用于实时闪烁外观渲染的基于微小示例的程序模型
A Tiny Example Based Procedural Model for Real-Time Glinty Appearance Rendering
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摘要:研究背景 在尖锐光源的照射下,材料表面的微观结构会呈现出真实世界中的闪烁效果。传统上,基于物理的微表面模型依赖于统计分布来描述具有复杂空间变化的微观几何形状,但最终导致平滑的高光,同时失去了高频反射的效果。高度逼真的渲染方法考虑到了微观结构的反射特性,并用它来增强计算机生成图像(CGI)的视觉真实感。一些方法使用超高分辨率的法线贴图来描述微观结构,并结合预计算位置-法线分布的方法在离线渲染中取得了惊人的视觉效果,但是随之带来的计算负担和存储负担使得该方法在实时渲染中仍然面临着巨大挑战。目的 合理且高效的微观结构表示是微观结构渲染的关键因素。现有的实时闪烁效果渲染方法通常基于合适的示例来缩小法线分布函数的存储,并采用MIP-map的方式组织和压缩法线分布函数,但是难以表示多样化的材质结构。因此在实时渲染领域仍然需要一种通用、有效且多样的微观结构表示方法,来达到实时渲染高质量闪烁效果的目的,以大幅增强基于物理的渲染的真实感。方法 通过调查闪烁材质外观渲染领域的重难点,提出了一个基于微小示例的微观结构表示方法,并结合MIP-map组织预计算的法线分布函数。在实施过程中,通过对微小示例进行多种空间变换和随机的空间分布来隐式地生成大规模法线分布函数。在GPU上实施和计算了不同类型的闪烁材质,并与现有的其他先进方法进行了对比。结果 在不同类型闪烁材质的大量场景上进行了测试。相比于参考方法,基于微小示例的微观结构表示方法在不同的场景上获得了5到11倍的计算速率提升,并且在提供多样化闪烁材质的同时,保持了约14毫秒的实时渲染计算性能。在渲染运行时内存占用显著下降,单个材质的预计算数据存储最低仅1.31 MB。适用范围现定于具有一定自相似性的材质,如划痕;对于具有全局特征的材质,例如带全局木纹的木地板不适用。结论 合理且高效的微观结构表示对于表现多样化闪烁效果,并提升基于物理的渲染的真实感具有显著的作用。现有的使用合适的示例和基于MIP-map的方法降低了预计算法线分布函数的存储代价。基于材质自相似性从而提出的基于微小示例的微观材质表示方法在保证低存储、小计算量的前提下,通过多种空间变换和随机的空间分布极大的提升了微观结构表示的多样性。因此当前方法在保留高光效果的高频率反射特征的同时,高效地进行了高质量实时渲染,并在大量场景实践环节中获得了显著的视觉效果。在未来的工作中可以通过整合不同类型的示例表示来优化当前的方法,得到一种更加通用的材质表示模型。Abstract: The glinty details from complex microstructures significantly enhance rendering realism. However, the previous methods use high-resolution normal maps to define each micro-geometry, which requires huge memory overhead. This paper observes that many self-similarity materials have independent structural characteristics, which we define as tiny example microstructures. We propose a procedural model to represent microstructures implicitly by performing spatial transformations and spatial distribution on tiny examples. Furthermore, we precompute normal distribution functions (NDFs) by 4D Gaussians for tiny examples and store them in multi-scale NDF maps. Combined with a tiny example based NDF evaluation method, complex glinty surfaces can be rendered simply by texture sampling. The experimental results show that our tiny example based the microstructure rendering method is GPU-friendly, successfully reproducing high-frequency reflection features of different microstructures in real time with low memory and computational overhead.