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第1章 概述1

1.1 文学编程1

1.2 照片级渲染和光线跟踪算法3

1.2.1 相机4

1.2.2 光线-对象相交5

1.2.3 光照分布6

1.2.4 可见性7

1.2.5 表面散射7

1.2.6 递归光线跟踪8

1.2.7 光线传播9

1.3 pbrt系统概述11

1.3.1 执行阶段14

1.3.2 场景表达15

1.3.3 渲染器接口与SamplerRenderer17

1.3.4 主渲染循环19

1.3.5 pbrt的并行机制27

1.3.6 WHITTED光线跟踪积分器31

1.4 如何阅读本书35

1.5 使用并理解程序代码36

1.5.1 指针或引用36

1.5.2 代码优化36

1.5.3 本书网站37

1.5.4 系统扩展37

1.5.5 Bug37

1.6 进一步阅读38

1.7 本章练习39

第2章 几何形状和转换40

2.1 坐标系40

2.2 向量41

2.2.1 运算42

2.2.2 缩放操作43

2.2.3 点积和叉积计算44

2.2.4 标准化计算46

2.2.5 基于向量的坐标系46

2.3 点47

2.4 法线49

2.5 射线50

2.6 三维包围盒53

2.7 转换操作56

2.7.1 齐次坐标57

2.7.2 基本操作58

2.7.3 平移59

2.7.4 缩放操作61

2.7.5 x， y， z轴旋转62

2.7.6 围绕任意轴的旋转行为63

2.7.7 视见转换65

2.8 转换应用66

2.8.1 点67

2.8.2 向量67

2.8.3 法线68

2.8.4 射线68

2.8.5 包围盒69

2.8.6 复合转换69

2.8.7 转换和坐标系的左右手规则70

2.9 动画转换70

2.9.1 四元数72

2.9.2 四元数插值74

2.9.3 AnimatedTransform实现75

2.10 微分几何79

2.11 进一步阅读82

2.12 本章练习83

第3章 几何形状84

3.1 基本的Shape接口84

3.1.1 包围机制85

3.1.2 细化操作86

3.1.3 相交行为87

3.1.4 避免自相交行为88

3.1.5 几何体着色88

3.1.6 表面积89

3.1.7 多面性89

3.2 球体89

3.2.1 构建过程91

3.2.2 包围体91

3.2.3 相交92

3.2.4 局部球体94

3.2.5 法线向量的偏导数96

3.2.6 DifferentialGeometry的初始化操作97

3.2.7 表面积98

3.3 圆柱体99

3.3.1 圆柱体的构造过程99

3.3.2 圆柱体的包围机制101

3.3.3 圆柱体的相交计算101

3.3.4 局部圆柱体102

3.3.5 圆柱体的表面积103

3.4 圆盘103

3.4.1 圆盘的构建过程104

3.4.2 圆盘的包围机制105

3.4.3 圆盘的相交计算105

3.4.4 圆盘的表面积106

3.5 其他二次表面107

3.5.1 圆锥体107

3.5.2 抛物面108

3.5.3 双曲面108

3.6 三角形和网格109

3.6.1 三角形112

3.6.2 三角形相交计算113

3.6.3 网格表面积117

3.6.4 着色几何体118

3.7 表面细分120

3.7.1 网格表达方式122

3.7.2 网格边界130

3.7.3 网格细分130

3.7.4 计算新的顶点位置132

3.7.5 更新网格拓扑结构137

3.7.6 极限表面和输出结果139

3.8 进一步阅读142

3.9 本章练习143

第4章 图元和相交加速计算148

4.1 图元接口和几何图元148

4.1.1 几何图元151

4.1.2 TransformedPrimitive：对象实例和动画图元152

4.2 集合体155

4.3 网格加速结构158

4.3.1 构建过程159

4.3.2 遍历操作164

4.4 包围体层次结构169

4.4.1 BVH构建过程170

4.4.2 启发式表面积计算176

4.4.3 遍历过程中的紧凑BVH180

4.4.4 遍历182

4.5 kd树加速结构185

4.5.1 树形结构的表达方式186

4.5.2 树形结构的构造方式188

