GPU精粹

內(nèi)容概要

　　本書由引領(lǐng)全球計(jì)算機(jī)圖形芯片技術(shù)發(fā)展的NVIDIA公司組稿，匯集當(dāng)今國(guó)際上前沿開發(fā)者們經(jīng)多年研究和實(shí)踐得出的實(shí)用的實(shí)時(shí)圖形技術(shù)成果。本書主要基于當(dāng)今圖形處理器(GPU)的可編程圖形管線，除了講述創(chuàng)建高級(jí)視覺效果的基礎(chǔ)知識(shí)和性能優(yōu)化技術(shù)外，還著重介紹了前沿開發(fā)者們總結(jié)出來的快速技巧。全書由42篇文章組成，根據(jù)主題不同分為6個(gè)部分，包括自然效果、光照和陰影、材質(zhì)、圖像處理、性能及實(shí)踐、超越三角形?！　”緯m合于實(shí)時(shí)渲染相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員閱讀，也適合作為相關(guān)科研院所的學(xué)習(xí)研究參考資料。

書籍目錄

第1部分　自然效果簡(jiǎn)介　2第1章　用物理模型進(jìn)行高效的水模擬　41.1　目標(biāo)和范圍　41.2　正弦近似值的加和　51.2.1　波的選擇　51.2.2　法線和切線　61.2.3　幾何波　81.2.4　紋理波　111.3　編輯　131.3.1　深度的使用　131.3.2　重載　141.3.3　邊長(zhǎng)的過濾　151.3.4　紋理坐標(biāo)　151.4　運(yùn)行時(shí)的處理　161.4.1　凹凸環(huán)境映射參數(shù)　161.4.2　頂點(diǎn)和像素的處理　181.5　小結(jié)　191.6　參考文獻(xiàn)　19第2章　水刻蝕的渲染　212.1　引言　212.2　刻蝕的計(jì)算　222.3　方法　242.4　使用OpenGL實(shí)現(xiàn)　252.5　使用高級(jí)著色語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)　252.6　小結(jié)　302.7　參考文獻(xiàn)　30第3章　Dawn演示中的皮膚　313.1　引言　313.2　皮膚著色　323.3　場(chǎng)景的照明　323.3.1　高動(dòng)態(tài)范圍的環(huán)境　323.3.2　遮擋　343.4　皮膚如何對(duì)光進(jìn)行響應(yīng)　353.5　實(shí)現(xiàn)　363.5.1　頂點(diǎn)Shader　363.5.2　像素Shader　413.6　小結(jié)　433.7　參考文獻(xiàn)　43第4章　Dawn演示中的動(dòng)畫　444.1　簡(jiǎn)介　444.2　網(wǎng)格的動(dòng)畫　454.3　變形網(wǎng)格對(duì)象　454.3.1　高級(jí)語(yǔ)言中的變形網(wǎng)格對(duì)象　454.3.2　變形網(wǎng)格對(duì)象的實(shí)現(xiàn)　474.4　蒙皮　484.5　小結(jié)　504.6　參考文獻(xiàn)　50第5章　改良的Perlin噪聲的實(shí)現(xiàn)　515.1　噪聲函數(shù)　515.2　最初的實(shí)現(xiàn)　525.3　最初實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)　525.4　對(duì)噪聲函數(shù)的改進(jìn)　545.5　如何在像素shader中產(chǎn)生好的假噪聲　565.6　不考慮相鄰頂點(diǎn)制作凹凸貼圖　575.7　小結(jié)　585.8　參考文獻(xiàn)　58第6章　Vulcan演示中的火　596.1　創(chuàng)建逼真的火焰　596.2　動(dòng)畫精靈的實(shí)現(xiàn)　616.2.1　火焰和煙的動(dòng)畫　616.2.2　使火焰增加多樣性　626.2.3　動(dòng)畫的存儲(chǔ)　636.2.4　火焰和煙的混合　646.3　粒子運(yùn)動(dòng)　656.4　性能　656.4.1　層次合成　656.4.2　定制的精靈　676.5　渲染后的效果　676.5.1　輝光　686.5.2　熱微光　686.5.3　顆?！?06.5.4　最終的程序　716.6　小結(jié)　72第7章　無數(shù)波動(dòng)草葉的渲染　737.1　引言　