GPU gems:programming techniques, tips, and tricks for real-time graphics

第1部分　自然效果

简介　2

第1章　用物理模型进行高效的水模拟　4
1.1　目标和范围　4
1.2　正弦近似值的加和　5
1.2.1　波的选择　5
1.2.2　法线和切线　6
1.2.3　几何波　8
1.2.4　纹理波　11
1.3　编辑　13
1.3.1　深度的使用　13
1.3.2　重载　14
1.3.3　边长的过滤　15
1.3.4　纹理坐标　15
1.4　运行时的处理　16
1.4.1　凹凸环境映射参数　16
1.4.2　顶点和像素的处理　18
1.5　小结　19
1.6　参考文献　19

第2章　水刻蚀的渲染　21
2.1　引言　21
2.2　刻蚀的计算　22
2.3　方法　24
2.4　使用OpenGL实现　25
2.5　使用高级着色语言实现　25
2.6　小结　30
2.7　参考文献　30

第3章　Dawn演示中的皮肤　31
3.1　引言　31
3.2　皮肤着色　32
3.3　场景的照明　32
3.3.1　高动态范围的环境　32
3.3.2　遮挡　34
3.4　皮肤如何对光进行响应　35
3.5　实现　36
3.5.1　顶点Shader　36
3.5.2　像素Shader　41
3.6　小结　43
3.7　参考文献　43

第4章　Dawn演示中的动画　44
4.1　简介　44
4.2　网格的动画　45
4.3　变形网格对象　45
4.3.1　高级语言中的变形网格对象　45
4.3.2　变形网格对象的实现　47
4.4　蒙皮　48
4.5　小结　50
4.6　参考文献　50

第5章　改良的Perlin噪声的实现　51
5.1　噪声函数　51
5.2　最初的实现　52
5.3　最初实现的缺点　52
5.4　对噪声函数的改进　54
5.5　如何在像素shader中产生好的假噪声　56
5.6　不考虑相邻顶点制作凹凸贴图　57
5.7　小结　58
5.8　参考文献　58

第6章　Vulcan演示中的火　59
6.1　创建逼真的火焰　59
6.2　动画精灵的实现　61
6.2.1　火焰和烟的动画　61
6.2.2　使火焰增加多样性　62
6.2.3　动画的存储　63
6.2.4　火焰和烟的混合　64
6.3　粒子运动　65
6.4　性能　65
6.4.1　层次合成　65
6.4.2　定制的精灵　67
6.5　渲染后的效果　67
6.5.1　辉光　68
6.5.2　热微光　68
6.5.3　颗粒　70
6.5.4　最终的程序　71
6.6　小结　72

第7章　无数波动草叶的渲染　73
7.1　引言　73
7.2　概述　73
7.3　草体的准备　74
7.3.1　草的纹理　74
7.3.2　草体　74
7.4　动画　76
7.4.1　一般思路　76
7.4.2　每丛草体的动画　77
7.4.3　每个顶点的动画　79
7.4.4　每个草体的动画　80
7.5　小结　82
7.6　参考文献　82

第8章　衍射的模拟　84
8.1　什么是衍射　84
8.1.1　波动光学　84
8.1.2　衍射的物理学　85
8.2　实现　86
8.3　结果　89
8.4　小结　90
8.5　参考文献　90

第2部分　光照和阴影

简介　92

第9章　有效的阴影体渲染　94
9.1　引言　94
9.2　程序结构　96
9.2.1　多遍渲染　96
9.2.2　顶点缓冲器结构　99
9.2.3　在无限远处工作　99
9.3　详细的讨论　101
9.3.1　数学　101
9.3.2　代码　103
9.3.3　markShadows方法　103
9.3.4　findBackfaces方法　104
9.3.5　亮罩和暗罩　105
9.3.6　侧面　106
9.4　调试　107
9.5　几何优化　108
9.5.1　方向光　108
9.5.2　点光源和聚光灯　108
9.5.3　剔除阴影体　109
9.5.4　除罩操作　109
9.6　填充率的优化　110
9.6.1　有限的体积　110
9.6.2　XY裁剪　111
9.6.3　Z-边界　111
9.7　将来的阴影　112
9.8　参考文献　113

