Rendering Layer

🎨 4.4 Rendering Layer（可导渲染层）

目的：利用可导路径追踪模拟真实光照传播，再渲染图像以监督材质与光照预测的质量，替代旧方法中的离散近似。

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❌ 传统方法的问题（Li et al. 2020）

• 将入射半球离散为固定方向，进行近似积分；
• 在高光材质上效果差，容易遗漏反射方向，导致条纹伪影（interleaved patterns）；
• 图像中镜面反射与高频细节容易丢失，真实感差。

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✅ 本文方法改进：Differentiable Monte Carlo Raytracing

核心思想：借助 可导路径追踪（MC Raytracing）+ BRDF 重要性采样，在屏幕空间进行真实方向追踪，得到更真实的再渲染结果。

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📌 渲染流程

1. 获取像素点 $p$ 的材质参数：

   • 反照率 $\tilde{A}$
   • 法线 $\tilde{N}$
   • 粗糙度 $\tilde{R}$
   • 金属度 ${\tilde{M}}_t$
   • 视角方向 $v$

2. BRDF 重要性采样：

   • 采样 $N$ 个方向 $\{d_i\}=\{{\varphi }_i,{\theta }_i\}$；
   • 依据视角、法线与材质特性进行偏向性采样；
   • 增强采样效率，尤其适用于高光区域。

3. 对每个采样方向进行屏幕空间路径追踪：

   • 得到对应的光源方向上的光照强度预测值 $\{{\tilde{L}}_i\}$；
   • 来源：由 Lighting Network 或 Out-of-View Lighting Network 估计得到。

4. 整合所有方向，计算再渲染图像 $\tilde{I}$：

$$\tilde{I}=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^N\frac{f_r(v,d_i;\tilde{A},\tilde{N},\tilde{R},{\tilde{M}}_t)\cdot {\tilde{L}}_i\cdot \cos {\theta }_i}{p(v,d_i;\tilde{N},\tilde{R},{\tilde{M}}_t)}$$

• $f_r$：BRDF 评估函数（衡量该方向的反射强度）；
• $p$：重要性采样的概率密度函数（PDF）；
• ${\theta }_i$：入射方向与法线的夹角。

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✨ 效果对比（见图4）

• Ours (no MC)：使用了自己的光照预测，但依然采用 Li et al. 的离散渲染层 → 存在明显伪影；
• Ours（完整方法）：利用 MC + Importance Sampling 渲染器 → 能恢复高光地板的镜面反射和真实阴影；
• 相比之下，Li et al. 的方法由于每像素只采样固定方向，极易遗漏高频反射路径。

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🧠 总结

渲染器版本	是否重要性采样	是否可导路径追踪	高光材质表现	是否容易产生伪影
Li et al. (2020)	❌ 离散方向	❌ 不可导	❌ 差	✅ 容易出现
本文（no MC）	❌ 使用旧渲染器	❌	❌ 较差	✅
本文（完整）	✅ 重要性采样	✅ 可导路径追踪	✅ 优秀	❌