737.2　概述　737.3　草體的準(zhǔn)備　747.3.1　草的紋理　747.3.2　草體　747.4　動(dòng)畫　767.4.1　一般思路　767.4.2　每叢草體的動(dòng)畫　777.4.3　每個(gè)頂點(diǎn)的動(dòng)畫　797.4.4　每個(gè)草體的動(dòng)畫　807.5　小結(jié)　827.6　參考文獻(xiàn)　82第8章　衍射的模擬　848.1　什么是衍射　848.1.1　波動(dòng)光學(xué)　848.1.2　衍射的物理學(xué)　858.2　實(shí)現(xiàn)　868.3　結(jié)果　898.4　小結(jié)　908.5　參考文獻(xiàn)　90第2部分　光照和陰影簡(jiǎn)介　92第9章　有效的陰影體渲染　949.1　引言　949.2　程序結(jié)構(gòu)　969.2.1　多遍渲染　969.2.2　頂點(diǎn)緩沖器結(jié)構(gòu)　999.2.3　在無限遠(yuǎn)處工作　999.3　詳細(xì)的討論　1019.3.1　數(shù)學(xué)　1019.3.2　代碼　1039.3.3　markShadows方法　1039.3.4　findBackfaces方法　1049.3.5　亮罩和暗罩　1059.3.6　側(cè)面　1069.4　調(diào)試　1079.5　幾何優(yōu)化　1089.5.1　方向光　1089.5.2　點(diǎn)光源和聚光燈　1089.5.3　剔除陰影體　1099.5.4　除罩操作　1099.6　填充率的優(yōu)化　1109.6.1　有限的體積　1109.6.2　XY裁剪　1119.6.3　Z-邊界　1119.7　將來的陰影　1129.8　參考文獻(xiàn)　113第10章　電影級(jí)的光照　11410.1　引言　11410.2　直射光照明模型　11510.2.1　選擇　11610.2.2　顏色　11610.2.3　造型　11610.2.4　陰影　11710.2.5　紋理　11810.2.6　結(jié)果　11810.3　泛光Shader　11910.4　性能分析　12410.4.1　速度　12410.4.2　開銷　12410.4.3　優(yōu)化　12410.5　小結(jié)　12410.6　參考文獻(xiàn)　125第11章　陰影貼圖反走樣　12611.1　引言　12611.2　靠近的百分比過濾　12611.3　平滑濾波的實(shí)現(xiàn)　12711.4　較少地取樣　12811.5　工作原理　12911.6　小結(jié)　13111.7　參考文獻(xiàn)　131第12章　全方位的陰影映射　13212.1　引言　13212.1.1　模板陰影　13312.1.2　陰影映射　13312.2　陰影映射的算法　13312.2.1　條件　13312.2.2　算法　13412.2.3　紋理格式　13512.2.4　陰影貼圖的尺寸　13512.2.5　幾何體的數(shù)值范圍　13512.3　實(shí)現(xiàn)　13512.3.1　系統(tǒng)需求　13512.3.2　資源創(chuàng)建　13612.3.3　渲染階段1：渲染到陰影貼圖　13612.3.4　渲染階段2：基本渲染　13712.3.5　光照計(jì)算　13712.3.6　陰影的計(jì)算　13712.3.7　技巧和竅門　13812.3.8　最終的著色遍(Lighting×Shadow)　13812.4　添加模糊的陰影　13812.5　小結(jié)　13912.6　參考文獻(xiàn)　139第13章　使用遮擋區(qū)間映射產(chǎn)生模糊的陰影　14013.1　加油站　14013.2　算法　14113.3　創(chuàng)建映射　14213.4　渲染　14313.5　局限性　14413.6　小結(jié)　14513.7　參考文獻(xiàn)　146第14章　透視陰影貼圖　14714.1　引言　14714.2　PSM算法的問題　14814.2.1　虛擬攝像機(jī)　14814.2.2　光源攝像機(jī)　15214.2.3　偏置　15714.3　獲得更好陰影映射的技巧　16014.3.1　過濾器　16014.3.2　模糊　16114.4　結(jié)果　16414.5　參考文獻(xiàn)　165第15章　逐像素光照的可見性管理　16615.1　GPU書中的可見性　16615.2　批和逐像素光照　16615.2.1　逐像素光照的例子　16615.2.2　究竟需要多少批　