第10章　电影级的光照　114
10.1　引言　114
10.2　直射光照明模型　115
10.2.1　选择　116
10.2.2　颜色　116
10.2.3　造型　116
10.2.4　阴影　117
10.2.5　纹理　118
10.2.6　结果　118
10.3　泛光Shader　119
10.4　性能分析　124
10.4.1　速度　124
10.4.2　开销　124
10.4.3　优化　124
10.5　小结　124
10.6　参考文献　125

第11章　阴影贴图反走样　126
11.1　引言　126
11.2　靠近的百分比过滤　126
11.3　平滑滤波的实现　127
11.4　较少地取样　128
11.5　工作原理　129
11.6　小结　131
11.7　参考文献　131

第12章　全方位的阴影映射　132
12.1　引言　132
12.1.1　模板阴影　133
12.1.2　阴影映射　133
12.2　阴影映射的算法　133
12.2.1　条件　133
12.2.2　算法　134
12.2.3　纹理格式　135
12.2.4　阴影贴图的尺寸　135
12.2.5　几何体的数值范围　135
12.3　实现　135
12.3.1　系统需求　135
12.3.2　资源创建　136
12.3.3　渲染阶段1：渲染到阴影贴图　136
12.3.4　渲染阶段2：基本渲染　137
12.3.5　光照计算　137
12.3.6　阴影的计算　137
12.3.7　技巧和窍门　138
12.3.8　最终的着色遍(Lighting×Shadow)　138
12.4　添加模糊的阴影　138
12.5　小结　139
12.6　参考文献　139

第13章　使用遮挡区间映射产生模糊的阴影　140
13.1　加油站　140
13.2　算法　141
13.3　创建映射　142
13.4　渲染　143
13.5　局限性　144
13.6　小结　145
13.7　参考文献　146

第14章　透视阴影贴图　147
14.1　引言　147
14.2　PSM算法的问题　148
14.2.1　虚拟摄像机　148
14.2.2　光源摄像机　152
14.2.3　偏置　157
14.3　获得更好阴影映射的技巧　160
14.3.1　过滤器　160
14.3.2　模糊　161
14.4　结果　164
14.5　参考文献　165

第15章　逐像素光照的可见性管理　166
15.1　GPU书中的可见性　166
15.2　批和逐像素光照　166
15.2.1　逐像素光照的例子　166
15.2.2　究竟需要多少批　167
15.3　作为集合的可见性　168
15.3.1　可见集合　168
15.3.2　光源集合　168
15.3.3　照明集合　168
15.3.4　阴影集合　168
15.4　各集合的生成　169
15.4.1　可见集合的生成　169
15.4.2　光源集合的生成　169
15.4.3　照明集合的生成　169
15.4.4　阴影集合的生成　170
15.5　可见性改善填充率　172
15.6　实际的应用　173
15.7　小结　173
15.8　参考文献　173

第3部分　材质

简介　176

第16章　次表面散射的实时近似　177
16.1　次表面散射的视觉效果　177
16.2　简单的散射近似　177
16.3　用深度映射模拟吸收　179
16.3.1　实现细节　182
16.3.2　更精密的散射模型　183
16.4　纹理空间的漫反散　183
16.5　小结　187
16.6　参考文献　187

第17章　环境遮挡　188
17.1　概述　188
17.2　预处理步骤　189
17.3　硬件加速计算遮挡　190
17.4　用环境遮挡贴图来渲染　191
17.5　小结　194
17.6　参考文献　195

第18章　空间的BRDFs　198
18.1　什么是SBRDF　198
18.2　表达式的详述　198
18.3　使用离散光的渲染　200
18.4　使用环境贴图的渲染　202
18.4.1　算法　202
18.4.2　shader代码　204
18.5　小结　207
18.6　参考文献　207

