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3D图形学基础基本概念 转转载载 ：： 3D图图形形学学基基础础 Lingtonke （柯灵杰） 1 前前⾔⾔ 现在AR VR技术正值风⼝，催⽣了⼀⼤批相关的APP，使得3D图像学不再是游戏开发⼈员的专属知识，⽽是更多的普及开来。 本⽂主要针对⼀些对3D有兴趣的同学，普及图形学知识，不涉及深⼊的技术探讨和样例介绍。对于不是从事相关开发的同学也能了解相关 的知识 部分材料来源于⽹络和书籍。 2 什什么么是是图图形形学学 图形学也称计算机图形学 （ComputerGraphics），简称CG。它是研究图形的输⼊ 模型(图形对象)的构造和表⽰ 图形数据库管理 图 形数据通信 图形的操作 图形数据的分析，以及如何以图形信息为媒介实现⼈机交互作⽤的⽅法 技术和应⽤的⼀门学科。它包括图形系 统硬件(图形输⼊-输出设备 图形⼯作站)图形软件 算法和应⽤等⼏个⽅⾯。 图形学的研究内容⾮常⼴泛，如图形硬件 图形标准 图形交互技术 光栅图形⽣成算法 曲线曲⾯造型 实体造型 真实感图形计算与显 ⽰算法，以及科学计算可视化 计算机动画 ⾃然景物仿真 虚拟现实等。 平时我们开发游戏或者VR应⽤⽤到的，属于其中的⼀个分⽀：实时渲染 （RealtimeRendering） 渲染 （render，或称 “绘制”）在电脑绘图中，是指 ：⽤软件从模型⽣成图像的过程。模型是⽤语⾔或者数据结构进⾏严格定义的三维物体 或虚拟场景的描述，它包括⼏何 视点 纹理 照明和阴影等信息。图像是数字图像或者位图图像。渲染⽤于描述 ：计算视频编辑软件中的 效果，以⽣成最终视频的输出过程。 渲染是三维计算机图形学中的最重要的研究课题之⼀，并且在实践领域它与其它技术密切相关。在图形流⽔线中，渲染是最后⼀项重要步 骤，通过它得到模型与动画最终显⽰效果。⾃从⼆⼗世纪七⼗年代以来，随着计算机图形的不断复杂化，渲染也越来越成为⼀项重要的技 术。 渲染的应⽤领域有 ：计算机与视频游戏 模拟 电影或者电视特效以及可视化设计，每⼀种应⽤都是特性与技术的综合考虑。作为产品来 看，现在已经有各种不同的渲染⼯具产品，有些集成到更⼤的建模或者动画包中，有些是独⽴产品，有些是开放源代码的产品。从内部来 看，渲染⼯具都是根据各种学科理论，经过仔细设计的程序，其中有 ：光学 视觉感知 数学以及软件开发。 实时渲染经常⽤于三维视频游戏，通常依靠图形处理器 （GPU）完成这个过程。 3 效效果果展展⽰⽰ 4 渲渲染染管管线线 4.1 什什么么是是渲渲染染管管线线 渲染管线也称为渲染流⽔线或像素流⽔线或像素管线，是显⽰芯⽚内部处理图形信号相互独⽴的的并⾏处理单元。在某种程度上可以把渲染 管线⽐喻为⼯⼚⾥⾯常见的各种⽣产流⽔线，⼯⼚⾥的⽣产流⽔线是为了提⾼产品的⽣产能⼒和效率，⽽渲染管线则是提⾼显卡的⼯作能⼒ 和效率。 渲染管线就是显⽰核⼼中负责给图形配上颜⾊的⼀组专门通道。它是显⽰核⼼中单独设计的⼀组电路，拥有单独的晶体管。渲染管线越多， 那么所绘出的图形它的填充效率就越⾼，⾃然我们看到的画⾯也就越流畅越精美。这就是为什么渲染管线越多越好的原因。如果少了，那么 ⾃然就会使显卡的性能下降。当然渲染管线越多，显⽰核⼼就会越⼤，因为它所使⽤的晶体管数 ⽬增加了。 4.2 渲渲染染管管线线的的流流程程 4.2.1 总总流流程程 图图 4.2.2 顶顶点点着着⾊⾊器器 为了实现逼真的场景，仅渲染对象的形状和位置是不⾜够的，它们的外观亦需要模拟。这些描述包括第每对象材质，以及光源照射对象产⽣ 的特效。模拟材质和光源的⽅法有很多种，包括从最简单的颜⾊到精细的物理特性描述。 决定光和材质特效的操作称为着⾊。它包括了计算不同点的着⾊⽅程。典型的某些这类的计算运⾏在⼏何阶段的模型顶点数组上，另外⼀些 则运⾏在逐象素的光珊化阶段。各类的材质数据，例如点所在位置，法向量，颜⾊或其它着⾊