About
关于本书
- 英文名称
- Real-Time Rendering, Fourth Edition
- 原作者
- Tomas Akenine-Moller, Eric Haines, Naty Hoffman, Angelo Pesce, Michal Iwanicki, Sebastien Hillaire
- 翻译者
- Morakito
- 本地译本版本
- v1.1，更新时间 2025.3.12
这个中文译本覆盖 RTR4 第 1 章到第 26 章。附录、参考文献和勘误内容分别通过在线站点、 参考文献站点与参考文献合集补充。本页面先把 Chapter 0 前言放入站内，方便和交互实验互相跳转。
译本适合与参考文献合集搭配阅读：前者帮助建立章节脉络，后者用于追踪具体论文、技术报告和实现细节。
References
相关链接
Preface
序言
Chapter 0 的序言引用毛星云的自序，核心是从早年接触游戏、萌生游戏开发理想到长期学习和写作的经历。 这段文字把技术学习和创作动机放在一起：游戏画面带来的吸引力，最终转化为研习图形学、游戏编程和知识整理的持续行动。
序言也解释了中文资料的重要性。高质量英文资料往往门槛较高，早期中文资料又常常不够系统，这会让许多学习者在入门阶段受阻。 因此，译本的价值不只是把文本变成中文，也是在实时渲染、游戏开发和图形学学习之间搭一条更易进入的路径。
希望我们可以一起努力，翻过那座山。
Contents
目录
Chapter 1
Introduction 简介
实时渲染关注的是快速生成图像，并让用户的观察、输入和系统下一帧的输出形成连续反馈。 当这个循环足够快时，观看者不会把画面感知为一张张离散图片，而会进入一个可交互的动态过程。
帧率通常用 FPS 或 Hz 描述。低帧率只能提供有限的交互感，而游戏、虚拟现实和增强现实会追求更高且更稳定的帧率， 因为显示延迟直接影响动作反馈和沉浸感。电影常见的 24 FPS 可以通过快门重复照亮来降低闪烁， 但这类刷新率并不等同于应用真正生成新图像的显示速率。
本书讨论的实时渲染并不只是“画得快”，它通常指把三维场景转换为二维图像。交互性、三维场景和图形加速硬件共同构成了现代实时渲染的基本语境。 从早期消费级 3D 加速卡到今天电脑、手机和平板中的 GPU，硬件进步让实时图形从少数应用扩展到游戏、影视预览、工程可视化、XR 和设计工具中。
1.1 Overview
内容概述
第 1 章先建立全书地图：第 2 到第 4 章解释图形渲染管线、GPU 和变换；第 5 到第 12 章进入外观、纹理、阴影、颜色、 基于物理的着色、局部光照、全局光照和图像空间特效；第 13 到第 17 章扩展几何表示，包括点云、体素、体积、非真实感风格、 多边形处理以及曲线曲面。
后半部分更偏工程效率和系统能力：第 18 到第 20 章讨论管线优化、剔除、LOD 和高效着色；第 21 章覆盖 VR/AR 的稳定帧率问题； 第 22 到第 23 章介绍相交测试与图形硬件；第 24 章展望未来。碰撞检测和实时光线追踪作为额外章节通过配套网站提供。
1.2 Notation
符号和定义
本书在进入具体算法前先统一数学符号。角度和标量通常是实数；向量和点使用粗体小写字母； 矩阵使用粗体大写字母；平面、三角形、线段和几何实体也有固定的记法，便于后续章节在变换、相交测试和着色推导中保持一致。
齐次坐标用四个分量统一表示点和向量：最后一个分量为 0 时表示向量，为 1 时表示点。 这种表示法让点、向量和矩阵变换可以放在同一套计算框架中，是第 4 章变换内容的基础。
操作符方面，点乘、叉乘、转置、行列式、绝对值、范数、阶乘和二项式系数都会频繁出现。 着色计算还会常用限制操作：把负值截到 0，或者把输入约束在 0 到 1 的区间内。
1.2.2 - 1.2.3
几何定义与着色
几乎所有图形硬件的基本绘制图元都是点、线和三角形。一个模型或物体由几何实体组成； 场景则是待渲染物体、材质、灯光和观察信息的集合。物体可以是车辆、建筑、线条，也可以由曲线、曲面、细分曲面或更复杂的层级结构表示。
“着色”这个词在图形学中有两个常见含义。它可以指最终视觉外观的计算，例如着色模型、着色方程和卡通渲染； 也可以指渲染系统中的可编程组件，例如顶点着色器、片元着色器和着色器语言。阅读时需要根据上下文判断它指的是外观模型，还是 GPU 程序阶段。