第19章　基于图像的光照　208
19.1　基于图像光照的局部化　208
19.2　顶点Shader　211
19.3　片元Shader　213
19.4　漫反射IBL　215
19.5　影子　215
19.6　使用局部立方体贴图作背景　216
19.7　小结　217
19.8　参考文献　217

第20章　纹理爆炸　219
20.1　纹理爆炸101　219
20.1.1　求单元　219
20.1.2　对图像采样　220
20.1.3　相邻单元中的图像　220
20.1.4　图像优先级　221
20.1.5　程序化图像　222
20.1.6　图像的随机选择　223
20.2　技术上的考虑　224
20.3　高级特性　225
20.3.1　缩放和转动　225
20.3.2　可控的变量密度　225
20.3.3　程序化的3D爆炸　226
20.3.4　随时间变化的纹理　227
20.3.5　Voronoi相关的细胞法　227
20.4　小结　229
20.5　参考文献　229

第4部分　图像处理

简介　232

第21章　实时辉光　234
21.1　技术概述　234
21.2　渲染辉光的步骤　237
21.2.1　辉光源的指定和渲染　237
21.2.2　模糊辉光源　238
21.2.3　分步卷积　238
21.2.4　GPU上的卷积　239
21.3　特定硬件的实现　240
21.3.1　Direct3D 9　240
21.3.2　Direct3D 8　242
21.3.3　Direct3D 7　242
21.4　模糊的其他用途　243
21.5　把效果加入一个游戏引擎　243
21.5.1　渲染场景　243
21.5.2　走样问题　244
21.5.3　DirectX 7的精度问题　244
21.5.4　残留图像效应　245
21.5.5　渐变效果　245
21.6　小结　246
21.7　参考文献　246

第22章　颜色控制　248
22.1　引言　248
22.2　基于通道的颜色校正　248
22.2.1　级别　248
22.2.2　曲线　250
22.3　多通道的彩色校正和变换　252
22.3.1　灰度变换　252
22.3.2　彩色空间的变换　253
22.4　参考文献　255

第23章　景深：技术综述　256
23.1　什么是景深　256
23.1.1　模糊圈的计算　257
23.1.2　主要技术　257
23.2　光线跟踪的景深　258
23.3　累积缓冲区的景深　258
23.4　分层的景深　259
23.5　向前映射的z缓冲区景深　260
23.6　反向映射的z缓冲区景深　261
23.7　小结　265
23.8　参考文献　266

第24章　高质量的过滤　267
24.1　质量与速度　267
24.2　对GPU求导的理解　277
24.3　解析的反走样和纹理化　278
24.4　小结　284
24.5　参考文献　284

第25章　用纹理贴图进行快速过滤宽度的计算　285
25.1　在shader中求导的需求　285
25.2　用纹理计算过滤宽度　287
25.3　讨论　288
25.4　参考文献　289

第26章　OpenEXR图像文件格式　291
26.1　什么是OpenEXR　291
26.1.1　高动态范围图像　291
26.1.2　“半精度”(Half)格式　293
26.1.3　可表示的数值范围　293
26.1.4　彩色分辨率　294
26.1.5　C++接口　294
26.2　OpenEXR文件结构　294
26.2.1　文件头　294
26.2.2　像素　294
26.3　OpenEXR数据压缩　295
26.4　OpenEXR的使用　295
26.4.1　OpenEXR图像的读和显示　295
26.4.2　一个OpenEXR图像的渲染和写入　296
26.5　线性像素值　300
26.6　创建和使用HDR图像　302
26.7　小结　303
26.8　参考文献　304

第27章　图像处理的框架　305
27.1　引言　305
27.2　框架设计　306
27.2.1　操作器和过滤器　306
27.2.2　图像数据　307
27.2.3　丢失的块　308
27.3　实现　310
27.3.1　Image类　311
27.3.2　ImageFilter类　314
27.3.3　过滤的实现　315
27.4　一个示例应用程序　318
27.5　性能和局限性　319
27.6　小结　320
27.7　参考文献　321

