引導前行的光線：NVIDIA 研究人員展現即時繪圖的突破性進展
NVIDIA 在這場夏季繪圖領域的頂尖會議中，為藝術家、創作者及遊戲玩家
展現提升即時路徑追蹤與內容創作工具的最新成果
電腦繪圖與人工智慧 (AI) 是 NVIDIA 的發展基石，兩者結合讓創作者離實現即時渲染電影畫質般的 3D 影像目標，又更近了一步。
NVIDIA Research 在今年夏天舉行的一系列繪圖會議中，向外界分享了在即時路徑追蹤和內容創作的突破性進展，當中有不少都是採用最頂尖的 AI 技術。這些突破性的進展透過全新的工具解決繪圖領域中最困難的問題，進而推動即時渲染技術的發展。
其中一個目標是讓渲染出的光線在穿過毛皮或霧等複雜材料時，可以看起來更加真實。另一個目標是協助藝術家更輕鬆地將他們的創意想法，變成栩栩如生的模型和場景。
在本週的 SIGGRAPH 2021 大會，以及近期的High-Performance Graphics 與 Eurographics Symposium on Rendering 中所展示的研究進展，在在突顯出 NVIDIA RTX GPU 如何進一步推動逼真的即時繪圖發展。
如果想要即時渲染出極具真實感的影像，需要精準地模擬光線，並針對影響真實環境中的光線規則建立模型。路徑追蹤是目前已知最有效的方法，其需要使用極為龐大的運算資源，但最終能呈現出令人驚嘆的影像。
專為這項任務量身打造的 NVIDIA RTX 平台，具備專用的光線追蹤硬體及高效能的 Tensor 核心，能夠以絕佳的效率評估 AI 模型。然而，在某些情況下，若想渲染出栩栩如生的影像仍有其難度。
就像是製作一隻潛行穿梭在森林中的老虎。
光彩耀目：即時路徑追蹤
為了讓場景看起來在逼真度上完全沒有破綻，創作者必須渲染複雜的照明效果，像是反射、陰影和肉眼可見的朦朧感。
陽光透過森林中的樹葉，斑斑點點地灑滿地面，霧氣變得氤氳。過去想要即時渲染出如此逼真的雲層、塵土飛揚的表面或是朦朧的霧氣，是遙不可及的事情。不過 NVIDIA 的研究人員所開發出的技術，能夠將這些現象的視覺效果運算效率提高十倍。
老虎身上既被陽光照射，又被樹木遮蔽。當老虎穿梭在樹林裡，可以清楚看見下方池塘中牠的倒影。想要為這種直接和間接反射的豐富視覺效果加上光線，需要為場景中的每個像素計算成千上萬個路徑。
這件事需要使用極為龐大的運算資源，且無法即時進行。因此，我們的研究團隊為此開發出一個路徑取樣演算法，優先運算最有可能成就最終畫面的光線路徑及反射，也將渲染影像的速度提高 100 倍以上。
將人工智慧用於製作老虎：神經輻射快取技術
另一組 NVIDIA 研究人員使用一種名為神經輻射快取 (Neural Radiance Caching) 的全新技術，在全域照明領域取得突破性進展。這項方法將用於光線追蹤的 NVIDIA RT 核心及用於 AI 加速的 Tensor 核心，在渲染動態場景的同時，即時訓練微型神經網路。
這個神經網路學習光線在整個場景裡的分布情況。當它在 NVIDIA GeForce RTX 3090 GPU 上運行時，每秒評估超過十億次全域照明查詢，並運用豐富的照明細節描繪出老虎身上的濃密獸毛，這是過往使用互動式畫面更新率做不到的事。
流暢地建立高難度的質地紋理
隨著渲染演算法的進步，可用的 3D 內容也必須要跟上演算法所能達到的複雜性和豐富性。
NVIDIA 的研究人員正在深入研究各項技術的發展，以支援內容創作者模擬出豐富逼真的 3D 環境。其中一大重點便放在有著各種複雜幾何圖形的材料上，使用傳統技術並不容易對這些材料進行模擬。
Polo 衫上的布料編織紋路、地毯材質的紋理，或是一片草葉上的特徵，往往比一個像素還要小得多，因此很難有效儲存及渲染這些細微的特徵表現。NVIDIA 的研究人員使用 NeRF-Tex 來解決這個問題，這個方法使用神經網路來呈現高難度的材料，並將它們對光線的反應編寫成程式碼。
見樹不見林
複雜幾何物體的外觀，也會隨著與觀看者之間的距離而有所變化。枝繁葉茂的樹便是一例：近距離看，樹枝、樹葉、樹皮上都有著大量的細節；而從遠處看，就只是一抹綠色。
細膩地渲染森林場景中另一端樹木上的樹皮和樹葉，也較為浪費時間。不過放大特寫時，模型應該要盡可能呈現最真實的樣貌。
細節水準是電腦繪圖領域的一個經典問題。這件事一直困擾著藝術家們，他們需要以手動的方式對每個 3D 物體建立多個版本的模型，才能提高渲染效率。
NVIDIA 的研究人員以逆向渲染法 (inverse rendering method) 為基礎開發了一種全新的方法，可以自動生成簡化模型。創作者透過這個方法便能產生簡化的模型，再經過最佳化調整後，看上去就跟原始模型沒有差異，但卻明顯降低當中的幾何複雜性。
NVIDIA 參與 SIGGRAPH 2021 大會
NVIDIA Research 團隊由遍及全球各地 200 多名科學家所組成，他們專注於發展 AI、電腦繪圖、電腦視覺、自動駕駛車、機器人等領域。在 8 月 9 日至 13 日舉行的 SIGGRAPH 大會上，NVIDIA 的研究人員將發表以下論文：
- Real-Time Neural Radiance Caching for Path Tracing
- Neural Scene Graph Rendering
- An Unbiased Ray-Marching Transmittance Estimator
- StrokeStrip: Joint Parameterization and Fitting of Stroke Clusters
https://youtube.com/watch?v=3XSFfaTmjpA%3Ffeature%3Doembed
此外，NVIDIA 參與 SIGGRAPH 2021 的活動包含 (以下皆為台灣時間)：
- 8 月 10 日晚上 11:00 的 NVIDIA 特別演講，會中展示 NVIDIA 的最新技術
- 8 月 11 日早上 7:30 的 Real Time Live，了解 NVIDIA Research 如何打造 AI 數位化身
- 8 月 12 日凌晨 2:00 的全球首映，了解 NVIDIA GTC 2021 在 Metaverse 中的交流與串聯
- 8 月 12 日凌晨 5:30 的小組討論，了解電競領域的即時繪圖挑戰。可以透過 SIGGRAPH 新興技術單元，觀看互動式電競展示內容。
如欲瞭解更多資訊，請瀏覽 NVIDIA 在 SIGGRAPH 大會的精彩内容。
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