Resources
深入阅读和资源
本章最后强调配套网站的重要性。实时渲染领域变化很快，书中会优先保留基础概念和不容易过时的技术， 而最新链接、补充资料、线性代数附录和各章资源则通过 realtimerendering.com 持续更新。
Chapter 2
The Graphics Rendering Pipeline 图形渲染管线
图形渲染管线是实时渲染的核心工具。它根据虚拟相机、三维物体、光源、材质、纹理和着色方程等信息， 把场景转换为一张二维图像。最终图像中的位置和形状主要由几何结构、环境和相机决定， 物体外观则由材质属性、光照、纹理和着色计算共同决定。
本章重点解释管线中每个阶段“做什么”，而不是深入实现细节。后续章节会继续展开各阶段的算法、API 用法和硬件实现。
2.1 Pipeline
渲染管线的架构
管线的意义在于把总任务拆成多个阶段，并让不同阶段并行处理连续输入。整体速度由最慢的阶段决定， 因此实时渲染中的性能分析经常要寻找瓶颈，而不是只看某个局部算法是否足够快。
FPS、Hz 和每帧耗时都可以描述渲染速度。FPS 常用于描述生成图像的速率，Hz 更多用于硬件刷新频率； 实际优化时，每帧耗时通常更直观，因为一帧中的工作量会随场景复杂度变化。
2.2 - 2.3
应用阶段与几何处理
应用阶段由程序控制，开发者可以通过算法和数据组织影响后续管线负载。例如剔除不可见物体、减少提交三角形数量、 更新相机和动画状态，都会直接影响 GPU 后续要处理的工作。现代 GPU 也可以通过计算着色器承担部分通用计算任务。
几何处理阶段负责逐顶点和逐三角形相关任务。顶点着色器会计算顶点位置，也会输出法线、颜色、纹理坐标等后续需要插值的数据。 一个模型通常先在模型空间中定义，经过模型变换进入世界空间，再经过观察变换进入相机或观察空间。
投影会把可视空间变换为规范可视体。常见投影包括正交投影和透视投影：前者保持平行线平行，常用于工程和编辑场景； 后者体现近大远小，是实时三维画面中最常见的相机模型。投影之后，裁剪会丢弃完全不可见的图元， 并把跨越边界的图元裁成位于可视空间内部的新图元。
几何处理的最后一步是屏幕映射：把规范设备坐标映射到窗口坐标。这里还会涉及像素中心、坐标原点和深度范围等 API 约定， 例如 OpenGL 和 DirectX 在屏幕坐标方向与深度范围上存在一些历史差异。
2.4 - 2.5
光栅化与像素处理
光栅化阶段接收已经变换和投影好的图元，找出它覆盖了哪些像素或采样点，并生成片元。 三角形设置会计算边界方程和插值所需的数据；三角形遍历会检查覆盖范围，并对顶点属性做透视正确插值。
像素处理阶段包含像素着色和合并。像素着色器使用插值后的数据计算颜色，纹理化是其中最常见、最重要的技术之一。 合并阶段则决定片元能否写入颜色缓冲，并处理深度测试、模板测试、alpha、混合和其他光栅操作。
z-buffer 是最常见的可见性算法。每个像素记录当前最近的深度值，新片元只有在更靠近相机时才会更新深度和颜色。 这个方法简单高效，也允许不透明物体以任意顺序渲染；但它只记录一个深度值，因此透明物体通常需要排序或使用顺序无关透明算法。
2.6 Review
回顾整个管线
一个模型从应用程序进入管线后，应用阶段先更新相机、物体状态和绘制数据；几何处理阶段把顶点与法线变换到合适空间， 完成投影、裁剪和屏幕映射；光栅化阶段把图元覆盖区域转换为片元；像素处理阶段计算颜色并通过深度、模板和混合规则写入帧缓冲。
帧缓冲是颜色缓冲、深度缓冲、模板缓冲等缓冲区的统称。为了避免用户看到逐步绘制过程，实时渲染通常采用双缓冲： 场景先绘制到后置缓冲区，完成后再与屏幕上显示的前置缓冲区交换。
Conclusion
总结与扩展阅读
本章描述的管线来自几十年来实时图形 API 和图形硬件的发展。它不是唯一可能的渲染管线； 离线渲染、光线追踪和路径追踪有不同的演化路径。现代实时渲染通常假设使用可编程 GPU， 开发者可以明确控制顶点、像素等阶段中的计算。
补充阅读可以关注 Blinn 的 A Trip Down the Graphics Pipeline、 OpenGL Red Book，以及 realtimerendering.com 上的渲染管线与引擎实现资源。