第5部分　性能及实践

简介　324

第28章　图形流水线性能　326
28.1　概述　326
28.1.1　流水线　326
28.1.2　方法　326
28.2　定位瓶颈　327
28.2.1　光栅操作　328
28.2.2　纹理带宽　328
28.2.3　片元着色　328
28.2.4　顶点处理　329
28.2.5　顶点和索引传输　329
28.3　优化　329
28.3.1　在CPU上优化　329
28.3.2　减少顶点传输的开销　330
28.3.3　顶点处理的优化　331
28.3.4　加速片元着色　331
28.3.5　减小纹理带宽　332
28.3.6　优化帧缓冲带宽　333
28.4　小结　334
28.5　参考文献　334

第29章　有效的遮挡剔除　335
29.1　什么是遮挡剔除　335
29.1.1　遮挡查询　335
29.1.2　早期z值拒绝　335
29.2　遮挡查询如何工作　336
29.3　初步使用遮挡查询　336
29.3.1　恰当地使用遮挡查询　337
29.3.2　遮挡物和被遮挡物的比较　337
29.4　更进一步的应用　337
29.4.1　将物体排序　339
29.4.2　一个防止误解的说明　339
29.5　关于包围盒　339
29.5.1　静态的物体　340
29.5.2　动画的物体　340
29.6　其他问题　341
29.6.1　CPU消耗太高　341
29.6.2　高分辨率的渲染　341
29.6.3　快速深度写入的性能　342
29.6.4　锥体剔除　342
29.7　一点小忠告　343
29.8　一个应用：透镜耀斑　343
29.8.1　渲染透镜耀斑的旧方法　344
29.8.2　渲染透镜耀斑的新方法　345
29.9　小结　345
29.10　参考文献　346

第30章　FX Composer的设计　347
30.1　工具的开发　347
30.2　设计初衷和使用对象　347
30.3　对象设计　348
30.4　文件格式　352
30.5　用户接口　353
30.6　Direct3D图形的实现　353
30.6.1　设备窗口　353
30.6.2　Direct3D效果　354
30.6.3　ID3DXEffectCompiler　354
30.6.4　ID3DXEffect　355
30.7　场景管理　355
30.8　小结　356
30.9　参考文献　356

第31章　FX Composer的使用　357
31.1　开始　357
31.1.1　材质面板　358
31.1.2　场景图形面板　359
31.1.3　编辑窗口　360
31.1.4　Shader Perf面板　361
31.1.5　属性面板　361
31.1.6　场景面板　363
31.1.7　纹理面板　364
31.1.8　任务面板　365
31.1.9　日志面板　365
31.2　项目示例　366
31.3　小结　367

第32章　Shader接口入门　368
32.1　shader接口的基础　369
32.2　一个灵活的光源描述　371
32.3　材质树　373
32.4　小结　376
32.5　参考文献　376

第33章　将产品的RenderMan shader转化为实时的shader　377
33.1　引言　377
33.2　光照　378
33.2.1　光源　378
33.2.2　光源shader　378
33.2.3　其他的光源参数　379
33.3　顶点程序与片元程序的比较　379
33.4　使用顶点和片元程序　380
33.5　片元程序的优化技术　381
33.5.1　把代码转移到应用层　381
33.5.2　把代码转移到顶点程序　381
33.5.3　通过纹理查询优化　382
33.5.4　向量化的优化　383
33.5.5　最终的优化　383
33.6　小结　384
33.7　参考文献　386

第34章　将硬件着色整合进Cinema 4D　387
34.1　引言　387
34.2　把Cinema 4D连接到CgFX上去　389
34.3　shader和参数管理　390
34.4　模拟离线渲染　391
34.5　结果和性能　393
34.6　收获和教训　394
34.7　参考文献　395

第35章　在实时应用程序中使用高质软件渲染效果　396
35.1　引言　396
35.2　用于硬件渲染的内容流水线　397
35.3　硬件渲染的组件　398
35.3.1　几何数据　398
35.3.2　属性映射　398
35.4　组件的产生　400
35.4.1　创建几何图形　400
35.4.2　对纹理和顶点的渲染　400
35.5　试验情况和结果　403
35.6　小结　408
35.7　参考文献　408

