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神经渲染及其硬件加速综述

计算机研究与发展 2024年

作者：严忻恺霍宇驰鲍虎军之江实验室江苏省专用集成电路设计重点实验室(无锡) 计算机辅助设计与图形学国家重点实验室(浙江大学)

神经渲染是一种基于深度学习的新兴图像和视频生成方法，它将深度学习模型和计算机图形学的物理模型相结合，从而获得可控和逼真的场景表示和渲染，实现对诸如光照、相机参数、姿态等场景属性的控制.一方面，神经渲染既可以充分利用深... 详细信息

神经渲染是一种基于深度学习的新兴图像和视频生成方法，它将深度学习模型和计算机图形学的物理模型相结合，从而获得可控和逼真的场景表示和渲染，实现对诸如光照、相机参数、姿态等场景属性的控制.一方面，神经渲染既可以充分利用深度学习的优势，实现传统前向渲染流程的加速，也可以为影像的逆向渲染和3维场景重建等特定任务提供新的解决方案；另一方面设计适应神经渲染流水线的创新硬件结构，突破现有图形处理器的并行计算和功耗瓶颈，有望为虚拟现实和增强现实、影视创作和数字娱乐、人工智能和元宇宙等未来重点领域提供重要支撑.综述了神经渲染的技术内涵、主要挑战和研究进展，在此基础上分析了神经渲染流水线对硬件加速支持的共性需求和当前主流神经渲染硬件加速结构的特点，进而讨论了神经渲染处理器架构的设计挑战，最后展望了其未来的发展趋势.

关键词：神经渲染硬件加速神经渲染处理器多层感知机光线步进哈希表

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一种体素步进的反射阴影贴图可见性判断算法

微电子学与计算机 2024年

作者：程康鹏于复兴索依娜史彩娟河北省工业智能感知重点实验室华北理工大学人工智能学院

针对全局光照中反射阴影贴图算法无法判断着色点与次级光源之间可见性的问题，提出了在体素间光线步进实现可见性判断的算法。通过最小轴对齐包围盒（Axis-aligned Bounding Box，AABB）将模型体素化并记录AABB中体素与非体素信息，借... 详细信息

针对全局光照中反射阴影贴图算法无法判断着色点与次级光源之间可见性的问题，提出了在体素间光线步进实现可见性判断的算法。通过最小轴对齐包围盒（Axis-aligned Bounding Box，AABB）将模型体素化并记录AABB中体素与非体素信息，借助体素信息生成AABB内的距离场。首先通过次级光源与着色点连成的射线与AABB求交来进行初步可见性判断，若射线与AABB相交则在AABB内利用各体素储存的距离场信息进行自适应光线步进。经实验证明，该算法有效解决了反射阴影贴图计算次级光源贡献时无法判断可见性的问题。

关键词：实时渲染全局光照反射阴影贴图光线步进体素化距离场

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实时大气与体积云渲染技术的应用研究

实时大气与体积云渲染技术的应用研究

作者：袁冠星江西理工大学

学位级别：硕士

在计算机图形学领域中,自然现象的模拟一直以来都是热点研究课题。大气和云是地球自然现象的重要组成部分,在涉及场景渲染方面,大气和云的渲染表现在整体视觉效果起到了十分重要的作用。在传统绘制天空时,对于大气和云的部分,通常使用... 详细信息