4.5.3 遍历操作196

4.6 调试聚合体200

4.6.1 寻找聚合体中的bug201

4.6.2 修复几何体中的bug204

4.6.3 聚合体性能问题204

4.7 进一步阅读205

4.7.1 网格205

4.7.2 包围体层次结构205

4.7.3 kd树207

4.7.4 启发式表面积方案207

4.7.5 其他加速结构208

4.8 本章练习209

第5章 颜色和辐射度212

5.1 光谱表达方式212

5.1.1 Spectrum类型213

5.1.2 CoefficientSpectrum实现214

5.2 SampledSpectrum类216

5.2.1 XYZ颜色219

5.2.2 RGB颜色222

5.3 RGBSpectrum实现227

5.4 辐射度测量学的基本知识229

5.4.1 基本量值230

5.4.2 入射和出射辐射度函数233

5.4.3 亮度和光度测定233

5.5 与辐射积分协同工作234

5.5.1 投影立体角的积分运算235

5.5.2 球体坐标的积分运算235

5.5.3 面积积分运算237

5.6 表面反射239

5.6.1 BRDF239

5.6.2 BSSRDF240

5.7 进一步阅读241

5.8 本章练习242

第6章 相机模型243

6.1 相机模型概述243

6.2 投影相机模型246

6.2.1 正交相机247

6.2.2 透视相机250

6.2.3 景深253

6.3 环境相机257

6.4 进一步阅读258

6.5 本章练习259

第7章 采样和重构260

7.1 采样理论260

7.1.1 频率范围和傅里叶变换261

7.1.2 理想采样状态和重构263

7.1.3 锯齿266

7.1.4 抗锯齿技术267

7.1.5 图像合成技术269

7.1.6 渲染中的锯齿来源269

7.1.7 理解像素数据270

7.2 图像采样接口271

7.3 分层采样277

7.4 低偏差采样287

7.4.1 偏差定义288

7.4.2 HAMMERSLEY和HALTON序列289

7.4.3 [0，2]序列295

7.4.4 低偏差采样器298

7.5 最佳候选采样模式303

7.6 自适应采样309

7.7 图像重构314

7.8 Film类和成像管线323

7.8.1 Film接口323

7.8.2 ImageFilm类325

7.9 进一步阅读333

7.10 本章练习336

第8章 反射模型339

8.1 基本接口342

8.1.1 反射率344

8.1.2 BRDF→BTDF适配器345

8.1.3 BxDF缩放适配器345

8.2 镜面反射和透射346

8.2.1 菲涅耳反射率347

8.2.2 镜面反射351

8.2.3 镜面透射354

8.3 Lambertian反射358

8.4 微面元模型358

8.4.1 Oren-Nayar漫反射360

8.4.2 Torrance-Sparrow模型361

8.4.3 Blinn微面元分布364

8.4.4 各项异性微面元模型366

8.5 菲涅耳入射效果368

8.6 测算BRDF370

8.6.1 不规则的各向同性测算BRDF371

8.6.2 规则半角格式374

8.7 进一步阅读376

8.8 本章练习378

第9章 材质380

9.1 BSDF380

9.2 Material接口和实现385

9.2.1 MatteMaterial类386

9.2.2 PlasticMaterial类387

9.2.3 混合材质389

9.2.4 测算材质390

9.2.5 其他材质391

9.3 凹凸贴图392

9.4 进一步阅读396

9.5 本章练习397

第10章 纹理399

10.1 采样和抗锯齿操作400

10.1.1 计算纹理采样率400

10.1.2 滤波纹理函数404

10.1.3 镜面反射和透射的光线微分405

10.2 纹理坐标生成408

10.2.1 2D（u，v）映射409

10.2.2 球体映射410

10.2.3 圆柱体映射411

10.2.4 平面映射412

10.2.5 3D映射413

10.3 纹理接口和基本纹理413

10.3.1 固定纹理414

10.3.2 混合纹理415

10.3.3 线性插值416

10.4 图像纹理417

