真实感渲染是计算机图形学中的一个重要研究领域,它在电影、产品设计、建筑可视化等领域都有极其重要的应用。材质渲染是渲染领域的研究热点。复杂材质分为参与介质和复杂表面材质。参与介质的渲染有非常多的方法,但这些方法往往极其复杂,难以实现难以维护以致难以在实际中应用。而使用简单的路径跟踪渲染参与介质,特别是高反射率或者小平均自由程的参与介质,非常难以收敛。对于表面材质的渲染,既有方法大多使用简化后的统计模型来近似表面的反射属性,此方法虽然能够快速计算出表面的高光反射效果,但是却忽略了所有的表面细节。而有的方法采用高分辨率法线贴图或者程序性的表面细节生成来模拟表面细节,能够较精确地模拟出复杂的高光反射效果,但是却需要耗费大量的计算资源。本文对于复杂表面材质和参与介质的高效渲染提出了几种高效的改进方法。对于参与介质,通过使用一种新的数据结构记录场景的入射辐射度分布,可以辅助路径跟踪进行高效采样,从而使结果更快地收敛。对于复杂表面材质,本文方法通过预计算,不仅可以使得渲染收敛速度大大提高,在某些情况下还能大量缩减存储消耗。对于特殊的亮片复杂材质,本文通过提出新的建模方法和计算方法,甚至可以使渲染效率达到实时。本文的主要工作如下:（1）对于参与介质,本文提出了一种基于路径引导的重要性采样方法。该方法首次将路径引导引入任意各向异性程度的同质性参与介质渲染中,提出了一种改进的用以表达体积入射辐射度分布的SD树学习方法,通过该方法得到高质量的体积入射辐射度分布。基于这个入射辐射度分布和重要性重采样方法,能够高效采样入射辐射度分布和相位函数的乘积,为了进一步加速渲染,本文还提出了一种基于参与介质相位函数各向异性程度的选择性采样策略,可以自适应地将重要性重采样的附加消耗降到最低。（2）对于复杂表面的微结构材质,本文提出一种既实现了常数时间复杂度又实现了常数空间复杂度的计算方法。本文对不同的像素足迹尺度预计算法线分布函数图像并生成一个法线分布函数Mipmap,然后使用张量分解来压缩此Mipmap,同时考虑法线分布函数的角度分布来构建张量Mipmap。使用这些预计算结构,可以在常数时间复杂度内解决动态范围查询和动态点查询问题,进而进行高效的求值和重要性采样。同时为了解决大法线贴图的存储问题,使用了一种改进的Wang tile方法,用一些小的瓷片来合成大的法线贴图,只需要预计算少数恒定数量瓷片的法线分布Mipmap就可以解决问题。本方法可以直接用在广泛使用的基于多重重要性采样的微表面渲染框架之上。（3）为了将渲染性能进一步提升到极致,本文对微结构材质中的一类亮片材质提出了一个近似可分离辐射度卷积模型,此模型兼容预过滤,且可用于多尺度微表面双向反射分布函数。基于该模型,本文提出了一个完整的基于亮片概率和辐射度因子的亮片模型预过滤方法,以及一个可以进一步加速渲染的三尺度方向过滤方法,从而使得原本模拟起来非常困难的亮片材质,可以在实时的环境中进行非常高效的渲染。（4）针对本文所研究的多种材质,本文设计并实现了一个用于数据生成、数据处理、数据可视化以及结果渲染的系统。本文的所有实验均使用本文开发的这套系统进行处理。本文针对体积材质和表面材质都提出了高性能的渲染方法,并且能够得到与参考结果高度一致的渲染结果,使得复杂材质的渲染速度得到了很大提升。本文的方法具有非常好的拓展性,可以广泛地应用于各种现有的框架之上。