在计算机图形学领域中,自然现象的模拟一直以来都是热点研究课题。大气和云是地球自然现象的重要组成部分,在涉及场景渲染方面,大气和云的渲染表现在整体视觉效果起到了十分重要的作用。在传统绘制天空时,对于大气和云的部分,通常使用静态绘制的方法,即使用纹理映射的技术对大气和云进行渲染。虽然静态绘制的方法,可以快速的渲染出大气和云,但这种方法在具体表现和真实感上较为欠缺。为了能在实时条件下,渲染出较为真实大气和云,需要对大气层和云进行模拟光照的实现,以提升其真实感。首先,在大气渲染方面,针对传统的大气渲染真实感不足的问题,本文提出了一种基于物理的大气渲染优化方法,该方法是把瑞利散射和米氏散射列入考虑的情况下,计算光线在大气中经过散射和吸收后进入视点的能量,并使用预计算查找表的实时渲染大气的优化算法。该方法能在不影响渲染效果的情况下,针对多重散射进行简化,简化后的多重散射不用再使用高维的光学深度查表,提升了实时渲染的效率。该方法还可将已实现的体积云效果相结合,实现动态的天空渲染效果,满足实时渲染效率的同时提升其真实感。其次,在体积云渲染方面,针对当前体积云模拟真实性与实时性不足的问题,提出了一种多噪声渲染优化模拟的方法。在云的建模方面,使用Perlin与Worley噪声建模增加云的多样性,再加入Curl噪声实现云的不规则性。在体积云的光照方面对两个HenyeyGreenstein相位函数进行线性插值的方法,使Henyey-Greenstein相位函数能更好的模拟米氏散射的前向和后向散射,并提高了光照的真实性,最后使用改进的光线步进的方法进行渲染提升渲染效率。通过对实验结果的分析,该方法可以实时渲染体积云并能模拟出体积云的多样性。最后,在具体实现方面,为了能够快速的实现大气散射和可视化体积云的建模,需要使用虚幻5引擎和高阶着色语言设计并实现大气散射和体积云的实时模拟。可对实现的大气和体积云做实时参数调整,以达到不同的渲染效果。

关键词：实时渲染大气散射体积云光线步进

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大世界场景的体积云实时模拟研究

大世界场景的体积云实时模拟研究

作者：陈韩杭州电子科技大学

学位级别：硕士

云层的实时模拟是构建真实的虚拟自然环境的重要组成部分,然而随着计算机技术的发展,传统的二维云模拟已难以满足人们对于虚拟环境的真实性要求。由于体积云具有三维特征,相较于二维云能够更为准确地描述云层的光学效果,从而显著地提升... 详细信息

云层的实时模拟是构建真实的虚拟自然环境的重要组成部分,然而随着计算机技术的发展,传统的二维云模拟已难以满足人们对于虚拟环境的真实性要求。由于体积云具有三维特征,相较于二维云能够更为准确地描述云层的光学效果,从而显著地提升云层的真实性,因此实时体积云模拟技术在科研领域得到发展,并广泛应用于大型三维游戏和虚拟现实领域。目前,传统体积云模拟研究主要关注小规模云层,对于大世界场景的大规模体积云模拟的真实性和实时性仍需进一步提高。因此,本文通过对现有研究进行分析,提出一种大世界场景的体积云实时模拟方法。具体工作如下:(1)云的建模。为了解决单一噪声建模的云层真实感缺乏问题,本文提出了一种结合云图的多噪声动态体积云建模方法。该方法首先基于Simplex噪声和Worley噪声生成分形噪声,并通过重映射函数得到Simplex-Worley噪声以构建云层基础形状。其次使用线性FBM算法叠加不同倍频的Worley噪声以增强云层边缘细节。为了得到自然的云层分布和高度特征,本文引入云图纹理和高度-密度函数共同进行云建模。此外,基于云图纹理使用风场函数以提升体积云的动态性。该方法建模的云具有更多细节和更为自然的云层分布,能够对不同类型的云进行建模并且云层能随时间动态变化。(2)云的光照计算和渲染。在光照计算方面,为了解决现有方法对云中多重散射计算精度不足的问题,首先,本文提出了一种基于物理的多重散射计算方法,该方法通过假设云中介质特性以推导出各阶散射之间的能量转移关系,从而得到无穷阶散射的辐照度之和。其次,提出了一种基于多重散射现象建模的相位函数,通过叠加不同倍频的相位函数以模拟多重散射导致的散射概率。这两者结合能够更为精确地计算云中的多重散射。在渲染方面,构建大世界云层空间以控制云层生成范围,并使用可变步长的光线步进算法实现体积云的渲染,此外,结合分帧渲染算法提高渲染效率。最终,本文方法能以较高性能得到高质量的云层光照效果,并能呈现丰富的云层细节。

关键词：体积云实时渲染噪声光线步进

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基于粒子的实时流体模拟和渲染

基于粒子的实时流体模拟和渲染

作者：宋吉虎吉林大学

学位级别：硕士

计算机流体模拟和渲染被广泛应用于影视特效、物理仿真、游戏制作等各个领域,且以离线计算为主。但随着图形卡对并行计算的支持提升,离线的流体模拟和渲染方法经过优化改进,虽然精度上具有小范围误差,效率上却能够满足实时计算的要求,... 详细信息