16715.3　作為集合的可見性　16815.3.1　可見集合　16815.3.2　光源集合　16815.3.3　照明集合　16815.3.4　陰影集合　16815.4　各集合的生成　16915.4.1　可見集合的生成　16915.4.2　光源集合的生成　16915.4.3　照明集合的生成　16915.4.4　陰影集合的生成　17015.5　可見性改善填充率　17215.6　實(shí)際的應(yīng)用　17315.7　小結(jié)　17315.8　參考文獻(xiàn)　173第3部分　材質(zhì)簡(jiǎn)介　176第16章　次表面散射的實(shí)時(shí)近似　17716.1　次表面散射的視覺效果　17716.2　簡(jiǎn)單的散射近似　17716.3　用深度映射模擬吸收　17916.3.1　實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)　18216.3.2　更精密的散射模型　18316.4　紋理空間的漫反散　18316.5　小結(jié)　18716.6　參考文獻(xiàn)　187第17章　環(huán)境遮擋　18817.1　概述　18817.2　預(yù)處理步驟　18917.3　硬件加速計(jì)算遮擋　19017.4　用環(huán)境遮擋貼圖來渲染　19117.5　小結(jié)　19417.6　參考文獻(xiàn)　195第18章　空間的BRDFs　19818.1　什么是SBRDF　19818.2　表達(dá)式的詳述　19818.3　使用離散光的渲染　20018.4　使用環(huán)境貼圖的渲染　20218.4.1　算法　20218.4.2　shader代碼　20418.5　小結(jié)　20718.6　參考文獻(xiàn)　207第19章　基于圖像的光照　20819.1　基于圖像光照的局部化　20819.2　頂點(diǎn)Shader　21119.3　片元Shader　21319.4　漫反射IBL　21519.5　影子　21519.6　使用局部立方體貼圖作背景　21619.7　小結(jié)　21719.8　參考文獻(xiàn)　217第20章　紋理爆炸　21920.1　紋理爆炸101　21920.1.1　求單元　21920.1.2　對(duì)圖像采樣　22020.1.3　相鄰單元中的圖像　22020.1.4　圖像優(yōu)先級(jí)　22120.1.5　程序化圖像　22220.1.6　圖像的隨機(jī)選擇　22320.2　技術(shù)上的考慮　22420.3　高級(jí)特性　22520.3.1　縮放和轉(zhuǎn)動(dòng)　22520.3.2　可控的變量密度　22520.3.3　程序化的3D爆炸　22620.3.4　隨時(shí)間變化的紋理　22720.3.5　Voronoi相關(guān)的細(xì)胞法　22720.4　小結(jié)　22920.5　參考文獻(xiàn)　229第4部分　圖像處理簡(jiǎn)介　232第21章　實(shí)時(shí)輝光　23421.1　技術(shù)概述　23421.2　渲染輝光的步驟　23721.2.1　輝光源的指定和渲染　23721.2.2　模糊輝光源　23821.2.3　分步卷積　23821.2.4　GPU上的卷積　23921.3　特定硬件的實(shí)現(xiàn)　24021.3.1　Direct3D 9　24021.3.2　Direct3D 8　24221.3.3　Direct3D 7　24221.4　模糊的其他用途　24321.5　把效果加入一個(gè)游戲引擎　24321.5.1　渲染場(chǎng)景　24321.5.2　走樣問題　24421.5.3　DirectX 7的精度問題　24421.5.4　殘留圖像效應(yīng)　24521.5.5　漸變效果　24521.6　小結(jié)　24621.7　參考文獻(xiàn)　246第22章　顏色控制　24822.1　引言　24822.2　基于通道的顏色校正　24822.2.1　級(jí)別　24822.2.2　曲線　25022.3　多通道的彩色校正和變換　25222.3.1　灰度變換　25222.3.2　彩色空間的變換　25322.4　參考文獻(xiàn)　255第23章　景深：技術(shù)綜述　25623.1　什么是景深　25623.1.1　模糊圈的計(jì)算　25723.1.2　主要技術(shù)　25723.2　光線跟蹤的景深　25823.3　累積緩沖區(qū)的景深　25823.4　分層的景深　