栅格化基本实现方法

栅格化基本实现方法


发布日期: 1970-01-01 更新日期: 2017-01-13 编辑:xuzhiping 浏览次数: 4992

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摘要: 最基础的栅格化算法将多边形表示的三维场景渲染到二维表面。多边形由三角形的集合表示,三角形由三维空间中的三个顶点表示。在最简单的实现形式中,栅格化工具将顶点数据映射到观察者显示器上对应的二维坐标点,然后对变换出的二维三角形进行合适的填充。 变换 通常使用矩阵运算...

最基础的栅格化算法将多边形表示的三维场景渲染到二维表面。多边形由三角形的集合表示,三角形由三维空间中的三个顶点表示。在最简单的实现形式中,栅格化工具将顶点数据映射到观察者显示器上对应的二维坐标点,然后对变换出的二维三角形进行合适的填充。

变换

通常使用矩阵运算进行变换,另外也可以用四元数运算但那不是本文讨论的范围。在三维顶点中添加一个齐次变量成为四维定点然后左乘一个 4 x 4的变换矩阵,通过这种方法就可以对三维顶点进行变换。主要的变换有平移、缩放、旋转以及投射。

裁剪

一旦三角形顶点转换到正确的二维位置之后,这些位置可能位于观察窗口之外,也可能位于屏幕之内。裁剪就是对三角形进行处理以适合显示区域的过程。

最常用的技术是Sutherland-Hodgeman裁剪算法。在这种方法中,每次测试每个图像平面的四条边,对于每个边测试每个待渲染的点。如果该点位于边界之外,就剔除该点。对于与图像平的面边相交的三角形边,即边的一个顶点位于图像内部一个位于外部,那么就在交叉点插入一个点并且移除外部的点。

扫描变换

传统的栅格化过程的最后一步就是填充图像平面中的二维三角形,这个过程就是扫描变换。

第一个需要考虑的问题就是是否需要绘制给定的像素。一个需要渲染的像素必须位于三角形内部、必须未被裁掉,并且必须未被其它像素遮挡。有许多算法可以用于在三角形内进行填充,其中最流行的方法是扫描线算法。

由于很难确定栅格化引擎是否会从前到后绘制所有像素,因此必须要有一些方法来确保离观察者较近的像素不会被较远的像素所覆盖。最为常用的一种方法是深度缓存,深度缓存是一个与图像平面对应的保存每个像素深度的二维数组。每个像素进行绘制的时候都要更新深度缓存中的深度值,每个新像素在绘制之前都要检查深度缓存中的深度值,距离观察者较近的像素就会绘制,而距离较远的都被舍弃。

为了确定像素颜色,需要进行纹理或者浓淡效果计算。纹理图是用于定义三角形显示外观的位图。每个三角形顶点除了位置坐标之外都与纹理以及二维纹理坐标 (u,v) 发生关联。每次渲染三角形中的像素的时候,都必须在纹理中找到对应的纹素,这是根据在屏幕上像素与顶点的距离在与纹理坐标相关联的三角形顶点之间插值完成的。在透视投影中,插值是在根据顶点深度分开的纹理坐标上进行的,这样做就可以避免透视缩减(perspective foreshortening)问题。

在确定像素最终颜色之前,必须根据场景中的所有光源计算像素上的光照。在场景中通常有三种类型的光源。定向光是在场景中按照一个固定方向传输并且强度保持不变的光。在现实生活中,由于太阳距离遥远所以在地球上的观察者看来是平行光线并且其衰减微乎其微,所以太阳光可以看作是定向光。点光源是从空间中明确位置向所有方向发射光线的光源。在远距离的物体上的入射光线会有衰减。最后一种是聚光灯,如同现实生活中的聚光灯一样,它有一个明确的空间位置、方向以及光锥的角度。另外,经常在光照计算完成之后添加一个环境光值以补偿光栅化无法正确计算的全局照明效果。

有许多可以用于光栅化的浓淡算法。所有的浓淡处理算法都必须考虑与光源的距离以及遮蔽物体法向量与光照入射角。最快的算法让三角形中的所有像素使用同样的亮度,但是这种方法无法生成平滑效果的表面。另外也可以单独计算顶点的亮度,然后绘制内部像素的时候对顶点亮度进行插值。速度最慢也最为真实的实现方法是单独计算每点的亮度。常用的浓淡模型有 Gouraud shading 和 Phong shading。

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