计算机流体模拟和渲染被广泛应用于影视特效、物理仿真、游戏制作等各个领域,且以离线计算为主。但随着图形卡对并行计算的支持提升,离线的流体模拟和渲染方法经过优化改进,虽然精度上具有小范围误差,效率上却能够满足实时计算的要求,可用于小规模的流体模拟和渲染。因此目前主要的问题是如何在实时效率下提升流体模拟和渲染的真实感。针对现有模拟和渲染算法中的通用性和真实感问题,本文提出了一种基于粒子的实时流体模拟和渲染算法。本文模型包括三部分:统一模拟框架模块、有向距离场模块和流体渲染模块。统一模拟框架模块中,本文基于粒子模拟流体运动,引入粘滞力计算,使用混合欧拉-拉格朗日方法求解得到粒子加速度,更新粒子的位置,使框架能够模拟各种粘度的液体。有向距离场模块中,基于粒子的位置属性建立有向距离场,用于模拟流体在空间中的分布,本文提出一种基于时间的反走样算法,用于模糊距离场信息,使低精度的模拟数据适用于流体表面重建。流体渲染模块中,本文提出了一种双向光线步进算法,对模糊后的有向距离场,使用两趟光线步进重建流体表面的深度、法线等信息,最后基于延迟渲染管线渲染流体。实验结果从模拟和渲染两方面,将本文模型与现有方法进行比较。其中模拟方面,本文模型在真实感和计算时间上进行对比。渲染方面本文对比了不同的模糊方法和表面重建方法。结果表明本文模型能够在实时计算的前提下,提升模拟和渲染的真实感。

关键词：实时流体模拟混合欧拉-拉格朗日方法有向距离场光线步进流体表面重建

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舞台灯光仿真系统研究

舞台灯光仿真系统研究

作者：高含中国传媒大学

学位级别：硕士

舞台灯光作为舞台艺术的重要组成部分,一直是理论研究与技术革新的重要研究领域。由于舞台灯具需求数量多、部署繁琐、变换复杂,国际上出现了一些舞台灯光仿真软件。这些软件普遍操作复杂,上手难度较大,而国内的研究及开发工作相对较弱... 详细信息

舞台灯光作为舞台艺术的重要组成部分,一直是理论研究与技术革新的重要研究领域。由于舞台灯具需求数量多、部署繁琐、变换复杂,国际上出现了一些舞台灯光仿真软件。这些软件普遍操作复杂,上手难度较大,而国内的研究及开发工作相对较弱,因此,本文设计并实现一个较为完备的舞台灯光仿真系统,旨在舞台灯光仿真软件国产化道路上做初步探索。针对目前舞台灯光设计软件存在的模型展示不够直观、功能复杂以及灯光仿真效果不真实等问题,本文设计并实现了一个舞台灯光仿真系统。首先针对系统的关键技术进行研究,采用舞台灯具参数化技术,实现真实灯具仿真,建立用户自定义灯库;针对不同灯具的特点采用相应的仿真方法进行模拟,提出了结合灯具参数的体积光仿真算法;采用灯光控制仿真技术实现对灯具的实时控制。本文在系统功能需求和技术需求分析基础上,完成系统整体架构设计,结合C#语言和Unity3D软件构建并实现了整个系统。本文实现的舞台灯光仿真系统在浙江横店影视城汴梁一梦剧场进行现场仿真实验,对系统功能与性能进行测试。实验结果表明,本文系统能够创建满足舞台演出需要的灯库,快速、直观地布置灯具,灯光仿真效果与现场灯效具有较好的一致性。

关键词：舞台灯光灯光仿真灯具参数化建模光线步进灯光控台

三维视景系统中的大气现象模拟技术研究与实现

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三维视景系统中的大气现象模拟技术研究与实现

作者：林晓颖四川大学

学位级别：硕士

近年来,随着三维视景系统被广泛应用于模拟驾驶、军事演练、交互式娱乐仿真系统等领域,其对真实感渲染的要求也越来越高。在户外场景中,人们可以通过对大气现象的观察感知时间、季节、温度等环境信息的变化,因此大气现象模拟效果的准确... 详细信息

