GCL学术成果：SIGGRAPH Asia 2025-像素精度下大型曲面的水密实时网格离散

【论文标题】WATER: Watertight Tessellation for Real-Time Pixel-Accurate Rendering of Large-Scale Surfaces

【作者】曾亚军1，陆扬2，陈聪1，刘利刚* 1

【单位】中国科学技术大学1，设云科技2

背景与问题

曲面建模在计算机图形学、计算机辅助设计（CAD）和数字内容创作等多个领域中都发挥着重要作用。其中，非均匀有理 B 样条（NURBS）曲面和 Catmull–Clark 细分曲面因其在复杂几何造型上的精确性与灵活性而被广泛采用。随着应用场景中模型规模与复杂度的不断提升，人们对高效的实时渲染算法提出了更高需求，尤其是要求在大规模曲面上实现像素级精度的高保真渲染。

近年来，一些工作如ETER已在大规模 NURBS 模型上首次实现了像素级精度、无裂缝的实时渲染，其性能优势主要源于对齐均匀的采样模式（uniform tessellation pattern）：这种模式不仅简化了图元生成过程，还能充分利用 GPU 硬件的张量核心（tensor cores）进行加速。然而，由于采样方式严格均匀对齐，所生成的网格并非水密，只能依赖图像空间的裂缝检测与填补。这一局限导致该方法在透明渲染中难以适用，并且在 Catmull–Clark 细分曲面上进行置换贴图时也容易产生裂纹。保证网格生成的水密性能很好解决这个问题。但要在大规模曲面上同时兼顾水密性、实时性与像素级精度，仍然是一项极具挑战性的任务。

解决方案

为此，我们提出了一种新颖的水密离散框架 WATER，能够对包括 NURBS 曲面和 Catmull–Clark 曲面在内的大规模曲面实现水密离散，并支持像素级精度的实时渲染。该方法充分利用 GPU 特性，以纯软件实现的方式展现出超越硬件离散的性能。为了服务高保真渲染，WATER 采用了一种专为高效水密渲染设计的非均匀离散模式。在此基础上，我们进一步提出了高效的任务分配与调度策略，该策略依据像素精度动态估计采样率，自适应选择合适的分配与调度方案，从而高效执行水密演算与图元生成。

实验结果

我们对大型trimmed NURBS模型的像素精度渲染场景进行了详细的测试和对比。我们将我们的方案与前沿工作ETER[Xiong et al. 2023]的结果进行对比，在同样是非水密离散的模式下，我们的方法渲染时间比ETER渲染时间快了一倍，而水密模式下我们方法的渲染时间和ETER的非水密渲染时间不相上下。

技术贡献

在这项工作中，我们的贡献主要包括：

1.  提出一种实时水密离散框架，可支持大规模 NURBS 与 Catmull–Clark 曲面的像素级精度渲染。

2. 构建一个通用的非均匀离散系统，具备自适应误差控制、网格质量保证，并通过创新的任务划分与图元生成算法实现高效的 GPU 执行。

论文发表

该工作已被计算机图形学顶会SIGGRAPH 2025接收，并将发表于顶级期刊《ACM Transactions on Graphics》。该期刊2024-2025年度影响因子为7.8，是计算机科学与软件工程领域的一区刊物之一。

论文原文

Yajun Zeng, Yang Lu, Cong Chen, and Ligang Liu. WATER: Watertight Tessellation for Real-Time Pixel-Accurate Rendering of Large-Scale Surfaces. ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH Asia), 44(6), Article 218:1-9,  2025.