25923.5　向前映射的z緩沖區(qū)景深　26023.6　反向映射的z緩沖區(qū)景深　26123.7　小結(jié)　26523.8　參考文獻(xiàn)　266第24章　高質(zhì)量的過濾　26724.1　質(zhì)量與速度　26724.2　對(duì)GPU求導(dǎo)的理解　27724.3　解析的反走樣和紋理化　27824.4　小結(jié)　28424.5　參考文獻(xiàn)　284第25章　用紋理貼圖進(jìn)行快速過濾寬度的計(jì)算　28525.1　在shader中求導(dǎo)的需求　28525.2　用紋理計(jì)算過濾寬度　28725.3　討論　28825.4　參考文獻(xiàn)　289第26章　OpenEXR圖像文件格式　29126.1　什么是OpenEXR　29126.1.1　高動(dòng)態(tài)范圍圖像　29126.1.2　“半精度”(Half)格式　29326.1.3　可表示的數(shù)值范圍　29326.1.4　彩色分辨率　29426.1.5　C++接口　29426.2　OpenEXR文件結(jié)構(gòu)　29426.2.1　文件頭　29426.2.2　像素　29426.3　OpenEXR數(shù)據(jù)壓縮　29526.4　OpenEXR的使用　29526.4.1　OpenEXR圖像的讀和顯示　29526.4.2　一個(gè)OpenEXR圖像的渲染和寫入　29626.5　線性像素值　30026.6　創(chuàng)建和使用HDR圖像　30226.7　小結(jié)　30326.8　參考文獻(xiàn)　304第27章　圖像處理的框架　30527.1　引言　30527.2　框架設(shè)計(jì)　30627.2.1　操作器和過濾器　30627.2.2　圖像數(shù)據(jù)　30727.2.3　丟失的塊　30827.3　實(shí)現(xiàn)　31027.3.1　Image類　31127.3.2　ImageFilter類　31427.3.3　過濾的實(shí)現(xiàn)　31527.4　一個(gè)示例應(yīng)用程序　31827.5　性能和局限性　31927.6　小結(jié)　32027.7　參考文獻(xiàn)　321第5部分　性能及實(shí)踐簡(jiǎn)介　324第28章　圖形流水線性能　32628.1　概述　32628.1.1　流水線　32628.1.2　方法　32628.2　定位瓶頸　32728.2.1　光柵操作　32828.2.2　紋理帶寬　32828.2.3　片元著色　32828.2.4　頂點(diǎn)處理　32928.2.5　頂點(diǎn)和索引傳輸　32928.3　優(yōu)化　32928.3.1　在CPU上優(yōu)化　32928.3.2　減少頂點(diǎn)傳輸?shù)拈_銷　33028.3.3　頂點(diǎn)處理的優(yōu)化　33128.3.4　加速片元著色　33128.3.5　減小紋理帶寬　33228.3.6　優(yōu)化幀緩沖帶寬　33328.4　小結(jié)　33428.5　參考文獻(xiàn)　334第29章　有效的遮擋剔除　33529.1　什么是遮擋剔除　33529.1.1　遮擋查詢　33529.1.2　早期z值拒絕　33529.2　遮擋查詢?nèi)绾喂ぷ鳌?3629.3　初步使用遮擋查詢　33629.3.1　恰當(dāng)?shù)厥褂谜趽醪樵儭?3729.3.2　遮擋物和被遮擋物的比較　33729.4　更進(jìn)一步的應(yīng)用　33729.4.1　將物體排序　33929.4.2　一個(gè)防止誤解的說明　33929.5　關(guān)于包圍盒　33929.5.1　靜態(tài)的物體　34029.5.2　動(dòng)畫的物體　34029.6　其他問題　34129.6.1　CPU消耗太高　34129.6.2　高分辨率的渲染　34129.6.3　快速深度寫入的性能　34229.6.4　錐體剔除　34229.7　一點(diǎn)小忠告　34329.8　一個(gè)應(yīng)用：透鏡耀斑　34329.8.1　渲染透鏡耀斑的舊方法　34429.8.2　渲染透鏡耀斑的新方法　34529.9　小結(jié)　34529.10　參考文獻(xiàn)　346第30章　FX Composer的設(shè)計(jì)　34730.1　工具的開發(fā)　34730.2　設(shè)計(jì)初衷和使用對(duì)象　34730.3　對(duì)象設(shè)計(jì)　34830.4　