近年来,随着三维视景系统被广泛应用于模拟驾驶、军事演练、交互式娱乐仿真系统等领域,其对真实感渲染的要求也越来越高。在户外场景中,人们可以通过对大气现象的观察感知时间、季节、温度等环境信息的变化,因此大气现象模拟效果的准确性对于提高视景系统的真实性至关重要。在视点漫游范围较小的仿真系统中,大气现象的模拟常常采用天空盒这类静态纹理映射的方法来实现,但这些方法无法模拟出大气的动态变化,如日出、日落和云层移动等。为了满足三维视景系统对真实性和沉浸感的需求,本文对大气现象中大气和云层的实时渲染方法做了以下研究:针对现有大气渲染算法真实度不足且预计算查找表复杂度较高的问题,本文提出了一种基于大气散射物理模型的实时渲染优化算法。首先对光线在介质中传播时的四种能量变化过程进行分析,构建大气散射的体渲染方程,通过求解体渲染方程获得逼真的大气渲染效果。为了提高渲染速度,本文采用预计算方法将大气的透射率和内散射值存储到查找表中,针对查找表精度不足而导致的地平线附近出现伪影的问题,提出一种非线性映射方法将视点和大气参数离散化并映射到纹理坐标上,从而提高地平线附近对应的数据存储精度,继而有效消除了地平线附近的伪影。同时,为了解决基于迭代的多重散射预计算方法复杂度较高的问题,提出多重散射查找表的降维方法,将该查找表的维度从三维压缩到二维,忽略视线方向对多重散射的影响,该方法能够有效地降低多重散射的计算复杂度。在实时渲染阶段,通过从查找表中采样并插值得到当前场景中每个像素对应的透射率和内散射值,从而计算该像素的颜色以生成真实的大气效果。通过实验验证了本文提出的预计算查找表构造方法能有效提高地平线附近透射率和内散射的存储精度,进而解决了由查找表精度不足而导致的伪影问题,并通过降维方法简化了多重散射查找表的计算,将查找表的存储占用降低了约19%,最后在实时渲染阶段实现了单帧渲染时间仅需0.73ms的高逼真度大气效果。针对现有云层渲染算法在穿云视角下出现的云层走样问题,本文提出了一套面向视景系统的基于天气贴图和三维噪声建模的体积云实时渲染优化算法。在体积云建模阶段,采用天气贴图控制云层的分布和密度,利用预计算的三维噪声增加云层的细节,构建了细节丰富的体积云密度场。针对现有动态体积云渲染算法对云层湍流效果模拟的真实度不高、可控性不强的问题,采用域扭曲算法来模拟云层中复杂的流体运动。同时为了提高渲染速率,使用可变步长的光线步进法来加速渲染。为了提高体积云光照效果的真实性,本文采用Beer’s-Powder定律模拟光线在云层中的衰减作用,并使用二项Henyey-Greenstein(TTHG)相位函数计算体积云中光线的散射分布。此外,本文还提出基于结构化采样的光线步进法,有效解决穿云视角下的云层抖动问题。实验证明,本文提出的体积云渲染优化算法能够模拟出真实度较高且渲染成本较小的动态云层,平均渲染帧率超过200FPS,使用TTHG相位函数模拟体积云的散射效果能够提高光照模型求解的准确性,同时,实验结果证明基于结构化采样的光线步进法能有效提高穿云时相邻帧之间的连续性,继而解决穿云时的抖动问题,有利于提升三维视景系统的沉浸感。通过以上研究,本文对大气和云层的实时模拟都提出了相应的渲染方案,并在三维视景系统中进行整合,通过实验验证了以上大气现象模拟方案能够实时渲染出真实度较高的动态大气效果,且能满足不同天气、不同场景漫游时的渲染需求。

关键词：大气散射实时渲染体积云光线步进结构化采样

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基于气象数据的体积云模拟研究

基于气象数据的体积云模拟研究

作者：卢春海军事科学院

学位级别：硕士

智能无人机集群技术是智能化战争的重要支撑技术,精细化逼真的作战环境仿真是支持其算法训练和技术突破的重要手段。大气中的云对包括可见光具有吸收和散射作用,直接影响无人机感知能力,因而成为仿真中的重要考虑因素。随着虚拟现实等... 详细信息

