问题

计算机图形学,下一步如何提高?

回答
好的,我们来聊聊计算机图形学这个迷人的领域,以及它未来可能的发展方向。抛开那些AI味十足的术语,咱们就从一个对画面有追求的人的角度,看看还能往哪儿使劲儿。

首先,要说“下一步提高”,得先明白咱们现在能做到什么程度。想想那些顶级电影里的特效,逼真的皮肤纹理、丝滑的毛发、流淌的水滴,还有游戏里那种几乎能以假乱真的世界,我们已经能在视觉上欺骗眼睛了。但正是因为做得太好了,所以我们对“更好”的定义也越来越高,也越来越苛刻。

那接下来,我认为可以从几个大方向去深挖,而且这些方向是相互关联,互相促进的。

1. 更接近真实的“物理”模拟,但要更聪明、更高效

现在我们能模拟很多物理现象,比如光照(全局光照),流体,布料,甚至烟雾爆炸。但离“完全一致”还有距离,而且很多时候计算量大得惊人,即使是顶级显卡也得算上半天。

全局光照的终极形态: 现在我们有光线追踪,它确实能模拟光线如何反射、折射,带来更真实的阴影和反射。但现有的光线追踪在处理复杂材质(比如磨砂玻璃、粗糙金属)或者大量半透明物体时,依然会遇到噪点、计算量爆炸的问题。未来的提升可能在于:
更智能的采样算法: 不是傻傻地乱射光线,而是能更聪明地预测哪些地方的光线“重要”,重点计算。这就像我们看东西,眼睛自然会聚焦在关键区域。
混合渲染: 把光线追踪的“精确”和传统光栅化的“高效”结合起来。在关键区域用光线追踪,其他地方用更快的技术。
物理参数的简化与抽象: 研究者们可能会发现,一些极其复杂的物理计算,对我们人眼来说,其实可以用更简单、更“艺术化”的数学模型来近似,但视觉效果却几乎没有差别。就像绘画里,不是每一片叶子都要画得一模一样,但整体感觉对了就行。
动态世界的真实细节: 想象一下,你在游戏里踩过一片草地,每根草都有自己的生命,被踩下去又慢慢弹起来;或者风吹过树林,每片叶子都在细微地摆动。现在的技术已经能做到一些,但要大规模、实时地呈现这种“生命力”,还是个挑战。
基于粒子或体素的模拟: 除了传统的模型和贴图,用大量的粒子或者小立方体(体素)来构建世界,让它们能更自然地相互作用,比如液体、沙子、甚至是土壤的崩塌。
程序化生成与模拟的结合: 用算法生成基础的场景,然后在这个基础上运行物理模拟,让场景“活起来”。例如,程序化生成一个山脉,然后模拟风化、水流的侵蚀过程,让它看起来更自然。

2. “感知”上的逼真,让计算机“理解”我们怎么看东西

这不仅仅是画面做得像不像,而是要让计算机知道,我们人眼在接收这些画面时,大脑是如何处理的。

感知色度学和人眼模型: 我们现在用RGB(红绿蓝)来表示颜色,但这不完全符合人眼对颜色的感知。未来的图形学可能会更多地借鉴心理物理学和生理学,使用更符合人眼感知的色彩模型,比如CIELAB或者更先进的“感知空间”。这样渲染出来的颜色,在不同设备上显示时,会更一致,更符合我们的预期。
动态范围和局部适应: 人眼在明暗对比强烈的环境下,能自动调整自己的“曝光度”,看到暗处的细节,也能不被强光刺眼。未来的图形学需要更精细地模拟这种“局部适应”现象,让画面在极高和极低的亮度区域都能呈现出丰富的细节。
眼球运动和注意力的模拟: 知道人眼在看画面时是怎么移动的,哪些地方更容易吸引我们的注意力。如果能模拟这一点,就可以在渲染时“偷懒”一些,把计算资源优先分配给那些我们会重点关注的部分,从而在有限的计算力下,获得更好的主观视觉体验。
模糊和景深的智能运用: 咱们平时看东西,远处的景物是模糊的,近处的物体焦点清晰。这叫做景深。现在的景深效果很多是后期添加的,有时候会显得有点“假”。未来的技术可能会:
更真实的镜头模拟: 模拟不同焦距、光圈的镜头会带来什么样的虚化效果,甚至模拟镜头的光学缺陷(比如紫边、暗角),反而能增加画面的真实感。
基于内容理解的虚化: 知道什么物体是主体,什么背景是干扰,然后智能地对背景进行虚化,而不是简单地按距离模糊。

