公式 90

4.7 小结 91

4.8 练习 92

第5章 随机路径追踪算法 93

5.1 路径追踪算法简史 93

5.2 光线追踪设置 94

5.3 简单随机光线追踪 96

5.3.1 真正的随机路径 96

5.3.2 俄罗斯轮盘赌技术 97

5.4 直接照明 100

5.4.1 直接照明和间接照明 100

5.4.2 单光源照明 101

5.4.3 多光源照明 104

5.4.4 阴影射线采样的替代方案 107

5.4.5 进一步优化 108

5.5 环境地图照明 109

5.5.1 捕获环境地图 110

5.5.2 参数化技术 112

5.5.3 环境地图采样 112

5.6 间接照明 115

5.6.1 间接照明的均匀采样 116

5.6.2 间接照明的重要性采样 116

5.6.3 区域采样 120

5.6.4 综合应用 121

5.6.5 经典光线追踪算法 123

5.7 光追踪 123

5.7.1 光追踪算法 124

5.7.2 光追踪与光线追踪 126

5.7.3 相关技术和优化 127

5.8 小结 127

5.9 练习 128

第6章 随机辐射度算法 129

6.1 经典辐射度方法 130

6.1.1 简介 130

6.1.2 数学问题描述 131

6.1.3 经典辐射度方法 134

6.1.4 问题 134

6.2 形状因子 136

6.2.1 形状因子的属性 136

6.2.2 形状因子的解释 137

6.2.3 使用局部光线的形状因子采样 138

6.2.4 使用全局光线的形状因子采样 139

6.3 随机松弛辐射度 140

6.3.1 用于辐射度的雅克比迭代法 141

6.3.2 随机雅克比辐射度 143

6.3.3 讨论 147

6.4 用于辐射度的离散随机游走方法 149

6.4.1 离散状态空间中的随机游走 150

6.4.2 用于辐射度的发射随机游走方法 151

6.4.3 伴随系统、重要性或潜力，以及辐射度的收集随机游走方法 153

6.4.4 讨论 155

6.5 光子密度估计方法 158

6.5.1 光子传输模拟和辐射度 159

6.5.2 直方图方法 162

6.5.3 正交序列估计 163

6.5.4 内核方法 166

6.5.5 最近邻方法 168

6.5.6 即时辐射度 169

6.5.7 讨论 169

6.5.8 密度估计算法的随机迭代变量 172

6.6 方差减少和低差异采样 173

6.6.1 视图重要性驱动的发射 174

6.6.2 控制变量 176

6.6.3 自由收集 178

6.6.4 加权重要性采样 180

6.6.5 低差异采样 181

6.7 分层细化和聚类 182

6.8 练习 184

第7章 混合算法 188

7.1 最终收集 188

7.1.1 简单的半球采样 189

7.1.2 重要性采样 189

7.1.3 结果 191

7.2 多通道方法 191

7.2.1 正则表达式 192

7.2.2 多通道算法的构造 192

7.2.3 加权多通道算法 193

7.3 双向追踪 194

7.4 米特罗波利斯光传输 198

7.5 辐照度缓存 201

7.6 光子映射 202

7.7 即时辐射度 206

7.8 灯光切片和多维灯光切片算法 208

7.8.1 灯光切片算法 208

7.8.2 多维灯光切片 210

7.9 练习 214

第8章 对极致真实感和渲染速度的追求 218

8.1 超越渲染方程 219

8.1.1 参与介质 219

8.1.2 体积发射 220

8.1.3 吸收 221

8.1.4 出射散射、消光系数和反照率 222

8.1.5 入射散射、场和体积辐射亮度以及相位函数 222

8.1.6 参与介质存在下的渲染方程 225

8.1.7 参与介质的全局照明算法 226

8.1.8 追踪参与介质中的光子轨迹 228

8.1.9 体积光子密度估计 230

8.1.10 将光传输视为漫射过程 230

8.1.11 次表面散射 232

8.1.12 偏振、干涉、衍射、荧光、磷光和非恒定介质 235

8.2 图像显示和人类感知 238

8.2.1 色调映射 241

8.2.2 基于感知的渲染加速技术 243

8.3 快速全局照明 247

8.3.1 稀疏采样：利用一致性 247

8.3.2 动态场景 251

8.3.3 快速光线追踪 252

8.3.4 图形硬件和预先计算的辐射亮度传输 252

8.3.5 环境遮挡 253

8.3.6 预先计算的辐射亮度传输 254

第9章 结论 259

9.1 照片级真实感渲染的成就 259

9.2 照片级真实感渲染中尚未解决的问题 259

9.3 结束语 261

附录A全局照明的类库 263

A.1 路径节点类 264

A.1.1 概述 264

A.1.2 公共接口：PathNode基类 265

A.1.3 像素过滤和采样：EyeNode类 266

A.1.4 发光：EmissionNode类 266

A.1.5 光和潜在散射：ScatteringNode类 267

A.2 光源采样类 268

A.2.1 表面发射采样：SurfaceEmissionSampler和WeightedSu-rfaceEmi-ssion-Sampler类 268

A.2.2 背景发射采样：BackgroundEmissionSampler类 269

A.2.3 EmissionSampler包装类 269

A.3 支持类 270

A.3.1 针孔相机虚拟屏幕抽象：ScreenBuffer类 270

A.3.2 将高动态范围转换为低动态范围颜色值：ToneMapper类 270

A.3.3 集成到应用程序中：Browser类和Tracer类 271

A.4 示例代码片段 272

A.4.1 光追踪程序 272

A.4.2 路径追踪程序 273

A.4.3 多重重要性光源采样 276

A.4.4 双向路径追踪程序 279

附录B半球坐标 295

B.1 半球坐标 295

B.2 立体角 296

B.3 在半球上的积分 298

B.4 半球区域转换 299

附录C随机松弛辐射度算法的理论分析 300

参考文献 303