10.4.1 纹理缓存418

10.4.2 纹理链421

10.4.3 各向同性三角形滤波器428

10.4.4 椭圆加权平均值430

10.5 体纹理和过程纹理435

10.5.1 UV纹理436

10.5.2 棋盘纹理436

10.5.3 体棋盘纹理441

10.6 噪声442

10.6.1 Perlin噪声443

10.6.2 随机波尔卡圆斑446

10.6.3 频谱合成448

10.6.4 凹凸和褶皱纹理451

10.6.5 风力波形452

10.6.6 大理石纹理453

10.7 进一步阅读454

10.8 本章练习456

第11章 体散射459

11.1 体散射处理过程459

11.1.1 吸收过程460

11.1.2 放射过程461

11.1.3 外散射和衰减462

11.1.4 内散射463

11.2 相位函数464

11.3 体接口和均一介质467

11.4 密度变化的空间体470

11.4.1 3D网格471

11.4.2 指数密度473

11.5 体聚合475

11.6 BSSRDF类476

11.7 进一步阅读478

11.8 本章练习479

第12章 光源481

12.1 Light接口481

12.2 点光源484

12.2.1 聚光灯486

12.2.2 纹理投射光照488

12.2.3 测角光度图光照491

12.3 平行光照494

12.4 区域光照495

12.5 无穷远区域光源499

12.6 进一步阅读501

12.7 本章练习503

第13章 蒙特卡罗积分Ⅰ：基本概念504

13.1 背景知识和概率回顾505

13.1.1 连续随机变量505

13.1.2 期望值和方差506

13.2 蒙特卡罗估算函数507

13.3 随机变量的基本采样508

13.3.1 反演法509

13.3.2 舍选法514

13.4 METROPOLIS采样516

13.4.1 基本算法516

13.4.2 选取突变策略517

13.4.3 初始偏差518

13.4.4 基于Metropolis采样的积分519

13.4.5 示例：一维设置519

13.5 分布间的转换522

13.5.1 多维转换523

13.5.2 极坐标523

13.5.3 球体坐标523

13.6 包含多维转换的2D采样524

13.6.1 示例：半球均匀采样524

13.6.2 单位圆盘对象采样526

13.6.3 余弦加权半球采样529

13.6.4 示例：三角形采样530

13.6.5 示例：分段-常量2D分布531

13.7 进一步阅读534

13.8 本章练习535

第14章 蒙特卡罗积分Ⅱ：效率改善536

14.1 俄罗斯轮盘赌和划分机制537

14.2 采样置放538

14.2.1 分层采样538

14.2.2 quasi蒙特卡罗技术540

14.2.3 采样翘曲和变形541

14.3 偏差541

14.4 重要性采样542

14.5 多重重要性采样机制544

14.6 采样反射函数547

14.6.1 Blinn微面元分布采样548

14.6.2 各向异性微面元模型的采样551

14.6.3 FresnelBlend采样553

14.6.4 镜面反射和透射553

14.6.5 应用：反射率估算555

14.6.6 BSDF采样556

14.7 光源采样559

14.7.1 基本接口560

14.7.2 包含奇点的光源562

14.7.3 区域光源565

14.7.4 ShapeSet采样571

14.7.5 无穷大区域光源572

14.8 体散射577

14.8.1 相位函数采样577

14.8.2 计算光学厚度578

14.9 进一步阅读579

14.10 本章练习580

第15章 光线传输Ⅰ：表面反射583

15.1 直接光照584

15.2 光线传输方程592

15.2.1 基本推导过程593

15.2.2 LTE的解析解594

15.2.3 LTE的表面形式595

15.2.4 路径积分596

15.2.5 被积函数中的delta分布597

15.2.6 划分被积函数598

15.2.7 测量方程和重要性599

15.3 路径跟踪600

15.3.1 概述600

15.3.2 路径采样601

15.3.3 递增式路径构造603

15.3.4 实现过程603

15.3.5 双向路径跟踪607