3. 效率革命:让“逼真”触手可及

再好的技术,如果算不动,也只是纸上谈兵。效率的提升是贯穿始终的。

硬件的进化与软件的适配: 新的图形处理器(GPU)会不断涌现,但关键在于,我们如何编写软件,让这些硬件发挥出最大潜力。这需要算法和硬件之间更紧密的配合。
可编程的渲染管线深化: 现在的GPU已经很灵活了,但未来可能会更“懂事”,让开发者能更细粒度地控制渲染过程的每一步,甚至根据内容动态调整渲染策略。
硬件加速的AI应用: 利用AI来加速图形计算,比如前面提到的智能采样,或者用AI去预测和生成复杂的材质纹理,甚至直接用AI来“重建”低分辨率的画面到高分辨率。AI将不再是独立的工具,而是深深集成到渲染流程中。
数据表示与压缩的创新: 画面数据越来越庞大,如何高效地存储、传输和处理这些数据是个大问题。
新型的几何表示: 除了传统的顶点和多边形,有没有更紧凑、更适合GPU处理的几何表示方法?比如基于数学函数的表示(隐式表面),或者层级结构的表示。
语义化数据压缩: 不仅仅是无损或有损地压缩像素,而是理解画面的内容,比如知道这是草地,那是天空,然后用更有效的方式压缩。

4. 跨界融合与新的交互方式

图形学从来都不是孤立的,它与很多领域息息相关。

虚拟现实(VR)/增强现实(AR)的沉浸式体验升级: VR/AR 对图形的要求是实时、低延迟、高保真。未来的进步会让这些体验更自然、更少眩晕,甚至能让我们“触碰”到虚拟物体。
精确的空间感知与渲染: 不仅要看,还要能感知深度、体积,甚至在虚拟世界里有“碰撞”感。
与现实世界的无缝融合: AR需要将虚拟信息准确地叠加到真实世界,这需要对现实环境有更深入的理解和渲染。
人工智能的深度参与: AI不仅仅是用来加速计算,它还能带来全新的创作和体验。
智能内容生成: AI可以根据简单的指令(比如“画一个日落下的海边村庄”)生成逼真的画面,甚至是你从未设想过的独特风格。
个性化与自适应的视觉体验: 根据用户的喜好、情绪、甚至生理反应,动态调整画面的风格和细节。
触觉、听觉等其他感官的协同: 逼真的画面固然重要,但如果能配合上逼真的声音、甚至触觉反馈,那沉浸感将是几何级提升。图形学需要与其他感官技术更紧密地联动。

总结一下,计算机图形学的下一步提高,我认为不是单一维度的突破,而是多点开花,最终汇聚成更深层次的“逼真感”和“可用性”。

“逼真” 不仅仅是表面的像素好看,更是内在的物理规律、人眼感知机制的模拟,以及与现实世界的契合度。
“可用性” 则体现在效率上,让这些高端技术能够被广泛应用,并且带来新的交互和创作方式。

这个过程就像是在打磨一块璞玉,我们已经在雕刻出雏形,但要让它温润如玉,还需要在每一个细节上精益求精,而且要不断探索新的切法和抛光技法。这是一个充满挑战,但也同样令人兴奋的旅程。

网友意见

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叶大神已经关注你的问题,但没有回答。

无论是图形学还是C++都是深坑,一旦进入,没有十几年的时间,是不会成为专家的。你存在的问题是:你的数学基础还不足你让能够完全看懂图形学那些书,你的项目经验还不足你让能够体会C++中那些要义,但书你已经买了很多,眉毛胡子一把抓地读了很多,当你读不懂的时候,你就应该意识到你的学习方式方法有待商榷了。

另外,我想问你:题主,你买那么多书做什么,你又不打算做学术研究,最关键的是还看不懂……买书只是形式,你已经陷入形式主义了,我觉得你已经陷入一种误区,即把买书等同于学习本身了。其实上不是,学习或一项技能的习得其实是一个要漫长很多的过程,本质上是在你的大脑内部长出新的神经突触,那些神经连接及神经网络构建的过程,是一个很漫长的过程,就像树木的成长一样,需要十几年甚至二十几年,常说“十年树木,百年树人”,就是这个道理,不能拔苗助长。关键是要动手写代码,以项目驱动,以需求驱动,只有这样才能形成正反馈。要明确自己的目标,然后把大的目标分割成无数个可以执行的小目标,divide and conquer,先把小目标一个个解决掉,最后大目标也就实现了。

我给你3条建议:

1.心里有个目标,有目标后直接上手写代码,实在不行就在Youtube上看视频学习。


我推荐的几个Youtube频道:

a.Handmade Hero频道,Handmade hero项目的目的就是教你一步一步开发一个2.5D游戏引擎的,里面有你想要学习的3d渲染部分知识。

youtube.com/user/handma

最新一期是教你写一个光线追踪器

youtube.com/watch?


b. 游戏引擎编程

youtube.com/watch?

两个频道的主人分别是Casey Muratori和Jonathan Blow(Jonathan Blow是《时空幻境》及《见证者》的开发者策划,可谓“独立游戏第一人”,独立游戏正是从他的《时空幻境》开始进入大众视野的),他们两个人都是有将近40年编程经验的人,从他们身上学到的都是干货


c.学习DirectX或OpenGL/OpenglES

网上有大把的视频,我不贴链接了。


2.前期研究cocos2dx/Orge3D,后期可研究Unreal/Unity,或者直接研究Unity或Unreal渲染相关的模块,这样你就有了目标,哪里不会学习哪里,就不会迷茫;



3.关注我的专栏 (偷笑

自制游戏引擎

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