智能无人机集群技术是智能化战争的重要支撑技术,精细化逼真的作战环境仿真是支持其算法训练和技术突破的重要手段。大气中的云对包括可见光具有吸收和散射作用,直接影响无人机感知能力,因而成为仿真中的重要考虑因素。随着虚拟现实等技术进步,云的真实感建模和实时渲染技术已相对成熟。但作战环境仿真强调云模拟的实际意义,要求与真实时空背景相吻合,同时支持环境的动态变化以及无人机穿过云层时可见光传感受影响的需求,为此需要引入实际的气象数据,实现体积云的动态模拟。本文围绕基于气象数据的体积云实时、动态模拟这一问题展开研究,研究内容涵盖了气象数据与多种噪声结合的建模方法、体积云光照和阴影的高效渲染、不同时刻云的运动过渡等方面的问题,有针对性的提出了一些新思路新方法。本文工作和创新点主要体现在以下三个方面:针对气象数据在空间上的稀疏性提出了基于气象数据与多噪声融合的体积云建模方法。引入了基于相对湿度的云量分析计算,将气象预报系统的数据产品转换为云图纹理,构建出云的基础形状;实现了基于云量信息和重映射函数的多噪声云形状细节增强模型,结合Perlin噪声和Worley噪声构建云密度场,该模型既能符合云图纹理定义的基础形状,又具有丰富逼真的细节形态。提出的云建模方法兼顾了云模拟的实际时空意义、逼真效果和实时性能。针对体积云渲染效率低的问题提出了一种引入气象数据的体积云渲染优化方法。在光照模型构建方面,为了兼顾视觉效果和渲染效率,光源仅考虑太阳光和天空光,简化了光线与云粒子的反应,仅保留光的衰减和散射效果;在此基础上,采用改进光线步进算法绘制云,给出了基于云密度的可变步长和终止条件优化策略,有效加速绘制;在云层地面阴影渲染方面,设计了基于气象数据计算阴影颜色的阴影图算法,解决了传统阴影图算法颜色失真与光线步进方法过于耗时的问题,满足视觉可靠性的同时加快了绘制速度。最终云渲染时间由15ms优化至2ms以内,场景渲染帧率在60fps以上。针对气象数据在时间上的稀疏性提出了基于驱动力和边界吸附力的目标形状控制云运动模拟方法。针对气象预报数据在时间维度上的稀疏性,由两相邻时刻的气象数据计算得到云的初始形状和目标形状;采用基于流体运动方程的目标形状控制方法,其中驱动力用来驱使初始云密度变化为目标形状,边界吸附力用来将云密度限制在指定的目标区域内,从而模拟出相邻时刻间云的变化过程,为云运动模拟提供了基础方法。本文对基于气象数据的体积云模拟进行了方法和技术探索,能够将气象数据以体积云的形式引入精细化逼真的战场环境仿真,为相关作战仿真提供精细化环境因素,研究成果为基于气象数据的体积云模拟工程应用具有重要参考意义和实用价值。

关键词：气象数据体积云多噪声光线步进阴影渲染运动控制

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基于流动图与时间上升频的实时云层移动研究

计算机技术与发展 2023年第8期33卷 37-42页

作者：陈烨李顺新武汉科技大学计算机科学与技术学院湖北武汉430065 湖北智能信息处理与实时工业系统重点实验室湖北武汉430065 武汉科技大学大数据科学与工程研究院湖北武汉430065

现有基于光线步进的云层渲染方法能够较好地得到云层形状,但渲染效率不高且在云层移动时边缘会缺失云层移动形变细节且出现不连续的情况。针对上述问题,提出了一种基于流动图的云层移动渲染算法,算法的核心思想是利用流动图控制云层在... 详细信息

现有基于光线步进的云层渲染方法能够较好地得到云层形状,但渲染效率不高且在云层移动时边缘会缺失云层移动形变细节且出现不连续的情况。针对上述问题,提出了一种基于流动图的云层移动渲染算法,算法的核心思想是利用流动图控制云层在移动时竖直方向上的偏移,使云层随风连续形变的同时增加一定前向扭曲效果。其次,为保证渲染的实时性,利用交叉矩阵来降低单帧渲染像素的数量,提高渲染速度。最后,提出使用时间上升频来增强减少渲染像素后的渲染结果。相较于未使用流动图的云层移动算法,所提算法能够在性能增加不超过10%的情况下表现出云层移动时的整体形变以及向风向连续翻滚的效果。

关键词：实时渲染云层移动光线步进流动图时间上升频