第36章　将Shader整合到应用程序中去　409
36.1　引言　409
36.2　关于shader　409
36.3　一个effect文件的剖析　411
36.3.1　变量　412
36.3.2　结构体　412
36.3.3　pass　412
36.3.4　technique　412
36.3.5　评注　412
36.4　shader数据的类型　413
36.4.1　场景信息　413
36.4.2　材质　414
36.4.3　渲染的场景　414
36.4.4　顶点数据　414
36.5　与shader的通信　414
36.5.1　场景信息　414
36.5.2　材质的参数　415
36.5.3　顶点格式　416
36.5.4　场景　416
36.5.5　就场景对technique和pass的比较　417
36.6　effect文件格式的扩展　417
36.6.1　对预处理程序的支持　417
36.6.2　对shader变化的支持　418
36.6.3　shader继承的添加　418
36.7　小结　419
36.8　参考文献　419

第6部分　超越三角形

简介　422

第37章　用于GPU计算的工具箱　424
37.1　用GPU进行计算　424
37.1.1　编程模型　425
37.1.2　并行编程　426
37.1.3　高级的GPU程序　426
37.2　约减　426
37.2.1　并行的约减　427
37.2.2　有关约减的注意事项　428
37.3　排序和搜索　428
37.3.1　Bitonic归并排序　428
37.3.2　二分搜索　430
37.4　挑战　432
37.4.1　有限的输出　432
37.4.2　缓慢的回读　433
37.4.3　GPU和CPU的比较　433
37.5　小结　433
37.6　参考文献　433

第38章　在GPU上的快速流体动力学模拟　435
38.1　引言　435
38.1.1　目的　436
38.1.2　假设　436
38.1.3　方法　436
38.2　数学背景　436
38.2.1　不可压缩流体的Navier-Stokes方程式　437
38.2.2　Navier-Stokes方程式的各项　438
38.2.3　矢量微积分的简要复习　438
38.2.4　解Navier-Stokes方程式　439
38.3　实现　443
38.3.1　CPU-GPU的类比　444
38.3.2　片运算　445
38.3.3　片元程序的实现　445
38.4　应用　450
38.4.1　模拟液体和气体　450
38.4.2　浮力和对流　450
38.5　扩展　451
38.5.1　旋涡状态的限制　452
38.5.2　三维　452
38.5.3　交错排列的网格　452
38.5.4　任意边界　452
38.5.5　流体的自由表面　453
38.6　小结　453
38.7　参考文献　453

第39章　体渲染技术　454
39.1　引言　454
39.2　体渲染　455
39.3　基于纹理的体渲染　456
39.4　实现细节　459
39.4.1　数据的表达和处理　459
39.4.2　代理几何体　460
39.4.3　渲染　461
39.5　高级技术　463
39.5.1　体光照　463
39.5.2　程序化渲染　467
39.6　对性能的考虑　467
39.7　小结　469
39.8　参考文献　469

第40章　用于三维超声波可视化的实时着色　471
40.1　背景　471
40.2　引言　473
40.2.1　笛卡尔网格数据的体渲染　473
40.2.2　体渲染锥体网格中的数据　475
40.3　结果　480
40.4　小结　480
40.5　参考文献　480

第41章　实时立体图　481
41.1　什么是立体图　481
41.1.1　立体摄影　481
41.1.2　随机点立体图　481
41.1.3　单个图像的立体图　483
41.2　单个图像立体图的创建　484
41.2.1　参数　484
41.2.2　渲染　485
41.2.3　动画的单个图像立体图的创建　486
41.2.4　片元程序　488
41.3　示例应用程序　489
41.4　参考文献　490

第42章　变形　491
42.1　什么是变形　491
42.2　在GPU上的变形　492
42.2.1　变形的公式　492
42.2.2　写顶点程序　492
42.2.3　法线的变形　493
42.3　局限性　494
42.4　性能　495
42.5　例子：波浪变形　495
42.6　小结　497