文件格式　35230.5　用戶接口　35330.6　Direct3D圖形的實(shí)現(xiàn)　35330.6.1　設(shè)備窗口　35330.6.2　Direct3D效果　35430.6.3　ID3DXEffectCompiler　35430.6.4　ID3DXEffect　35530.7　場(chǎng)景管理　35530.8　小結(jié)　35630.9　參考文獻(xiàn)　356第31章　FX Composer的使用　35731.1　開始　35731.1.1　材質(zhì)面板　35831.1.2　場(chǎng)景圖形面板　35931.1.3　編輯窗口　36031.1.4　Shader Perf面板　36131.1.5　屬性面板　36131.1.6　場(chǎng)景面板　36331.1.7　紋理面板　36431.1.8　任務(wù)面板　36531.1.9　日志面板　36531.2　項(xiàng)目示例　36631.3　小結(jié)　367第32章　Shader接口入門　36832.1　shader接口的基礎(chǔ)　36932.2　一個(gè)靈活的光源描述　37132.3　材質(zhì)樹　37332.4　小結(jié)　37632.5　參考文獻(xiàn)　376第33章　將產(chǎn)品的RenderMan shader轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)的shader　37733.1　引言　37733.2　光照　37833.2.1　光源　37833.2.2　光源shader　37833.2.3　其他的光源參數(shù)　37933.3　頂點(diǎn)程序與片元程序的比較　37933.4　使用頂點(diǎn)和片元程序　38033.5　片元程序的優(yōu)化技術(shù)　38133.5.1　把代碼轉(zhuǎn)移到應(yīng)用層　38133.5.2　把代碼轉(zhuǎn)移到頂點(diǎn)程序　38133.5.3　通過紋理查詢優(yōu)化　38233.5.4　向量化的優(yōu)化　38333.5.5　最終的優(yōu)化　38333.6　小結(jié)　38433.7　參考文獻(xiàn)　386第34章　將硬件著色整合進(jìn)Cinema 4D　38734.1　引言　38734.2　把Cinema 4D連接到CgFX上去　38934.3　shader和參數(shù)管理　39034.4　模擬離線渲染　39134.5　結(jié)果和性能　39334.6　收獲和教訓(xùn)　39434.7　參考文獻(xiàn)　395第35章　在實(shí)時(shí)應(yīng)用程序中使用高質(zhì)軟件渲染效果　39635.1　引言　39635.2　用于硬件渲染的內(nèi)容流水線　39735.3　硬件渲染的組件　39835.3.1　幾何數(shù)據(jù)　39835.3.2　屬性映射　39835.4　組件的產(chǎn)生　40035.4.1　創(chuàng)建幾何圖形　40035.4.2　對(duì)紋理和頂點(diǎn)的渲染　40035.5　試驗(yàn)情況和結(jié)果　40335.6　小結(jié)　40835.7　參考文獻(xiàn)　408第36章　將Shader整合到應(yīng)用程序中去　40936.1　引言　40936.2　關(guān)于shader　40936.3　一個(gè)effect文件的剖析　41136.3.1　變量　41236.3.2　結(jié)構(gòu)體　41236.3.3　pass　41236.3.4　technique　41236.3.5　評(píng)注　41236.4　shader數(shù)據(jù)的類型　41336.4.1　場(chǎng)景信息　41336.4.2　材質(zhì)　41436.4.3　渲染的場(chǎng)景　41436.4.4　頂點(diǎn)數(shù)據(jù)　41436.5　與shader的通信　41436.5.1　場(chǎng)景信息　41436.5.2　材質(zhì)的參數(shù)　41536.5.3　頂點(diǎn)格式　41636.5.4　場(chǎng)景　41636.5.5　就場(chǎng)景對(duì)technique和pass的比較　41736.6　effect文件格式的擴(kuò)展　41736.6.1　對(duì)預(yù)處理程序的支持　41736.6.2　對(duì)shader變化的支持　