CVPR 2021 Tutorial on Physics-Based Differentiable Rendering

在计算机视觉、图形学以及计算成像领域，可微渲染技术正逐渐成为研究热点。其核心在于通过模拟光的物理行为，并结合可微分技术，来构建一个可以精确计算图像导数的渲染系统。在CVPR 2021的教程中，研究者们深入探讨了这一前沿技术——基于物理的可微渲染（Physics-Based Differentiable Rendering），以期解决多个领域内的关键问题。 我们需要明确什么是可微渲染。在传统计算机图形学中，渲染是一个生成图像的过程，而可微渲染则在这一过程中引入了对导数的计算。其目的是为了使生成的图像能够对场景参数进行微分，从而在逆向过程中，可以根据图像的变化推断出场景参数的细微变化。这一点尤其重要，因为它是可微渲染得以在图像识别、三维重建等任务中发挥作用的基石。 为何我们需要可微渲染？在计算机视觉中，理解图像的生成过程对于图像重建、物体识别、场景理解等任务至关重要。可微渲染技术可以帮助我们从另一个角度——即通过数学的微分方法来理解这一过程。具体来说，它能够在训练神经网络时提供图像对于场景参数的梯度信息，这在很多优化问题中非常有用。此外，在计算机图形学中，可微渲染为光线追踪、材质编辑等提供了一种更为直观的控制手段。 接下来我们来探讨前向渲染和逆渲染。在传统的渲染流程中，前向渲染是从场景参数出发，生成最终图像的过程。而在逆渲染中，我们尝试从一张或多张实际图像出发，推断出创建这些图像的场景参数。这在三维重建和真实感渲染中尤为关键，因为逆渲染能够帮助我们理解和恢复现实世界中的光照和材质属性。 基于物理的前向渲染使用物理知识生成图像，例如，通过模拟光的吸收、散射和反射等现象，来创建逼真的图像。在这一过程中，Monte Carlo积分法因其对复杂光照环境的高度适应性而被广泛应用。该方法不仅能够处理传统的显式表面，对于隐式表面（如体积渲染）也有很好的适应性，扩展了可微渲染的应用范围。 光线跟踪是可微渲染技术中的另一项关键技术。它通过模拟光线与物体表面的交互，来计算出最终成像效果。在这一步骤中，不仅要计算出光线与物体表面的交点，还要考虑光的传播路径、物体材质等因素。光线跟踪在可微渲染中的应用，使得对场景参数的微分成为可能，为逆渲染提供了理论基础。 基于物理的可微渲染技术在计算机视觉、计算机图形学、计算成像、VR/AR等领域的实际应用中，扮演着越来越重要的角色。例如，它能够帮助我们在三维重建任务中，更准确地估计场景几何和材质属性。在VR/AR领域，可微渲染技术可以使实时渲染的图像更加真实，提升用户的沉浸感。 CVPR 2021 Tutorial on Physics-Based Differentiable Rendering为我们提供了一个关于如何结合物理理论与可微分技术，来打造一个强大渲染系统的平台。通过这个平台，研究者们能够学习如何利用最新的技术来解决相关领域中的难题，推动技术的进一步发展。尽管可微渲染技术目前仍处于探索阶段，但其潜力已经开始在各个领域得到验证，预计将在未来的计算机图形学和计算机视觉领域中发挥重要的作用。