15.4 实时全局光照608

15.4.1 创建虚拟光源611

15.4.2 利用虚拟光源进行渲染615

15.5 辐射度缓存机制619

15.5.1 利用辐射度缓存进行渲染622

15.5.2 查找和插值624

15.5.3 添加新值627

15.6 粒子跟踪和光子贴图629

15.6.1 粒子跟踪的理论基础630

15.6.2 光子积分器632

15.6.3 构造光子贴图634

15.6.4 使用光子贴图645

15.6.5 光子插值和密度估算654

15.7 METROPOLIS光线传输算法658

15.7.1 采样表达方式661

15.7.2 突变行为663

15.7.3 生成路径665

15.7.4 路径影响作用667

15.7.5 MetropolisRenderer实现674

15.7.6 渲染操作677

15.8 进一步阅读681

15.9 本章练习684

第16章 光线传输 Ⅱ：体渲染688

16.1 传输方程688

16.2 体积分器接口690

16.3 发射积分器690

16.4 单散射积分器695

16.5 子表面散射697

16.5.1 采样点的泊松分布700

16.5.2 构建采样点八叉树707

16.5.3 偶极漫反射近似计算711

16.5.4 基于层次结构积分的渲染行为716

16.5.5 设置散射属性719

16.6 进一步阅读721

16.7 本章练习723

第17章 光线传输Ⅲ：光线传输的预计算727

17.1 基础函数：理论728

17.1.1 分段式-常数基729

17.1.2 基上的投影730

17.1.3 正交基函数731

17.2 球谐函数732

17.2.1 高效计算734

17.2.2 光源投影740

17.2.3 投影入射辐射度函数746

17.2.4 减少环状效果747

17.2.5 旋转748

17.3 辐射度探测器752

17.3.1 创建辐射度探测器753

17.3.2 使用辐射度探测器759

17.4 漫反射传输预计算763

17.5 光泽传输预计算766

17.5.1 传输矩阵768

17.5.2 BSDF矩阵769

17.5.3 GlossyPRTIntegrator实现771

17.6 进一步阅读774

17.7 本章练习775

第18章 回顾和展望777

18.1 设计回顾777

18.1.1 抽象与效率778

18.1.2 其他设计方案：仅使用三角形778

18.1.3 提升场景复杂度779

18.2 吞吐量处理器779

18.2.1 未来发展状况781

18.2.2 参考资源781

18.3 总结782

附录A实用工具783

A.1 主要包含的文件783

A.1.1 工具函数783

A.1.2 伪随机数786

A.2 图形文件的输入和输出786

A.3 与用户的通信787

A.3.1 错误报告788

A.3.2 进度报告788

A.3.3 简单的浮点文件读取器789

A.4 探测器和统计789

A.5 内存管理791

A.5.1 可变栈的分配791

A.5.2 引用计数对象792

A.5.3 以缓存友好方式使用内存794

A.5.4 Arena内存分配796

A.5.5 2D块数组798

A.6 数学计算例程801

A.6.1 2×2线性方程组801

A.6.2 4×4矩阵801

A.7 八叉树802

A.8 kd树807

A.9 并行机制813

A.9.1 内存一致性模型以及性能813

A.9.2 原子操作814

A.9.3 互斥体817

A.9.4 任务系统818

A.10 进一步阅读820

A.11 本章练习821

附录B 场景描述接口822

B.1 参数集823

B.1.1 ParamSetItem结构824

B.1.2 添加参数集824

B.1.3 在参数集查找数据值825

B.2 初始化和渲染选项827

B.2.1 状态跟踪828

B.2.2 转换操作829

B.2.3 选项831

B.3 场景描述834

B.3.1 层次图形状态834

B.3.2 纹理和材质参数836

B.3.3 表面和材质描述837

B.3.4 光源839

B.3.5 形状和体区域840

B.3.6 对象实例化操作843

B.3.7 场景结束与渲染操作845

B.4 添加新的对象实现847

B.5 进一步阅读847

B.6 本章练习848

参考文献850