41836.6.3　shader繼承的添加　41836.7　小結(jié)　41936.8　參考文獻(xiàn)　419第6部分　超越三角形簡(jiǎn)介　422第37章　用于GPU計(jì)算的工具箱　42437.1　用GPU進(jìn)行計(jì)算　42437.1.1　編程模型　42537.1.2　并行編程　42637.1.3　高級(jí)的GPU程序　42637.2　約減　42637.2.1　并行的約減　42737.2.2　有關(guān)約減的注意事項(xiàng)　42837.3　排序和搜索　42837.3.1　Bitonic歸并排序　42837.3.2　二分搜索　43037.4　挑戰(zhàn)　43237.4.1　有限的輸出　43237.4.2　緩慢的回讀　43337.4.3　GPU和CPU的比較　43337.5　小結(jié)　43337.6　參考文獻(xiàn)　433第38章　在GPU上的快速流體動(dòng)力學(xué)模擬　43538.1　引言　43538.1.1　目的　43638.1.2　假設(shè)　43638.1.3　方法　43638.2　數(shù)學(xué)背景　43638.2.1　不可壓縮流體的Navier-Stokes方程式　43738.2.2　Navier-Stokes方程式的各項(xiàng)　43838.2.3　矢量微積分的簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)　43838.2.4　解Navier-Stokes方程式　43938.3　實(shí)現(xiàn)　44338.3.1　CPU-GPU的類比　44438.3.2　片運(yùn)算　44538.3.3　片元程序的實(shí)現(xiàn)　44538.4　應(yīng)用　45038.4.1　模擬液體和氣體　45038.4.2　浮力和對(duì)流　45038.5　擴(kuò)展　45138.5.1　旋渦狀態(tài)的限制　45238.5.2　三維　45238.5.3　交錯(cuò)排列的網(wǎng)格　45238.5.4　任意邊界　45238.5.5　流體的自由表面　45338.6　小結(jié)　45338.7　參考文獻(xiàn)　453第39章　體渲染技術(shù)　45439.1　引言　45439.2　體渲染　45539.3　基于紋理的體渲染　45639.4　實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)　45939.4.1　數(shù)據(jù)的表達(dá)和處理　45939.4.2　代理幾何體　46039.4.3　渲染　46139.5　高級(jí)技術(shù)　46339.5.1　體光照　46339.5.2　程序化渲染　46739.6　對(duì)性能的考慮　46739.7　小結(jié)　46939.8　參考文獻(xiàn)　469第40章　用于三維超聲波可視化的實(shí)時(shí)著色　47140.1　背景　47140.2　引言　47340.2.1　笛卡爾網(wǎng)格數(shù)據(jù)的體渲染　47340.2.2　體渲染錐體網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)　47540.3　結(jié)果　48040.4　小結(jié)　48040.5　參考文獻(xiàn)　480第41章　實(shí)時(shí)立體圖　48141.1　什么是立體圖　48141.1.1　立體攝影　48141.1.2　隨機(jī)點(diǎn)立體圖　48141.1.3　單個(gè)圖像的立體圖　48341.2　單個(gè)圖像立體圖的創(chuàng)建　48441.2.1　參數(shù)　48441.2.2　渲染　48541.2.3　動(dòng)畫的單個(gè)圖像立體圖的創(chuàng)建　48641.2.4　片元程序　48841.3　示例應(yīng)用程序　48941.4　參考文獻(xiàn)　490第42章　變形　49142.1　什么是變形　49142.2　在GPU上的變形　49242.2.1　變形的公式　49242.2.2　寫頂點(diǎn)程序　49242.2.3　法線的變形　49342.3　局限性　49442.4　性能　49542.5　例子：波浪變形　49542.6　小結(jié)　497

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